手把手實踐丨基於STM32+NBIOT+華為雲IOT設計智能井蓋

来源:https://www.cnblogs.com/huaweiyun/archive/2023/06/05/17457758.html
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摘要：本文介紹基於STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為雲IOT平臺，實現了一款智能井蓋系統。 本文分享自華為雲社區《基於STM32+NBIOT+華為雲IOT設計的智能井蓋》，作者：DS小龍哥 。 一、概述 智能井蓋是一種通過物聯網技術實現對井蓋狀態監測和管理的設備。當前介紹基於STM3 ...


摘要：本文介紹基於STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為雲IOT平臺，實現了一款智能井蓋系統。

本文分享自華為雲社區《基於STM32+NBIOT+華為雲IOT設計的智能井蓋》，作者：DS小龍哥 。

一、概述

智能井蓋是一種通過物聯網技術實現對井蓋狀態監測和管理的設備。當前介紹基於STM32微控制器，BC26 NBIOT模組以及華為雲IOT平臺設計一款智能井蓋系統。該系統通過光線感測器、霍爾感測器、溫濕度感測器等設備實現井蓋狀態的實時監測，通過NBIOT網路將數據上傳到華為雲IOT平臺，再通過雲平臺下發控制指令實現遠程管理。

應用場景

智能井蓋系統可以廣泛應用於城市管理、交通建設等領域，其中具體應用場景包括：

（1）實時監測井蓋狀態，及時發現井蓋開放或異常情況，提高城市管理的效率和安全性；

（2）提供實時環境監測數據，幫助提升城市環境監測能力；

（3）利用NBIOT網路和華為雲平臺的遠程式控制制功能，可以實現智能井蓋的開關控制和監管，避免人工操作不便和監管不到位引起的危險。

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二、硬體設計

本系統的硬體設計主要包括感測器模塊和控制模塊兩部分，其中感測器模塊主要負責採集井蓋狀態信息，控制模塊則負責數據處理和通信。

【1】感測器模塊

（1）光線感測器：光線感測器用於感知井蓋上方光線強度，判斷井蓋是否露出地面。當井蓋被遮住時，光線感測器輸出低電平；當井蓋暴露在外時，光線感測器輸出高電平。

（2）霍爾感測器：霍爾感測器用於感知井蓋狀態（開/關），當井蓋開啟時，霍爾感測器輸出高電平；當井蓋關閉時，霍爾感測器輸出低電平。

（3）溫度感測器和濕度感測器：溫度感測器和濕度感測器用於感知井蓋下方的環境溫濕度，實時反饋給系統，便於監測井蓋下方環境狀況。

【2】控制模塊

（1）STM32微控制器：使用STM32F103C8T6微控制器，主要負責感測器數據採集、處理和控制模塊與NBIOT模組之間的通信。

（2）BC26 NBIOT模組：使用BC26 NBIOT模組，通過NBIOT網路將採集到的井蓋狀態數據上傳到華為雲IOT平臺，同時支持遠程式控制制井蓋開關。

（3）LED指示燈：採用不同顏色的LED指示燈，將井蓋狀態（開/關、異常、低電量）實時反饋給用戶。

軟體設計 軟體設計主要包括STM32微控制器程式設計和華為雲IOT平臺開發兩部分。

STM32微控制器程式設計： 主要包括三個模塊：感測器採集模塊、數據處理模塊和通信模塊。其中感測器採集模塊負責採集感測器數據併進行處理；數據處理模塊根據採集的數據進行邏輯處理，判斷井蓋狀態；通信模塊負責與NBIOT模組之間的通信，將處理後的數據上傳至華為雲IOT平臺。

三、華為雲IOT平臺開發

在華為雲IOT平臺上，需要進行設備接入、數據模型定義、規則引擎配置和應用開發等四個核心模塊的開發。其中，設備接入模塊包括設備註冊、獲取設備證書、建立連接等步驟，以保障設備與雲平臺之間的安全通信；數據模型定義模塊需要根據實際需求定義相應的數據模型，包括上傳數據格式、設備屬性和服務等。規則引擎配置模塊需要完成實時消息推送、遠程式控制制和告警等功能。應用開發模塊則是將完整的智能井蓋系統進行打包，為用戶提供統一的操作介面。

華為雲官網: https://www.huaweicloud.com/

打開官網，搜索物聯網，就能快速找到 設備接入IoTDA。

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3.1 物聯網平臺介紹

華為雲物聯網平臺（IoT 設備接入雲服務）提供海量設備的接入和管理能力，將物理設備聯接到雲，支撐設備數據採集上雲和雲端下發命令給設備進行遠程式控制制，配合華為雲其他產品，幫助我們快速構築物聯網解決方案。

使用物聯網平臺構建一個完整的物聯網解決方案主要包括3部分：物聯網平臺、業務應用和設備。

物聯網平臺作為連接業務應用和設備的中間層，屏蔽了各種複雜的設備介面，實現設備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業用戶構建各種物聯網解決方案。

設備可以通過固網、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網路接入物聯網平臺，並使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協議將業務數據上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發給設備。

業務應用通過調用物聯網平臺提供的API，實現設備數據採集、命令下發、設備管理等業務場景。

img

3.2 開通物聯網服務

地址： https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

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開通標準版免費單元。

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開通之後，點擊總覽，查看接入信息。 我們當前設備準備採用MQTT協議接入華為雲平臺，這裡可以看到MQTT協議的地址和埠號等信息。

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總結:

 埠號：   MQTT (1883)| MQTTS (8883)    
 接入地址： a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

根據功能變數名稱地址得到IP地址信息:

 Microsoft Windows [版本 10.0.19044.2846]
 (c) Microsoft Corporation。保留所有權利。
 ​
 C:\Users\11266>ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
 ​
 正在 Ping a3433ab133.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com [121.36.42.100] 具有 32 位元組的數據:
 來自 121.36.42.100 的回覆: 位元組=32 時間=37ms TTL=31
 來自 121.36.42.100 的回覆: 位元組=32 時間=37ms TTL=31
 來自 121.36.42.100 的回覆: 位元組=32 時間=36ms TTL=31
 來自 121.36.42.100 的回覆: 位元組=32 時間=37ms TTL=31
 ​
 121.36.42.100 的 Ping 統計信息:
     數據包: 已發送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
 往返行程的估計時間(以毫秒為單位):
     最短 = 36ms，最長 = 37ms，平均 = 36ms
 ​
 C:\Users\11266>

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MQTT協議接入埠號有兩個，1883是非加密埠，8883是證書加密埠，單片機無法載入證書，所以使用1883埠比較合適。 接下來的ESP8266就採用1883埠連接華為雲物聯網平臺。

3.3 創建產品

（1）創建產品

點擊右上角創建產品。

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（2）填寫產品信息

根據自己產品名字填寫，設備類型選擇自定義類型。

（3）添加自定義模型

產品創建完成之後，點擊進入產品詳情頁面，翻到最下麵可以看到模型定義。

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模型簡單來說： 就是存放設備上傳到雲平臺的數據。比如：環境溫度、環境濕度、環境煙霧濃度、火焰檢測狀態圖等等，這些我們都可以單獨創建一個模型保存。

3.4 添加設備

產品是屬於上層的抽象模型，接下來在產品模型下添加實際的設備。添加的設備最終需要與真實的設備關聯在一起，完成數據交互。

（1）註冊設備

點擊右上角註冊設備。

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（2）根據自己的設備填寫

在彈出的對話框里填寫自己設備的信息。根據自己設備詳細情況填寫。

（3）保存設備信息

創建完畢之後，點擊保存並關閉，得到創建的設備密匙信息。該信息在後續生成MQTT三元組的時候需要使用。

3.5 MQTT協議主題訂閱與發佈

（1）MQTT協議介紹

當前的設備是採用MQTT協議與華為雲平臺進行通信。

MQTT是一個物聯網傳輸協議，它被設計用於輕量級的發佈/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩定的網路環境中的物聯網設備提供可靠的網路服務。MQTT是專門針對物聯網開發的輕量級傳輸協議。MQTT協議針對低帶寬網路，低計算能力的設備，做了特殊的優化，使得其能適應各種物聯網應用場景。目前MQTT擁有各種平臺和設備上的客戶端，已經形成了初步的生態系統。

MQTT是一種消息隊列協議，使用發佈/訂閱消息模式，提供一對多的消息發佈，解除應用程式耦合，相對於其他協議，開發更簡單；MQTT協議是工作在TCP/IP協議上；由TCP/IP協議提供穩定的網路連接；所以，只要具備TCP協議棧的網路設備都可以使用MQTT協議。 本次設備採用的ESP8266就具備TCP協議棧，能夠建立TCP連接，所以，配合STM32代碼里封裝的MQTT協議，就可以與華為雲平臺完成通信。

華為雲的MQTT協議接入幫助文檔在這裡: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

img

業務流程：

img

（2）華為雲平臺MQTT協議使用限制

 （3）主題訂閱格式

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

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對於設備而言，一般會訂閱平臺下發消息給設備 這個主題。

設備想接收平臺下發的消息，就需要訂閱平臺下發消息給設備 的主題，訂閱後，平臺下發消息給設備，設備就會收到消息。

（4）主題發佈格式

對於設備來說，主題發佈表示向雲平臺上傳數據，將最新的感測器數據，設備狀態上傳到雲平臺。

這個操作稱為：屬性上報。

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

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3.6 MQTT三元組

MQTT協議登錄需要填用戶ID，設備ID，設備密碼等信息，就像我們平時登錄QQ，微信一樣要輸入賬號密碼才能登錄。MQTT協議登錄的這3個參數，一般稱為MQTT三元組。

接下來介紹，華為雲平臺的MQTT三元組參數如何得到。

（1）MQTT伺服器地址

要登錄MQTT伺服器，首先記得先知道伺服器的地址是多少，埠是多少。

幫助文檔地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

image-20230411141412090

MQTT協議的埠支持1883和8883，它們的區別是：8883 是加密埠更加安全。但是單片機上使用比較困難，所以當前的設備是採用1883埠進連接的。

根據上面的功能變數名稱和埠號，得到下麵的IP地址和埠號信息： 如果設備支持填寫功能變數名稱可以直接填功能變數名稱，不支持就直接填寫IP地址。 （IP地址就是功能變數名稱解析得到的）

 華為雲的MQTT伺服器地址：121.36.42.100
 華為雲的MQTT埠號：1883

（2）生成MQTT三元組

華為雲提供了一個線上工具，用來生成MQTT鑒權三元組： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打開這個工具，填入設備的信息（也就是剛纔創建完設備之後保存的信息），點擊生成，就可以得到MQTT的登錄信息了。

下麵是打開的頁面：

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3.7 參考案例

華為雲平臺部署開發也可以參考這裡：

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/381072

【基於華為雲IOT平臺實現多節點溫度採集(STM32+NBIOT)】

四、讀取煙霧氣體濃度

【1】MQ2感測器

以下是一個讀取MQ2感測器數據，並轉換為煙霧濃度的示例代碼，

 #include "stm32f10x.h"
 #include <stdio.h>
 ​
 int main(void)
 {
     // 初始化ADC
     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
     ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
     ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
     ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
     ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
     ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
     ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
     ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
 ​
     // 配置ADC通道1的GPIO引腳
     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 ​
     // 啟動ADC校準
     ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
     ADC_ResetCalibration(ADC1);
     while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
     ADC_StartCalibration(ADC1);
     while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
 ​
     // 讀取ADC值
     ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_28Cycles5);
     ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
     while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
     uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
 ​
     // 計算煙霧濃度
     float voltage = (float)adc_value / 4096.0f * 3.3f;
     float density = (voltage - 0.4f) / 0.4f * 10000.0f;
 ​
     // 列印出煙霧濃度
     printf("MQ2 Smoke Density: %.2f ppm\n", density);
 }
 ​
 ​
 ​
 ​
 float adc_average() 
 {
     const int num_discarded = 3;  // 剔除的最大/最小值數量
     float samples[20];   // 存儲採樣結果的數組
     
     // 採集數據
     for (int i = 0; i < num_samples; i++) {
         samples[i] = ADC_GET();
     }
     
     // 對採樣結果進行排序（升序）
     for (int i = 0; i < num_samples - 1; i++) {
         for (int j = i + 1; j < num_samples; j++) {
             if (samples[i] > samples[j]) {
                 float temp = samples[i];
                 samples[i] = samples[j];
                 samples[j] = temp;
             }
         }
     }
     
     // 計算剩下的平均值
     float sum = 0;
     for (int i = num_discarded; i < num_samples - num_discarded; i++) {
         sum += samples[i];
     }
     return sum / (num_samples - 2 * num_discarded);  // 返回計算結果
 }

【2】MQ4感測器

以下是基於HAL庫的STM32F103ZET6讀取MQ4煙霧感測器的代碼：

 #include "gpio.h"
 ​
 /* MQ4感測器的引腳定義 */
 #define MQ4_PORT        GPIOA
 #define MQ4_PIN         GPIO_PIN_0
 ​
 /* MQ4感測器的校準電壓 */
 #define MQ4_RL_VALUE    10      // RL值為10kΩ
 #define MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adcValue)     ((float)(RL_VALUE*(4096-adcValue)/adcValue))
 ​
 /* 獲取MQ4感測器的數據 */
 float get_mq4_value()
 {
     uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
     float ro = MQ4_CALCULATE_RO_CLEAN(adc_value);
     float sensor_volt = HAL_ADC_GetValue(&hadc2) * (3.3 /4096.0);
     float sensor_rsr = (3.3 - sensor_volt) / sensor_volt * ro;
     float mq4_ppm = pow(10, ((log10(sensor_rsr / 2.5) - 0.3420) / (-0.6162)));
     return mq4_ppm;
 }
 ​
 /* 主函數 */
 int main()
 {
     HAL_Init();
     MX_GPIO_Init();
     MX_ADC1_Init();
     MX_ADC2_Init();
   
     /* 讀取MQ4感測器數據 */
     float mq4_value = get_mq4_value();
 ​
     printf("MQ4感測器值：%.2f PPM\r\n", mq4_value);
 ​
     while (1);
 }

在該示例代碼中，我們用到了ADC1和ADC2來分別讀取MQ4感測器的數據引腳和校準電壓。函數get_mq4_value()中使用了MQ4感測器的電路計算公式，將讀取的感測器數據轉化成對應的PPM值。

五、總結

當前文章介紹基於STM32微控制器、BC26 NBIOT模組和華為雲IOT平臺，實現了一款智能井蓋系統。該系統通過多種感測器實現了井蓋狀態的實時監測和數據上傳，在應用上具有重要的應用場景和實際應用價值。整體介紹了系統硬體和軟體設計的各個環節，對相關產品的開發提供了一定的參考價值和設計思路。

 

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