向 晟，崔永俊

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，以引燃火藥、引爆炸藥或做機(jī)械功的一次性使用的元器件和裝置的總稱(chēng)，包括雷管、導(dǎo)火索，點(diǎn)火管，火帽、傳爆管，導(dǎo)爆索等?；鸸て返膬?chǔ)存環(huán)境必須防火、防潮、防盜[1]。目前一般工業(yè)和民用火工品的小規(guī)模儲(chǔ)存防護(hù)主要是依靠人員防范和攝像頭監(jiān)控，該方式可以防明火、防盜但無(wú)法了解庫(kù)房?jī)?nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)具體情況。而基于MQTT 和微信小程序的火工品倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以讓管理人員通過(guò)手機(jī)微信小程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)變化情況，方便管理員及時(shí)作出處理，可以減少安全隱患，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生幾率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

火工品倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要包括STM32 微控制器、ESP8266無(wú)線WIFI 模塊、DHT11 溫濕度傳感器、HC－SR501人體紅外感應(yīng)傳感器、BH1750 光照度傳感器、MQ－2煙霧傳感器、MQ－6 易燃?xì)怏w傳感器與L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)等；軟件系統(tǒng)由用戶終端和微信小程序組成，集成了數(shù)據(jù)展示、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等程序功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖

火工品倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行原理:各傳感器采集庫(kù)內(nèi)易燃?xì)怏w含量、煙霧濃度、光照強(qiáng)度、人員數(shù)目、溫濕度等數(shù)據(jù)，并由STM32 將數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI 方式發(fā)送至服務(wù)器與客戶端，采用MQTT 協(xié)議的通信方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，用戶可通過(guò)終端軟件MQTT.fx 和Web 網(wǎng)頁(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)微信小程序?qū)崟r(shí)接收服務(wù)器推送的傳感器數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制硬件系統(tǒng)。

2 MQTT

MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)是輕量級(jí)基于代理的發(fā)布/訂閱的消息傳輸協(xié)議[2]。該協(xié)議基于TCP/IP 協(xié)議棧，占用開(kāi)銷(xiāo)低、帶寬低且易于實(shí)現(xiàn)，十分適合于資源受限的場(chǎng)景。

在MQTT 協(xié)議中有:發(fā)布者(Publisher)、消息代理服務(wù)器(Broker)、訂閱者(Subscriber)三種通信身份。MQTT 消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理服務(wù)器只是作為一個(gè)中轉(zhuǎn)的存在，負(fù)責(zé)接收發(fā)布者發(fā)布的消息，并將消息傳遞給消息的訂閱者。消息發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者[3]。

圖2 為MQTT 協(xié)議的工作流程。首先，訂閱者向服務(wù)器訂閱主題，等待接收消息；然后，服務(wù)器接收發(fā)布者發(fā)布的消息并判斷消息的主題，若消息主題與訂閱者所訂閱的主題一致，則將消息轉(zhuǎn)發(fā)至訂閱者，實(shí)現(xiàn)消息從發(fā)布者到訂閱者之間的傳遞。

圖2 MQTT 工作流程

MQTT 協(xié)議通過(guò)控制QoS 等級(jí)來(lái)確定服務(wù)質(zhì)量，QoS 級(jí)別越高，服務(wù)質(zhì)量越高，流程越復(fù)雜，系統(tǒng)消耗資源越大[4]。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求選用QoS0，即發(fā)布者發(fā)送一個(gè)Publish 包后，無(wú)論接收方是否成功收到數(shù)據(jù)，刪除并丟棄已發(fā)送的包。QoS0 服務(wù)質(zhì)量下的發(fā)送方式如圖3 所示。

圖3 QoS0 服務(wù)質(zhì)量下的發(fā)送方式

3 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件與電路接口

硬件系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103ZET6，其具有豐富的外設(shè)，合理的功耗[5]。WIFI 模塊ESP8266 支持高效簡(jiǎn)潔的AT 指令，采用Station 模式，經(jīng)路由器或移動(dòng)熱點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)[6]；煙霧傳感器MQ－2 和易燃?xì)怏w傳感器MQ－6 用于采集火工品倉(cāng)庫(kù)中的煙霧和易燃?xì)怏w的含量并通過(guò)STM32 自帶的12 位ADC 讀取數(shù)值[7]；光照傳感器BH1750，采用I2C 接口，靈敏度高，直接數(shù)字輸出光照亮度[8]；人體紅外感應(yīng)傳感器HC－SR501，用于監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)人員進(jìn)出[9]；溫濕度傳感器[10]使用DHT11，測(cè)量濕度范圍20%RH～90%RH，溫度范圍0～50 ℃，分辨率濕度1%RH，溫度分辨率1 ℃；電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用L298N以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)[11]；人機(jī)界面使用0.96 寸OLED，將傳感器所采集數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)。核心電路引腳如圖4 所示。

圖4 核心電路引腳圖

3.2 MQTT 協(xié)議在STM32 硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)備端主函數(shù)工作流程如圖5 所示。硬件設(shè)備端作為訂閱者，訂閱topic:storehouse/sub，接收來(lái)自該topic 的消息，同時(shí)作為消息的發(fā)布者向topic:storehouse/pub 上傳數(shù)據(jù)。

圖5 硬件端主函數(shù)流程圖

STM32 平臺(tái)接入MQTT 協(xié)議，主要用到三個(gè)庫(kù):esp8266.c、Mqttkit.c、Aliyun.c 及其對(duì)應(yīng)頭文件。

(1)esp8266.c 主要為STM32 提供網(wǎng)絡(luò)連接配置函數(shù)。核心函數(shù):

void ESP8266＿Init(void)；[初始化]

＿Bool ESP8266＿SendCmd(char*cmd，char*res)；

[發(fā)送命令函數(shù)，cmd 命令，res 返回指令，返回參數(shù)0－成功1－失敗]，依次發(fā)送如下命令:

"AT＼r＼n"測(cè)試AT 啟動(dòng)；

"AT＋RST＼r＼n"重啟模塊，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤；

"AT＋CIPCLOSE＼r＼n"關(guān)閉TCP 傳輸；

"AT＋CWMODE ＝1＼r＼n"設(shè)置模式為Station；

"AT＋CWDHCP ＝1，1＼r＼n"開(kāi)啟DHCP；

"AT＋CWJAP ＝＼"nova＼"，＼"66968221＼" ＼r＼n"接入WIFI 的名稱(chēng)和密碼；

"AT ＋CIPSTART ＝＼"TCP ＼"，＼"mqtt.mqttxsxs.xyz＼"，1883＼r＼n"建立TCP 連接，接入的IP 地址和端口號(hào)。

(2)Mqttkit.c 提供MQTT 協(xié)議所需要的底層函數(shù)，主要被Aliyun.c 中的函數(shù)調(diào)用并實(shí)現(xiàn)MQTT 服務(wù)器的連接、消息主題的訂閱、接收服務(wù)器平臺(tái)返回?cái)?shù)據(jù)、發(fā)布消息等功能。其核心函數(shù)如下:

1.＿Bool Aliyun＿DevLink(void)；[接入云平臺(tái)函數(shù)，1－成功0－失敗]；

主要調(diào)用:uint8 MQTT＿PacketConnect(int8*user，int8*password，int*devid，uint16＿t cTime，uint1 qos，MQTT＿PACKET＿STRUCTURE*mqttPacket)；

[user:產(chǎn)品ID，password:鑒權(quán)信息或apikey，devid:設(shè)備ID，cTime:連接保持時(shí)間，qos:QoS 等級(jí)，mqttPacket:包指針]。

2.void Aliyun ＿ Subscribe (char * topics [ ]，unsigned char topic＿cnt)；[訂閱topic 函數(shù)，topics:topic 名稱(chēng)，topic＿cnt:topic 個(gè)數(shù)]；

主要調(diào)用:uint8 MQTT＿PacketSubscribe(uint16 pkt＿id，enum MqttQosLevel qos，const int8*topics[]，uint8 topics＿cnt，MQTT＿PACKET＿STRUCTURE*mqttPacket)；

[pkt＿id:pkt＿id，qos:QoS 等級(jí)，topics:topic 名稱(chēng)，topics＿cnt:topic 個(gè)數(shù)，mqttPacket:包指針]。

3.void Aliyun＿RevPro(unsigned char*dataPtr)；[平臺(tái)返回?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)，dataPtr:平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)]

主要調(diào)用:uint8 MQTT＿UnPacketRecv(uint8*dataPtr)；[dataPtr:接收的數(shù)據(jù)指針]。

4.void Aliyun＿Publish(char*topic，char*msg)；[發(fā)布消息函數(shù)，topic:發(fā)布的主題，msg:消息內(nèi)容]，

主要調(diào)用:uint8 MQTT＿PacketPublish(uint16 pkt＿id，int8*topic，int8*payload，uint32 payload＿len，enum MqttQosLevel qos，MQTT ＿ PACKET ＿STRUCTURE*mqttPacket)；

[pkt＿id，topic:發(fā)布的topic，payload:消息體(內(nèi)容)，payload＿len:消息體長(zhǎng)度，qos:QoS 等級(jí)，mqttPacket:包指針]。

4 上位機(jī)微信小程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 微信小程序開(kāi)發(fā)

微信小程序的設(shè)計(jì)[12]使用的是開(kāi)源的mpvue。開(kāi)發(fā)環(huán)境配置:安裝微信開(kāi)發(fā)者工具、NodeJs、vuecil 腳手架工具和Vscode。微信小程序mpvue 工程建立過(guò)程如下:

(1)右鍵空白處，Vscode 打開(kāi)并在終端輸入命令:

＄vue init mpvue/mpvue－quickstart myweapp

創(chuàng)建了模板的新項(xiàng)目，名為myweapp；

(2)用Vscode 打開(kāi)新建立的myweapp，在其終端依次輸入以下命令:

＄npm install 安裝工程需要的依賴；

＄npm run dev 構(gòu)建工程；

(3)微信開(kāi)發(fā)者工具導(dǎo)入項(xiàng)目myweapp。

至此mpvue 工程創(chuàng)立完畢，微信開(kāi)發(fā)者工具會(huì)監(jiān)聽(tīng)Vscode 對(duì)工程文件的修改。另外，工程需安裝MQTT 插件以支持MQTT 協(xié)議:

＄npm install－save mqtt

微信小程序設(shè)計(jì)主界面如圖6 所示。

圖6 微信小程序設(shè)計(jì)主界面

4.2 微信小程序接入MQTT 協(xié)議

微信小程序軟件流程如圖7 所示。

圖7 微信小程序軟件流程圖

通信實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼參考如下。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對(duì)本系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。功能測(cè)試主要測(cè)試火工品倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主控單元能否正常穩(wěn)定運(yùn)行，各傳感器能否正常感知數(shù)據(jù)，警報(bào)器、電機(jī)能否正常作業(yè)，用戶終端軟件MQTT.fx和微信小程序能否實(shí)時(shí)接收并推送數(shù)據(jù)。

5.1 功能實(shí)時(shí)性測(cè)試

打開(kāi)微信小程序界面端的警報(bào)燈，硬件端綠燈亮起，記錄并對(duì)比微信小程序、MQTT.fx 以及硬件設(shè)備端OLED 數(shù)據(jù)。三方數(shù)據(jù)如圖8～圖11 所示。

圖8 微信小程序真機(jī)調(diào)試

圖9 MQTT.fx 界面

圖10 MQTT.fx 數(shù)據(jù)

圖11 硬件OLED 顯示

測(cè)試結(jié)果表明:平臺(tái)實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)功能正常，微信小程序?qū)崟r(shí)接收硬件設(shè)備端發(fā)布的消息，硬件設(shè)備接收到微信端命令并成功作出響應(yīng)。微信小程序與硬件設(shè)備端雙向通信成功。

5.2 功能穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)運(yùn)行24 h 并記錄整點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯總整理如表1 所示。由于篇幅列出8 組數(shù)據(jù)。

表1 某倉(cāng)庫(kù)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

其中，煙霧和易燃?xì)怏w傳感器在沒(méi)有檢測(cè)到相應(yīng)數(shù)據(jù)的情況下會(huì)輸出0.4 V 和0.5 V 的電壓值，在檢測(cè)到相應(yīng)煙霧或易燃?xì)怏w時(shí)，電壓值會(huì)隨著檢測(cè)濃度的增加而增加。

測(cè)試過(guò)程:初始狀態(tài)下(0 s)煙霧和易燃?xì)怏w傳感器初值分別為0.4 V、0.5 V。1 s 時(shí)在距離硬件設(shè)備0.5 m 處加入煙霧與煤氣，2 s～7 s 能看到ADC 所采集傳感器的電壓值迅速增大到3.3 V。第7 s 關(guān)閉，隨著時(shí)間的推移，空氣中煙霧和易燃?xì)怏w含量稀釋?zhuān)瑐鞲衅鬏敵龅碾妷褐祷貧w初始值。圖12 為傳感器測(cè)試結(jié)果曲線圖。

圖12 煙霧和易燃?xì)怏w傳感器測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果:硬件設(shè)備工作穩(wěn)定，傳感器配置正確且正常工作，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性僅與其傳感器的精度相關(guān)。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)連接等現(xiàn)象，表明該系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)火工品倉(cāng)庫(kù)安全防范的非全面性，設(shè)計(jì)基于MQTT 和微信小程序的火工品倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象及結(jié)果，驗(yàn)證了硬件設(shè)備與微信小程序之間數(shù)據(jù)命令交互具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。該設(shè)計(jì)方便用戶和管理人員從數(shù)據(jù)角度監(jiān)測(cè)庫(kù)房?jī)?nèi)的環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，可作為獨(dú)立或輔助設(shè)備應(yīng)用于火工品倉(cāng)庫(kù)及其他相關(guān)環(huán)境，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。