基于STM32的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測系統設計

近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的家用電器進(jìn)入人們的生活當中，成為日常工作生活的不可或缺的一部分；相應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(lái)便捷，但也不可避免的引發(fā)不少安全隱患。煤氣中毒、火災等安全事件時(shí)有發(fā)生，本設計系統通過(guò)多種傳感器檢測廚房各種參數，并把相應信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊遠程傳送給用戶(hù)，避免災難發(fā)生。

1   整體設計

基于STM32 的家庭互聯(lián)網(wǎng)檢測系統采用STM32F103CBT6[1] 單片機作為控制中心，通過(guò)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、光照強度、有毒氣體濃度等參數，并將取得的數據值傳遞給單片機進(jìn)行判斷，當超過(guò)閾值后，可通過(guò)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(hù)不在家也可迅速接收警告信息，實(shí)現了遠程監控的效果。其中NB-IoT 平臺與阿里云服務(wù)器通信過(guò)程為平臺向服務(wù)器發(fā)送數據請求，并將數據以JSON 形式封裝后通過(guò)HTTP 的GET/POST 請求與云服務(wù)器進(jìn)行數據交互，實(shí)現警告信息的傳送。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

STM32F103 系列單片機是目前市場(chǎng)上常用的32位嵌入式處理器， 內核采用ARM Cortex? RISC 內核， 工作頻率支持72 MHZ， 支持閃存和SRAM。STM32F103CBT6 單片機標稱(chēng)工作電壓為直流3.5 V，-40-+85 ℃的溫度范圍和-40-+105 ℃的擴展溫度范圍使得STM32F103 單片機廣泛應用于工控領(lǐng)域，豐富的USB、I2C、SPI、CAN 總線(xiàn)通信方式使得STM32103F系列單片機廣泛使用在醫療、工業(yè)應用、智能家電、智慧農業(yè)等領(lǐng)域。

2.2 NB-IoT聯(lián)網(wǎng)模塊

NB-IoT^[2]構建于窄帶（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(hù)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(lái)進(jìn)行數據傳輸。NB-INT 采用了覆蓋強化技術(shù)，在相同頻率下比現有網(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(lèi)的現有通信網(wǎng)絡(luò )中，以實(shí)現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，終端的待機時(shí)間更長(cháng)，模塊的成本低。本設計中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(wú)線(xiàn)通信模塊。BC26 模塊尺寸緊湊，外部接口和協(xié)議棧豐富，適用于高內聚的應用系統當中。同時(shí)可支持中國移動(dòng)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(hù)的應用提供極大的便利。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 ℃，擴展工作溫度：-40-+85 ℃，能夠滿(mǎn)足告警信息的遠程上傳工作，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

本設計中電源模塊采用的是明緯RD-50 A 型50 W雙組輸出開(kāi)關(guān)電源號的電源。RD-50 A 型開(kāi)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(wú)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)境下穩定輸出。同時(shí)本設計中采用可以向AM S1177-333 正向低壓下降穩壓器完成電壓的壓降，實(shí)現直流3.3 V 電壓的輸出，完成向STM 32F 103CBT6 宏處理器和NB 無(wú)線(xiàn)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

本設計中采用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，同時(shí)實(shí)現單個(gè)芯片具有數字I2C 接口、溫度控制的微熱板和兩個(gè)預處理的室內空氣質(zhì)量信號。SGP30 提供更詳細的空氣質(zhì)量信息，可以實(shí)現二氧化碳（CO₂）和易失性有機化合物（VOC）含量的檢測工作。

此外，本設計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(guò)程中，氣體傳感器采用的感應材料是導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(zhù)有害氣體濃度的增加，二氧化錫的導電率上升，從而可以將導電率的變化轉換成電信號并輸出。MQ135氣體傳感器標稱(chēng)工作電壓為+5 V，測試預熱時(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

本設計中采用的溫濕度傳感器^[3]為包含校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，該傳感器應用專(zhuān)用的數字模塊收集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，實(shí)現了環(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(mǎn)足家庭廚房環(huán)境溫度濕度的測定要求。

2.4.3 光照強度傳感器

我們采用BH1750FVI 型光照傳感器來(lái)實(shí)現廚房環(huán)境光照強度的采集。這個(gè)光照傳感器是I2C 總線(xiàn)接口用的數字環(huán)境光傳感器芯片。光譜響應接近人眼反應、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(lài)性小、光學(xué)窗影響的測量結果可調、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度，受到廣大用戶(hù)的青睞。本設計才用該傳感器可以實(shí)現整個(gè)廚房中光照強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)檢測裝系統置軟件設計

3.1 服務(wù)器搭建

本設計中單片機接收到各類(lèi)傳感器檢測的信息后經(jīng)處理后通過(guò)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)現方式如圖6 所示。

圖6 MQTT實(shí)現方式

3.2 主程序設計

Stm32 單片機初始化完成后對各類(lèi)傳感器采集回傳后的數據進(jìn)行加工處理，隨后與預先設置的閾值進(jìn)行比較，當超過(guò)閥值后，單片機通過(guò)NB 模塊將告警信息上傳到阿里云，用戶(hù)通過(guò)云服務(wù)接收到告警信息后，進(jìn)行后續的相關(guān)工作。具體程序設計流程如圖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模塊程序設計

NB-IoT 模塊運行的程序流程如下：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，完成數據的上傳工作。如果MQTT Al 云服務(wù)器連接成功，將開(kāi)始MQTT 主題和MQTT 主題的發(fā)送。

4   結語(yǔ)

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

參考文獻：

[1] STM32103F芯片手冊[s].

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

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）