基于單片機物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度檢測系統(tǒng)設計目錄摘要 1關鍵詞 11.緒論 11.1選題背景 11.2論文排版內容 12.系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及結構 32.1系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能 32.2系統(tǒng)結構 33.系統(tǒng)硬件設計 43.1控制系統(tǒng)原理圖設計 43.2系統(tǒng)控制器 43.3ATK-ESP8266模塊 53.3.1ATK-ESP8266模塊的基本AT指令使用 63.4傳感器檢測單元 74.MQTT協(xié)議和阿里云平臺開發(fā) 94.1MQTT協(xié)議簡介 94.2MQTT協(xié)議特性 94.2.1二進制格式實現(xiàn) 94.2.2消息質量（QoS） 94.3MQTT協(xié)議信息格式 94.3.1MQTT協(xié)議信息格式 94.3.2固定報文頭 104.3.3可變報文頭 104.3.4有效負載 114.4阿里云平臺開發(fā)概述 114.5阿里云平臺的設備接入 114.5.1阿里云平臺與MQTT協(xié)議 114.5.2硬件設備的接入 115.系統(tǒng)軟件設計 125.1控制系統(tǒng)流程圖設計 125.2子函數(shù)程序設計 135.2.1DHT11采集溫濕度上傳數(shù)據(jù)子程序設計 135.2.2ESP8266網(wǎng)絡連接子程序設計 146.物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)實物調試 166.1系統(tǒng)實物結構 166.2系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調 167.總結 18參考文獻 20摘要：為了更好的新興科技的發(fā)展，我便利用單片機設計了一個物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的溫濕度檢測系統(tǒng)分為兩類：一是物理檢測，利用物理原理把溫度計和濕度計裝置放到環(huán)境中直接檢測溫度和濕度；二是通過檢測單元將檢測到的模擬信號轉換為溫度和濕度數(shù)字信號并且顯示在裝置上供人們查看。物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機、DHT-11溫度濕度數(shù)字傳感器、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺及云智能手機APP、ATK-ESP8266串口轉WIFI模塊、CH340G-USB轉TTL轉接模塊組成。本系統(tǒng)通過DHT-11采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，單片機將溫濕度的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議和ATK-ESP8266與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺交互。還可以在手機端，通過“云智能”APP綁定設備進行數(shù)據(jù)內容顯示。經(jīng)過反復選材和實驗發(fā)現(xiàn)后，這樣的硬件選擇和軟件邏輯設計為最好的選擇。關鍵詞：STM32F103C8T6ATK-ESP8266阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺MQTT協(xié)議1.緒論1.1選題背景在當今社會物質生活基本滿足的條件下，現(xiàn)在人們對于信息的獲取方式的追求遠遠大于信息內容本身，關于信息的獲取，人們從以前的設備前查看信息慢慢上升到在更遠的距離上或跳出空間的概念上來獲取信息，比如，智能灌溉不再是傳統(tǒng)的通過在顯示器查看植物環(huán)境的溫濕度變化，而是通過跳出空間概念隨時隨地的查看溫度和濕度環(huán)境的變化；而且家居中的電器顯示的信息也不僅僅是局限與獨立的信息傳達，而是可以作為智能家居的一部分，并通過信息進行系統(tǒng)的控制。因此我基于這樣的背景下設計了物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)。選用STM32單片機的阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測系統(tǒng)，各個硬件模塊價格相對經(jīng)濟，軟件工程開發(fā)相對簡單，硬件電路連接操作容易、實際溫濕度監(jiān)控效果良好，并且已經(jīng)在智能家居及各種其他生產領域得到了廣泛的應用。1.2論文排版內容此論文由三個主要部分組成。首先對物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)的使用價值進行分析。其次是對本次系統(tǒng)硬件的選材，輸入輸出單元性能的簡單介紹，ESP8266WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)使用的AT指令和MQTT協(xié)議的簡單介紹，以及硬件實物的連線搭建。最后是對主程序的設計邏輯的介紹及流程圖描述及部分單元子程序的使用邏輯的講解和流程圖的描述，系統(tǒng)實物的最終調試和檢測情況。第一章：緒論對STM32單片機物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)的當前需求及使用，解釋了為什么畢業(yè)設計要選擇這個課題。第二章：系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及結構介紹了STM32阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能，并介紹STM32阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測系統(tǒng)的功能結構流程。第三章：系統(tǒng)硬件設計對各個應用模塊的硬件功能和性能做出描述并且展示元器件的實物圖和原理圖，以及解釋了輸入輸出單元硬件選型原因。第四章：系統(tǒng)軟件設計對溫濕度檢測系統(tǒng)的主程序和部分子程序進行解釋說明，并以邏輯流程圖和文字的形式進行介紹。第五章：MQTT協(xié)議和阿里云平臺開發(fā)展示如何讓單片機與阿里云連接與相關MQTT協(xié)議的介紹第六章：物聯(lián)網(wǎng)溫濕度系統(tǒng)實物調試 對系統(tǒng)硬件實物連接結構的展示，以及云平臺和移動端接受數(shù)據(jù)的調試。第七章：總結總結畢業(yè)設計使用到的有關知識和遇到的難點及解決的方法，對系統(tǒng)最后測試階段問題的描述及解答。2.系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及結構2.1系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)有濕度監(jiān)測裝置檢測環(huán)境變化及上傳數(shù)據(jù)到阿里云服務器這兩個主要動作組成。通過溫濕度檢測裝置將檢測環(huán)境的數(shù)字數(shù)據(jù)發(fā)給處理器模塊，經(jīng)過串口轉WiFi模塊將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)射到服務器，人們通過移動端或電腦端進行查看實時數(shù)據(jù)，并且做出更進一步的處理。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能：可以實時檢測出環(huán)境溫濕度數(shù)值及變化。通過串口-WiFi將DHT-11模塊檢測出的數(shù)據(jù)上傳給服務器，進行信息的傳輸。2.2系統(tǒng)結構STM32阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測系統(tǒng)的輸入模塊為DHT-11溫濕度傳感器；輸出模塊為電腦端和ESP8266云端。如下圖所示：SSTM32單片機ESP8266WIFI模塊DHT11溫濕度模塊USB-TTL串口電腦端阿里云平臺圖2-1STM32物聯(lián)網(wǎng)溫濕度監(jiān)測電路結構框圖3.系統(tǒng)硬件設計3.1控制系統(tǒng)原理圖設計STM32阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度系統(tǒng)的硬件設計主要以STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板電路、ESP8266WiFi聯(lián)網(wǎng)模塊電路和DHT-11溫濕度數(shù)字模塊電路及CH340串口電路連接組成。STM32最小系統(tǒng)板電路主要由STM32F103C8T6單片機、RESET復位電路、BOOT啟動電路、板載LED燈、晶振電路、穩(wěn)壓電路等組成。3.2系統(tǒng)控制器本次畢業(yè)設計選擇的是STM32F103C8T6。圖3-1STM32F103C8T6實物圖STM32F103C8T6是基于高性能的ARMCortex?-M3的內核，其工作頻率達72MHz，固件配備的指令集可以給工作提供更快的效率，再根據(jù)各種各樣的的封裝，來使用不同的外設器件配置，并且強大的低功耗特性可以確保應用要求。對于傳統(tǒng)的單片機，這次采用的STM32F103C8T6的微處理器主要具有以下特性：該微處理器是高性能的增強型，不僅內置存放數(shù)據(jù)的裝置，還有大量的外接口以及可以連接到兩條總線的片外設備，32位內核確保以運行的高速性；在單片機內部含有即時功能的中斷器。具有48個引腳的控制器可以添加大量的模塊。有2個12位的ADC、多個定時器，還有多種多樣的接口以滿足實驗的使用。本次設計位溫濕度檢測系統(tǒng)，環(huán)境對器材硬件的物理要求較高，但是STM32F103C8T6可以在工業(yè)級的-40°C～85°C范圍下使用。此次阿里云物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)選擇STM32F103C8T6作為處理器，是看到其片內強勁的性能、豐富的外設形式及性價比高等優(yōu)點。圖3-2STM32F103C8T6原理圖3.3ATK-ESP8266模塊ATK-ESP8266是串口轉無線的模塊，ATK-ESP8266的內部芯片也是集成了32位的CPU，芯片也作為WiFi協(xié)議（TCP/IP）處理器。主頻為80MHz,使用串口（LVTTL）與單片機進行通信，從而使單片機完成串口與WIFI轉換。ATK-ESP8266模塊的功耗只有1.2mW,還配置有16Mbit的閃存，使得連接路由器非常迅速，并且兼容3.3V和5V的STM32單片機系統(tǒng)。ESP-8266模塊支持WIFI-STA、AP和WIFI-STA+WIFIAP三種模式，再在電腦上安裝模擬機便可以使用，從而實現(xiàn)單片機的串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸。圖3-3ATK-ESP8266實物圖表3-1ATK-ESP8266引腳功能表VCC電源（3.3V~5V）本次設計使用的是3.3VGND用于接地TXD模塊串口的發(fā)射腳，可以接單片機的RXDRXD模塊串口的接收腳，可以接單片機的TXDRST復位（低電平有效）IO-0進入固件燒寫模式，低電平是程序寫入方式，高電平是程序運行方式ATK-ESP8266WIFI網(wǎng)絡模塊實物連接,第六腳連電源正3.3V，第五腳連接電源地端GND，復位RESET為第二腳接最小系統(tǒng)板的PA4引腳，TXD串口發(fā)射腳接PA3引腳,RXD串口接收腳接PA2引腳。圖3-4ATK-ESP8266連接圖和原理圖3.3.1ATK-ESP8266模塊的基本AT指令使用通過虛擬器軟件XCOM(串口測試)對ESP-8266wifi模塊進行測試，固件為AT模式，需要設置傳輸波特率為115200，通過發(fā)送所需要的AT指令，對ATK-ESP8266不同功能的實現(xiàn)。AT+GMR為查看版本信息執(zhí)行命令響應AT+GMR<ATversion>AT版本<SDKversion>SDK版本<company>發(fā)布公司<data>發(fā)布時間設置為WIFI-STA模式設置指令響應AT+CWMADEOK說明參數(shù)說明1station模式2AP模式3AP+station模式連接路由器設置命令響應AT+CWJAP=<ssid>,<password>OKSTA:IP地址,"8"，MAC地址,"e8:68:e7:85:bd:6d"3.4傳感器檢測單元DHT-11溫度濕度模塊是智能數(shù)字化的傳感器。溫度濕度傳感器包括測濕元件、測溫元件、A/D數(shù)模轉化、信號放大器，可以對采集的數(shù)據(jù)直接進行A/D模數(shù)轉化處理和對處理后的數(shù)字信號校準，通過和STM32單片機相連接進行數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸。通過簡單的杜邦線連接就可以讓溫濕度系統(tǒng)進行即時采集檢測周圍濕度溫度數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)的傳輸。DHT-11溫濕度模塊與STM32之間是使用單總線進行信號傳輸，只使用一個DATA杜邦線。傳感器采集的濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)以40Bit格式串行通信數(shù)據(jù)到單片機，采集數(shù)據(jù)還要采用反向校驗來進行校驗，可以更好的保證采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的精確。DHT-11模塊低功耗因此還降低了系統(tǒng)的整體功耗。圖3-5DHT-11實物圖和原理圖

性能指標和特性如下：工作電壓范圍3.5V-5.5V工作電流平均0.5mA濕度測量范圍20－90％RH溫度測量范圍0－50℃濕度分辨率1％RH（8位）溫度分辨率1℃（8位）采樣周期1SDHT-11數(shù)字化濕溫度傳感器的連接,數(shù)據(jù)端為第三腳接單片機的PA11引腳。DHT-11數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線40bit數(shù)據(jù)結構（8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和），用一個DATA端口就可以完成數(shù)據(jù)檢驗輸入輸出的雙向傳輸。在本次設計中DHT-11溫度濕度數(shù)字傳感器具有較低功耗、硬件價格便宜、穩(wěn)定性強、傳感器與單片機線接線方便，溫度濕度范圍可以滿足測量使用特點。因此選用DHT-11傳感器。4.MQTT協(xié)議和阿里云平臺開發(fā)4.1MQTT協(xié)議簡介MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱的結構。這個是使用TCP/IP協(xié)議（也可以是其他可以提供有序、雙向通信的網(wǎng)絡連接）為底層構建的。MQTT與HTTP類似協(xié)議相比的優(yōu)點是可以用少量的代碼及帶寬，完成連接無線裝置提供即時和高穩(wěn)定性的傳輸服務。圖4-1MQTT協(xié)議結構框圖4.2MQTT協(xié)議特性4.2.1二進制格式實現(xiàn)MQTT傳輸是用二進制格式實現(xiàn)，而其他相關協(xié)議HTTP和XMPP都是使用字符串格式實現(xiàn)的。因為字符串格式的HTTP和XMPP使用的協(xié)議很復雜和消耗大量存儲，而二進制格式的MQTT固定報文僅需要兩字節(jié)空間，因此實現(xiàn)節(jié)省了存儲空間及流量。4.2.2消息質量（QoS）MQTT提供3個三個等級的消息質量：QoS0、QoS1、QoS2。4.3MQTT協(xié)議信息格式4.3.1MQTT協(xié)議信息格式MQTT協(xié)議通過交互已定義的MQTT控制報文來進行通信。表4-2MQTT控制報文結構Fixedheader固定報文頭，所有控制報文都包含Variableheader可變報文頭，部分控制報文包含Payload有效載荷，部分控制報文包含4.3.2固定報文頭圖4-2MQTT固定報文頭結構注：剩余長度包括有效載荷和可變報頭。Byte1,二進制位7-4。這四位二進制（8421碼）無符號值定義為控制報文的類型。圖4-3MQTT控制報文類型Byte1剩余的四位3-0位為標志位，在不需要使用標識位的消息類型時，標識位是被作為保留位。4.3.3可變報文頭MQTT數(shù)據(jù)內容機構中包含可變報文頭，每種固定報文頭類型不同導致所需要的可變報文頭頭需要寫入的內容也將不同，一般的應用是作為數(shù)據(jù)的識別認知：大多數(shù)類型的可變報文頭都基本包括兩字節(jié)的數(shù)據(jù)包標識符。圖4-4MQTT報文標識符類型4.3.4有效負載有效負載消息是MQTT數(shù)據(jù)包的最后的部分，這次實驗中CONNECT、SUBSCRIBE包含連接的ID、準入消息等內容，以滿足使用要求。4.4阿里云平臺開發(fā)概述阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺是硬件設備與云端服務器的紐帶，硬件模塊的采集模塊將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡模塊上傳到云平臺，然后云平臺將數(shù)據(jù)轉發(fā)到云端服務器。阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺的開發(fā)是在溫濕度檢測系統(tǒng)硬件開發(fā)和阿里云平臺的MQTT協(xié)議通信協(xié)議的基礎上構建的。STM32溫濕度檢測系統(tǒng)接入阿里云平臺需要準入信息，準入信息為ProductKey、DeviceName、Devicesecret三部分圖4-5阿里云平臺準入信息圖阿里云平臺使用的是一機一密的模式，認證接入是需要準入信息的一一對應，就像身份證一樣獨一無二的。平臺有多種接入形式，本次設計采用的是MQTT協(xié)議接入。4.5阿里云平臺的設備接入4.5.1阿里云平臺與MQTT協(xié)議阿里云平臺使用MQTT協(xié)議進行通信，上文介紹了MQTT協(xié)議的有關邏輯、結構、報文種類結構、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔①|量等級等。比如用于連接網(wǎng)絡的connect連接報文，固定報頭的兩位編輯為連接報文的類型，有效載荷要包括客戶端標識符、用戶名、password。這些內容需要根據(jù)具體格式的程序設計進行精準替換，寫完字符串再用網(wǎng)絡調試助手進行16進制轉換，使用16進制格式報文上傳云端服務器就可以進行連接。當網(wǎng)絡調試助手顯示2002時就表示已經(jīng)成功連接阿里云的服務器。4.5.2硬件設備的接入首先在阿里云平臺上進行注冊，點擊物聯(lián)網(wǎng)平臺的管理控制臺，在項目管理中創(chuàng)建進新的項目并起名選自由品牌項目。進一步配置創(chuàng)建新品牌起名，品類選溫濕度采集單元、節(jié)點類型選設備，不接入網(wǎng)關（下面還有設備），聯(lián)網(wǎng)方式選擇蜂窩2G\3G\4G。然后添加功能添加當前溫度，當前濕度。使用公版App,設置App界面。設備模組選擇合宙air202,選擇相應的模組就可以直接添加相應所需要的參數(shù)。最后新增設備，自定義填寫DeviceName,（添加后就出現(xiàn)準入信息三元件）點擊“確認”就能完成設備的創(chuàng)建。剛創(chuàng)建好的產品和設備的初始狀態(tài)是沒有激活的，需要進行一次硬件連接云平臺才能成功激活。當設備斷電或者未聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，平臺顯示設備狀態(tài)處于離線狀態(tài)。圖4-6阿里云平臺手機APP云智能流程圖5.系統(tǒng)軟件設計5.1控制系統(tǒng)流程圖設計開始系統(tǒng)初始判斷是否連接服務器開始系統(tǒng)初始判斷是否連接服務器連接服務服務器推送數(shù)據(jù)對服務器上報溫濕度數(shù)否圖5-1系統(tǒng)流程圖5.2子函數(shù)程序設計5.2.1DHT11采集溫濕度上傳數(shù)據(jù)子程序設計首先是系統(tǒng)初始化，接著DHT-11溫濕度傳感器送來的數(shù)據(jù)，通過PA11引腳將轉換好的數(shù)字值發(fā)送給單片機，單片機構建回復溫度濕度數(shù)據(jù)，添加數(shù)據(jù)給服務器。圖5-2DHT11采集傳輸數(shù)據(jù)及上傳服務器流程圖系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化傳感器傳輸數(shù)據(jù)單片機上傳數(shù)據(jù)到服務器圖5-3DHT11函數(shù)子程序圖系統(tǒng)初始化向ESP8266發(fā)送系統(tǒng)初始化向ESP8266發(fā)送AT指令硬件聯(lián)網(wǎng)結束圖5-4ESP8266WiFi連接流程圖首先將程序初始化，系統(tǒng)給ESP8266WiFi網(wǎng)絡模塊一個AT+CWMODE=1命令，此命令讓ESP8266進入模式1：STATION模式。然后向ESP8266發(fā)AT+CWJAP=<ssid>,<password>命令，這條命令是連接WiFi使硬件聯(lián)網(wǎng)。圖5-5ESP8266聯(lián)網(wǎng)子程序圖6.物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)實物調試6.1系統(tǒng)實物結構物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)最后連接好了的實物電路如下圖所示。圖6-1為物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測電路，圖中可以看到明顯的幾個模塊為STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板、DHT-11溫濕度數(shù)字傳感器模塊和ESP8266WiFi網(wǎng)絡模塊。圖6-1物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)實物圖6.2系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調1.通電之后，當把DHT11溫濕度傳感器放到正常環(huán)境中，通過阿里云平臺及軟件云智能顯示數(shù)據(jù)如圖6-2所示。圖6-2移動端及平臺顯示數(shù)據(jù)圖-12.當把DHT11溫濕度傳感器放到熱水杯上方，通過熱蒸汽、熱量的散發(fā)使傳感器檢驗到的數(shù)據(jù)產生波動，通過阿里云平臺及軟件云智能顯示數(shù)據(jù)如圖6-3。圖6-3移動端及平臺顯示數(shù)據(jù)圖-27.總結本次畢業(yè)設計是對于室內環(huán)境變化下制作的基于物聯(lián)網(wǎng)溫度濕度檢測系統(tǒng)。本次畢業(yè)設計的物聯(lián)網(wǎng)溫濕度檢測系統(tǒng)以STM32F103C8T6中心，作為其他模塊消息傳輸中樞。DHT-11溫濕度傳感器作為整個系統(tǒng)輸入單元，來即時檢測周圍的溫度和濕度及變化，在數(shù)據(jù)通過最小系統(tǒng)板之后，ESP8266WiFi模塊作為輸出單元（串口轉WiFi）向阿里云平臺發(fā)射數(shù)據(jù)。主要核心為兩大部分：DHT-11溫濕度數(shù)字傳感器、ESP8266WiFi網(wǎng)絡模塊。DHT-11溫濕度數(shù)字傳感器只需一條杜邦線接在單片機引腳上，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。傳感器里面的模塊將采集到的溫濕度的模擬信號進行一定的轉化變?yōu)閱纹瑱C能夠使用的數(shù)字信號。處理器將讀取到的溫度濕度數(shù)字數(shù)據(jù)處理好格式后上傳阿里云服務器。ESP8266WiFi模塊和MQTT協(xié)議的連接訂閱是本次試驗中最難的部分，僅有發(fā)射消息連接網(wǎng)絡、訂閱服務