论文部分内容阅读
摘要：该系统采用LUA开发ESP8266，实现两种功能：联网与数据转发功能;数据采集、控制功能，和传统物联网有很大区别。在实现远程监管功能上，该系统采用了阿里云平台作为数据的收发。ESP8266 将收集到的数据通过 MQTT协议发送至云端，然后通过阿里云转发到手机App即可监测终端数据。为了实现远程移动端的监控，还用Android开发了手机App客户端，一旦网络连接成功，即可随时随地实现远程监管。
关键词：ESP8266;数据采集;远程监管;云平台;App客户端
中图分类号：TN948.6 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0101-02
物联网（Internet of Thing）[1-2]技术是互联网的重要部分，现代生活很多场景都运用物联网技术。其应用已经延伸到生活的各个方面，在现代的物联网控制应用当中，主要强调的是智能监管。本文采用全新MQTT通信物联网技术实现智能控制和数据接收。
现如今远程智能监管系统的实现方式通常较为复杂，其中，大部分的方案都是基于Zigbee自组网加处理器ARM [3]，这种方案实现成本高。针对这一问题，本系统采用了ESP8266模块[4]和阿里云。该系统布局简单，终端模块和无线通信模块被巧妙的融合，相对传统的物联网解决方案而言，省去了主控芯片，在阿里云平台的MQTT服务器不需要专门的开发，只需要在云平台上配置MQTT服务器，我们的WIFI模块和手机与云端的MQTT通信，便可实现移动端监测管理[5]，节省了开发周期和成本。
1监管系统的总体方案设计
本研究设计的远程智能监管系统包括电源模块、数据采集端（火焰探测，温湿度检测和燃气检测），8266控制端、阿里云平台和远程控制端。
终端数据经由ESP8266WIFI模块接收，然后将接收到的数据发送到MQTT中转服务器，从而实现智能采集控制终端与云平台建立稳定的TCP网络连接[6]，将数据经过MQTT协议发送给云端的MQTT服务器，中转服务器将对这些数据做相应的存储或转发。当收到远程的控制信号时，将数据一样经过MQTT协议传输给ESP8266模块做出相应操作。
手机App同样是以MQTT协议与云平台进行数据交流，实现客户端到服务端的通讯，两者之间是双工通讯，即手机App可以发控制信号给云平台，物联网云平台将此数据转发给终端，从而实现远距离操控[7]。
因为ESP8266资源有限，本设计用两块ESP8266实现，ESP8266用于数据收集環境温湿度、检测燃气浓度是不是超标、探测火焰环境、监控人体进入、远程操作继电器开关，此空气湿度可监测的范围在10%-95%，温度范围在5-45摄氏度。控制系统用手机实现实时在线。本研究的设计框架如图1所示。
2系统硬件电路设计
本系统着眼于物联网现代化，重点打造简洁的智慧工厂监管系统，与物联网技术建立紧密联系，进而使物联网远程技术成为智慧工厂监管系统的最终形态。
针对基于云智慧监管系统的现实需求，本系统选用了一系列软硬件无线产物，其中硬件物联网设备主要分为三大类：一、可以使用无线传输协议的智能终端。二、传感器种类多。三、采用继电器控制的智能化控制设备。
2.1 ESP8266外围电路设计
本设计的核心电路包括ESP8266最小系统电路、电源电路、继电器控制电路，在这些基本电路的基础上外加各种传感器，实现对智慧工厂的各项数据的检测和远程控制功能[8]。
ESP8266最大的好处是既可以WIFI通信，又可以作主控MCU，在实际开发里的互联网或者局域网部分中，均可作为通讯终端，已达到联网特点。通过使用5V电压对模块供电，可以检验ESP8266芯片是否正常工作，检查晶振是否起振，通过ESP8266模块[9]与传感器进行数据交流，然后将采集的数据发往云平台。
2.2 继电器控制电路
在万物互联时代智慧工厂系统中，设备实现自动化、智能化是至关重要的问题。本系统采用App下发的命令控制继电器，由于继电器采用电平原理设计，因此本系统可在+5V供电的情况下，完成对系统各类模块的控制，此继电器可以控制4种不同的负载装备。
3软件程序的设计
3.1无线通信软件程序的设计
在智能监管中，数据采集和移动端远程控制通信功能是必须实现的。此外在主程序设计时实现了重连机制，保证二者持续连接。本设计采用轻量级LUA开发，使用它的通信功能的同时，也使用内部剩余的MCU资源，利用率极高。本设计采用LUA编程，因此，需要刷入LUA固件，在其基础上实现WIFI连接和控制功能[10]。
ESP8266主程序实现了物联网智能监管的各项功能，具有简单的程序结构。当给系统上电时，首先初始化输入输出端口、内外部时钟等内部模块。
当系统中一些必要的模块完成初始化以后，ESP8266模块需要与外网进行连接，在这之后需要连接云端服务器的IP地址和端口号。ESP8266无线WIFI终端模块与物联网设备云平台进行双向数据传输。本设计与云端的数据传输协议使用的是MQTT网络通信协议，使用订阅主题的方式采集数据，使用发布主题的方式云端发出控制命令。
3.2 Android应用程序开发
本设计的智慧工厂远程监管系统是以Android为控制终端，用户可以在Android设备上远程无线监测和管理工厂流水线，并且Android App客户端需要作为智慧工厂网关的控制器，共同组建物联网网关[11-12]。当用户有网时，能接收数据并且发送控制指令，用户可以选择智慧工厂的4个模块，检测和控制不同的场景。
根据系统设计的功能需求，验证智慧工厂阿里云监管系统的具体功能的App实现过程[3]，由于四个控制子模块实现的功能基本上相同，所以只针对一个控制子模块的代码实现做一定的阐述。 4测试与结果分析
功能测试是将系统预期功能和完成功能作对比。首要侧重于体系设计的功能是不是均能实现，有没有呈现过失，每个功能模块之间可否流利的切换等。本次实验只对某些关键的性能进行测试并给出结论，类似的功能不再反复测试。
在测试过程当中，在Android监控平台上，做相应的操作，便可实现对电灯（LED灯）、生产线（用继电器模拟开关的状态）、风扇（用继电器模拟风扇开关）、插座等工厂装备的控制，每种电器各开关50次。测试结果如表1所示。
温度模块的测试首要是对Android监控平台的环境温湿度的显示值与温度计、湿度计的显示值进行对比，得出偏差。经过反复测试，结果如表2所示。
由测试结果可以看出，系统的温度数值达到预期效果，误差较小;终端测量的湿度与常用湿度计的测量结果偏差也在0.1%至0.3%之间，可忽略不计，温湿度的测量结果具有真实性。
5结语
通过功能分析，体系的控制功能全部实现且无误，性能测试中，体系进行了掉电恢复测试和稳定性测试。系统掉电后自动恢复，功能稳定。该系统适用于大多数的物联网监管中，市场和应用前景一片大好。
参考文献：
[1] 侯陈达，李栋，邱杰凡，等.EasiDEF：一种水平化轻量级物联网数据交换协议[J].计算机学报，2015，38（3）：602-613.
[2] 孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.
[3] 李穩国，崔宪普.基于物联网技术的智能家居防盗监控系统[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2012，21（4）：74-76.
[4] 孙忠祥.基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.
[5] 颜珂斐，杜娥.物联网智能家居的远程视频监控系统设计[J].实验技术与管理，2018，35（3）：151-153.
[6] 王武礼，杨华.基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010（9）：50-51，59.
[7] 李海，王怡，邓智友.基于CPLD的数字光端机的设计[J].电子设计工程，2015，23（20）：53-55，59.
[8] 贾军营，王月鹏，王少华.基于MQTT协议IM的研究和实现[J].计算机系统应用，2015，24（7）：9-14.
[9] Thaker T.ESP8266 based implementation of wireless sensor network with Linux based web-server[C]//2016 Symposium on Colossal Data Analysis and Networking （CDAN）.March18-19，2016，Indore，India.IEEE，2016：1-5.
[10] 向少华.基于WiFi及Web控制的智能家居控制系统设计[D].西安：西安科技大学，2015.
[11] 彭雪芹，彭刚，邹圣斌.基于Android客户端的智能家居系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2012（11）：78-83.
[12] 钱红梅，仲伟波，范高玮.一种智能云物流系统设计[J].电子设计工程，2017，25（18）：23-26.
【通联编辑：代影】
关键词：ESP8266;数据采集;远程监管;云平台;App客户端
中图分类号：TN948.6 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0101-02
物联网（Internet of Thing）[1-2]技术是互联网的重要部分，现代生活很多场景都运用物联网技术。其应用已经延伸到生活的各个方面，在现代的物联网控制应用当中，主要强调的是智能监管。本文采用全新MQTT通信物联网技术实现智能控制和数据接收。
现如今远程智能监管系统的实现方式通常较为复杂，其中，大部分的方案都是基于Zigbee自组网加处理器ARM [3]，这种方案实现成本高。针对这一问题，本系统采用了ESP8266模块[4]和阿里云。该系统布局简单，终端模块和无线通信模块被巧妙的融合，相对传统的物联网解决方案而言，省去了主控芯片，在阿里云平台的MQTT服务器不需要专门的开发，只需要在云平台上配置MQTT服务器，我们的WIFI模块和手机与云端的MQTT通信，便可实现移动端监测管理[5]，节省了开发周期和成本。
1监管系统的总体方案设计
本研究设计的远程智能监管系统包括电源模块、数据采集端（火焰探测，温湿度检测和燃气检测），8266控制端、阿里云平台和远程控制端。
终端数据经由ESP8266WIFI模块接收，然后将接收到的数据发送到MQTT中转服务器，从而实现智能采集控制终端与云平台建立稳定的TCP网络连接[6]，将数据经过MQTT协议发送给云端的MQTT服务器，中转服务器将对这些数据做相应的存储或转发。当收到远程的控制信号时，将数据一样经过MQTT协议传输给ESP8266模块做出相应操作。
手机App同样是以MQTT协议与云平台进行数据交流，实现客户端到服务端的通讯，两者之间是双工通讯，即手机App可以发控制信号给云平台，物联网云平台将此数据转发给终端，从而实现远距离操控[7]。
因为ESP8266资源有限，本设计用两块ESP8266实现，ESP8266用于数据收集環境温湿度、检测燃气浓度是不是超标、探测火焰环境、监控人体进入、远程操作继电器开关，此空气湿度可监测的范围在10%-95%，温度范围在5-45摄氏度。控制系统用手机实现实时在线。本研究的设计框架如图1所示。
2系统硬件电路设计
本系统着眼于物联网现代化，重点打造简洁的智慧工厂监管系统，与物联网技术建立紧密联系，进而使物联网远程技术成为智慧工厂监管系统的最终形态。
针对基于云智慧监管系统的现实需求，本系统选用了一系列软硬件无线产物，其中硬件物联网设备主要分为三大类：一、可以使用无线传输协议的智能终端。二、传感器种类多。三、采用继电器控制的智能化控制设备。
2.1 ESP8266外围电路设计
本设计的核心电路包括ESP8266最小系统电路、电源电路、继电器控制电路，在这些基本电路的基础上外加各种传感器，实现对智慧工厂的各项数据的检测和远程控制功能[8]。
ESP8266最大的好处是既可以WIFI通信，又可以作主控MCU，在实际开发里的互联网或者局域网部分中，均可作为通讯终端，已达到联网特点。通过使用5V电压对模块供电，可以检验ESP8266芯片是否正常工作，检查晶振是否起振，通过ESP8266模块[9]与传感器进行数据交流，然后将采集的数据发往云平台。
2.2 继电器控制电路
在万物互联时代智慧工厂系统中，设备实现自动化、智能化是至关重要的问题。本系统采用App下发的命令控制继电器，由于继电器采用电平原理设计，因此本系统可在+5V供电的情况下，完成对系统各类模块的控制，此继电器可以控制4种不同的负载装备。
3软件程序的设计
3.1无线通信软件程序的设计
在智能监管中，数据采集和移动端远程控制通信功能是必须实现的。此外在主程序设计时实现了重连机制，保证二者持续连接。本设计采用轻量级LUA开发，使用它的通信功能的同时，也使用内部剩余的MCU资源，利用率极高。本设计采用LUA编程，因此，需要刷入LUA固件，在其基础上实现WIFI连接和控制功能[10]。
ESP8266主程序实现了物联网智能监管的各项功能，具有简单的程序结构。当给系统上电时，首先初始化输入输出端口、内外部时钟等内部模块。
当系统中一些必要的模块完成初始化以后，ESP8266模块需要与外网进行连接，在这之后需要连接云端服务器的IP地址和端口号。ESP8266无线WIFI终端模块与物联网设备云平台进行双向数据传输。本设计与云端的数据传输协议使用的是MQTT网络通信协议，使用订阅主题的方式采集数据，使用发布主题的方式云端发出控制命令。
3.2 Android应用程序开发
本设计的智慧工厂远程监管系统是以Android为控制终端，用户可以在Android设备上远程无线监测和管理工厂流水线，并且Android App客户端需要作为智慧工厂网关的控制器，共同组建物联网网关[11-12]。当用户有网时，能接收数据并且发送控制指令，用户可以选择智慧工厂的4个模块，检测和控制不同的场景。
根据系统设计的功能需求，验证智慧工厂阿里云监管系统的具体功能的App实现过程[3]，由于四个控制子模块实现的功能基本上相同，所以只针对一个控制子模块的代码实现做一定的阐述。 4测试与结果分析
功能测试是将系统预期功能和完成功能作对比。首要侧重于体系设计的功能是不是均能实现，有没有呈现过失，每个功能模块之间可否流利的切换等。本次实验只对某些关键的性能进行测试并给出结论，类似的功能不再反复测试。
在测试过程当中，在Android监控平台上，做相应的操作，便可实现对电灯（LED灯）、生产线（用继电器模拟开关的状态）、风扇（用继电器模拟风扇开关）、插座等工厂装备的控制，每种电器各开关50次。测试结果如表1所示。
温度模块的测试首要是对Android监控平台的环境温湿度的显示值与温度计、湿度计的显示值进行对比，得出偏差。经过反复测试，结果如表2所示。
由测试结果可以看出，系统的温度数值达到预期效果，误差较小;终端测量的湿度与常用湿度计的测量结果偏差也在0.1%至0.3%之间，可忽略不计，温湿度的测量结果具有真实性。
5结语
通过功能分析，体系的控制功能全部实现且无误，性能测试中，体系进行了掉电恢复测试和稳定性测试。系统掉电后自动恢复，功能稳定。该系统适用于大多数的物联网监管中，市场和应用前景一片大好。
参考文献：
[1] 侯陈达，李栋，邱杰凡，等.EasiDEF：一种水平化轻量级物联网数据交换协议[J].计算机学报，2015，38（3）：602-613.
[2] 孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.
[3] 李穩国，崔宪普.基于物联网技术的智能家居防盗监控系统[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2012，21（4）：74-76.
[4] 孙忠祥.基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.
[5] 颜珂斐，杜娥.物联网智能家居的远程视频监控系统设计[J].实验技术与管理，2018，35（3）：151-153.
[6] 王武礼，杨华.基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010（9）：50-51，59.
[7] 李海，王怡，邓智友.基于CPLD的数字光端机的设计[J].电子设计工程，2015，23（20）：53-55，59.
[8] 贾军营，王月鹏，王少华.基于MQTT协议IM的研究和实现[J].计算机系统应用，2015，24（7）：9-14.
[9] Thaker T.ESP8266 based implementation of wireless sensor network with Linux based web-server[C]//2016 Symposium on Colossal Data Analysis and Networking （CDAN）.March18-19，2016，Indore，India.IEEE，2016：1-5.
[10] 向少华.基于WiFi及Web控制的智能家居控制系统设计[D].西安：西安科技大学，2015.
[11] 彭雪芹，彭刚，邹圣斌.基于Android客户端的智能家居系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化，2012（11）：78-83.
[12] 钱红梅，仲伟波，范高玮.一种智能云物流系统设计[J].电子设计工程，2017，25（18）：23-26.
【通联编辑：代影】