基于STM32的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的家用電器進(jìn)入人們的生活當(dāng)中，成為日常工作生活的不可或缺的一部分；相應(yīng)的各種功能的家用廚房電器也逐漸被廣泛使用。廚房電器的增加給人們的生活帶來便捷，但也不可避免的引發(fā)不少安全隱患。煤氣中毒、火災(zāi)等安全事件時(shí)有發(fā)生，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過多種傳感器檢測廚房各種參數(shù)，并把相應(yīng)信息通過物聯(lián)網(wǎng)模塊遠(yuǎn)程傳送給用戶，避免災(zāi)難發(fā)生。

1   整體設(shè)計(jì)

基于STM32 的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)采用STM32F103CBT6[1] 單片機(jī)作為控制中心，通過多個(gè)傳感器讀取廚房環(huán)境中的溫度濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、有毒氣體濃度等參數(shù)，并將取得的數(shù)據(jù)值傳遞給單片機(jī)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過閾值后，可通過NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)模塊上傳警告信息，用戶不在家也可迅速接收警告信息，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。其中NB-IoT 平臺與阿里云服務(wù)器通信過程為平臺向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并將數(shù)據(jù)以JSON 形式封裝后通過HTTP 的GET/POST 請求與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)警告信息的傳送。具體硬件電路示意圖如下圖1 所示。

圖1硬件電路示意

2   硬件電路組成

2.1 STM32F103單片機(jī)

STM32F103 系列單片機(jī)是目前市場上常用的32位嵌入式處理器， 內(nèi)核采用ARM Cortex? RISC 內(nèi)核， 工作頻率支持72 MHZ， 支持閃存和SRAM。STM32F103CBT6 單片機(jī)標(biāo)稱工作電壓為直流3.5 V，-40-+85 ℃的溫度范圍和-40-+105 ℃的擴(kuò)展溫度范圍使得STM32F103 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域，豐富的USB、I2C、SPI、CAN 總線通信方式使得STM32103F系列單片機(jī)廣泛使用在醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用、智能家電、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

2.2 NB-IoT聯(lián)網(wǎng)模塊

NB-IoT^[2]構(gòu)建于窄帶（200 kHz）的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在優(yōu)化LTE 通信協(xié)議和信令、向用戶分組添加傳輸信息、以空閑狀態(tài)發(fā)送分組的情況下，不需要業(yè)務(wù)請求即可建立直接連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-INT 采用了覆蓋強(qiáng)化技術(shù)，在相同頻率下比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益提高了20 dB，即覆蓋能力提高了100 倍。支持大容量的接入設(shè)備，支持低延遲靈敏度，并且直接部署在諸如GSM 網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)或UMTS 網(wǎng)絡(luò)之類的現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)超低成本的平滑升級。模塊具有低功率消耗的特征，在省電模式下功率消耗為3.6 μA，終端的待機(jī)時(shí)間更長，模塊的成本低。本設(shè)計(jì)中NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)模塊采用BC26網(wǎng)絡(luò)模塊。該模塊是高性能、低功耗、多頻帶LTE CatNB1/Cat NB2* 無線通信模塊。BC26 模塊尺寸緊湊，外部接口和協(xié)議棧豐富，適用于高內(nèi)聚的應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中。同時(shí)可支持中國移動OneNET/Andlink、中國電信IoT/AEP、華為Ocean Connect 以及阿里云等物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為用戶的應(yīng)用提供極大的便利。BC26 模塊工作電壓為直流2.1-3.63 V，典型值為3.3 V，正常工作溫度為-35-+75 ℃，擴(kuò)展工作溫度：-40-+85 ℃，能夠滿足告警信息的遠(yuǎn)程上傳工作，具體硬件電路連接示意圖如圖2 所示。

圖2 NB-IoT硬件連接示意

2.3 電源模塊

本設(shè)計(jì)中電源模塊采用的是明緯RD-50 A 型50 W雙組輸出開關(guān)電源號的電源。RD-50 A 型開關(guān)電源交流輸入電壓為88-264 V，可承受300 VA 浪涌輸入5 S 而無損壞，支持直流5 V 和直流12 V 雙路輸出，電壓精度分別為±2.0% 和±7.0%，可在-25℃～ +70 ℃環(huán)境下穩(wěn)定輸出。同時(shí)本設(shè)計(jì)中采用可以向AM S1177-333 正向低壓下降穩(wěn)壓器完成電壓的壓降，實(shí)現(xiàn)直流3.3 V 電壓的輸出，完成向STM 32F 103CBT6 宏處理器和NB 無線模塊等的供電。具體降壓電路圖如圖3 所示。

圖3 降壓電路

2.4 傳感器

2.4.1 氣體傳感器

本設(shè)計(jì)中采用Sensirion 公司生產(chǎn)的SGP30 傳感器完成廚房環(huán)境中二氧化碳濃度信息的采集。這個(gè)傳感器采用了CMOnes。技術(shù)提供完整的傳感器系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片具有數(shù)字I2C 接口、溫度控制的微熱板和兩個(gè)預(yù)處理的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號。SGP30 提供更詳細(xì)的空氣質(zhì)量信息，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳（CO₂）和易失性有機(jī)化合物（VOC）含量的檢測工作。

此外，本設(shè)計(jì)中還采用煒盛公司生產(chǎn)的MQ135 氣體傳感器完成廚房環(huán)境有毒氣體的檢測。在空氣質(zhì)量檢查過程中，氣體傳感器采用的感應(yīng)材料是導(dǎo)電率低的二氧化錫材料，在環(huán)境中存在有害氣體的情況下，隨著有害氣體濃度的增加，二氧化錫的導(dǎo)電率上升，從而可以將導(dǎo)電率的變化轉(zhuǎn)換成電信號并輸出。MQ135氣體傳感器標(biāo)稱工作電壓為+5 V，測試預(yù)熱時(shí)間不小于48H，具體測試電路如圖4 所示。

圖4 MQ135測試電路

2.4.2 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)中采用的溫濕度傳感器^[3]為包含校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11，該傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊收集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度和濕度的收集工作。DHCT11 型傳感器工作電壓范圍為3.3-5.5 V，溫度濕度測量范圍分別為：濕度20~90%RH、溫度0-50 ℃，測量精度為濕度±5%RH、溫度±2 ℃。這個(gè)精度可以滿足家庭廚房環(huán)境溫度濕度的測定要求。

2.4.3 光照強(qiáng)度傳感器

我們采用BH1750FVI 型光照傳感器來實(shí)現(xiàn)廚房環(huán)境光照強(qiáng)度的采集。這個(gè)光照傳感器是I2C 總線接口用的數(shù)字環(huán)境光傳感器芯片。光譜響應(yīng)接近人眼反應(yīng)、寬范圍、高分辨率（1-65535lx）、低電流切斷功能、低噪音抑制，不需要外部部件、對光源的依賴性小、光學(xué)窗影響的測量結(jié)果可調(diào)、測量誤差小、紅外的影響小等特點(diǎn)，可以在高分辨率下檢測大范圍的光照強(qiáng)度，受到廣大用戶的青睞。本設(shè)計(jì)才用該傳感器可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)廚房中光照強(qiáng)度信息的采集和檢測，具體硬件連接電路圖如圖5 所示。

圖5 BH1750硬件電路

3   家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測裝系統(tǒng)置軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器搭建

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)接收到各類傳感器檢測的信息后經(jīng)處理后通過NB-IoT 模塊上傳到阿里云服務(wù)器，上傳信息采用的是MQTT 通信協(xié)議，具體的MQTT 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式如圖6 所示。

圖6 MQTT實(shí)現(xiàn)方式

3.2 主程序設(shè)計(jì)

Stm32 單片機(jī)初始化完成后對各類傳感器采集回傳后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，隨后與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過閥值后，單片機(jī)通過NB 模塊將告警信息上傳到阿里云，用戶通過云服務(wù)接收到告警信息后，進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)工作。具體程序設(shè)計(jì)流程如圖7(a,b,c) 所示。

圖7-a主程序流程

圖7-b主程序流程

圖7-c主程序流程

3.3 NB-IoT模塊程序設(shè)計(jì)

NB-IoT 模塊運(yùn)行的程序流程如下：BC26 模塊在清空緩存后需要事先獲取卡號并完成激活網(wǎng)絡(luò)的工作，這部分工作主要在初始化程序中完成。隨后BC26 模塊需要連接UDP、創(chuàng)建TCP socket，并用這個(gè)方法與MQTT 阿里云服務(wù)器連接，完成數(shù)據(jù)的上傳工作。如果MQTT Al 云服務(wù)器連接成功，將開始MQTT 主題和MQTT 主題的發(fā)送。

4   結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測裝置能夠完成家庭廚房溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度及有毒氣體的檢測和告警信息的發(fā)送工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測家庭廚房環(huán)境的功能，能夠有效地避免家庭人員傷害及財(cái)產(chǎn)的損失，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] STM32103F芯片手冊[s].

[2] 王明浩,吳韶波.基于智慧城市建設(shè)的NB-IoT應(yīng)用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(7):79-82.

[3] 呂衛(wèi),趙佳麗.一種低功耗高精度的NB-IoT溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2018,31(6):836-840.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）