[作品提交] 【分布式温湿度采集系统】作品提交

lansebuluo 2022-10-22 02:19 楼主

分布式温湿度采集系统

一、简介

在我的成长过程中，从没有网络到网络遍布各个角落，也就这二十几年时间，科技的快速发展，给我们的生活带来了极大的便利。在一个网络互联的时代，多少要感受、融入和利用网络带给我们的便利，这次就是为了更进距离的接触网络，才有了这个项目-分布式温湿度数据采集系统。作为一个集控系统通过WIFI网络和广域网，把散落在各个位置的温湿度数据信息采集到系统内，并保存；可通过集控系统设置每个点位的温湿度报警值，当采样数据超过设定限值时，在采样点进行灯光或声音报警。当需要查看数据时，可以通过网络，连接集控系统，调取当前数据，可回看历史数据。

集控系统采用了STM32H745I-DISCO开发板+HLK-W800-KIT的WIFI模块，不要小看这个WIFI模块，这也是一个开发板，不是作为数据透传功能使用的。

主要特点：

1、温湿度无线采集点(仅需5V供电)

2、MQTT传输，收集数据配置采样点

3、独立集控系统STM32H745I-DISCO

4、数据保存及历史数据查看

5、上位机软件连接集控系统

6、web配置WIFI网络

二、系统框图

硬件部分：

1、集控：STM32H745I-DISCO开发板

2、WIFI功能：海凌科HLK-W800-KIT开发板

3、温湿度传感器：SHT20

硬件功能分为两部分：

1、温湿度采样点，使用海凌科HLK-W800-KIT开发板扩展读取温湿度传感器SHT20，IO引脚控制蜂鸣器和LED。

2、集控点，使用STM32H745I-DISCO开发板与海凌科HLK-W800-KIT开发板组成

软件功能框图分为三部分：

1、上位机软件，用于网络连接集控点，读取集控点的数据和配置各个采样点信息。

2、集控点软件，通过MQTT协议，订阅采集点温湿度数据，保存数据。

3、采集点软件，WIFI连接路由器，读取温湿度数据，并发送数据到MQTT服务器。

三、功能说明

STM32H745I-DISCO开发板

STM32H745I-DISCO探索套件是用于STM32H745I MCU的全面演示和开发平台，MCU基于STMicroelectronics的Arm® Cortex®-M7和-M4双核微控制器。板载以太网RJ45接口，扩展4GB eMMC，引脚引出接口STMod+可灵活扩展。

软件设计图如下

在STM32H745I上移植了FreeRTOS实时操作系统作为软件整体运行的调度。FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。

使用LWIP网络协议栈完成与上位机软件的连接。LwIP是轻型IP协议，有无操作系统的支持都可以运行，尤其适合在低端的嵌入式系统中使用，支持ICMP协议、UDP(用户数据报协议)、TCP(传输控制协议)等。

使用FatFs文件系统，这样操作文件一样，操作扩展的eMMC存储器。FatFs 是一个通用的文件系统(FAT/exFAT)模块，适合在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统。

编写了UART驱动程序，用于连接无线网络扩展，接收MQTT服务器数据，并发送有效数据到MQTT服务器。

WIFI扩展模块(海凌科HLK-W800-KIT)

联盛德一款WIFI芯片W800开发板，内核为平头哥XT804，工作频率 240MHz，内置 DSP、浮点运算单元与安全引擎，内置 2MB Flash，288KB RAM，内置 UART、GPIO、SPI、SDIO、I2C、I2S、7816、ADC、TouchSensor 等数字接口，功能非常强大，而且价格很低，极具竞争力。

用于连接无线路由器或WIFI热点，实现与广域网的互通，发布和订阅指定MQTT服务端报文。接收MQTT服务端数据，并把数据转换到UART端口，发送给STM32H745I-DISCO开发板；接收UART端数据，并把数据通过广域网发送到MQTT服务端。发送的信息为采样点的温度、湿度限值和使能/禁止报警。

使用FreeRTOS开源实时操作系统作为系统调度，web配网方式连接WIFI无线热点，热点信息保存在内置的FLASH中。

采集点(海凌科HLK-W800-KIT)

用于连接无线路由器或WIFI热点，实现与广域网的互通，发布和订阅指定MQTT服务端报文。接收MQTT服务端数据，读取SHT20传感器温湿度数据，并把数据通过广域网发送到MQTT服务端。接收温度、湿度限值和使能/禁止报警配置信息并保存。

软件设计框图

WIFI连接无线热点，FLASH保存配网信息及温湿度报警信息，I/O控制蜂鸣器及LED，I2C接口读取SHT20温湿度传感器，web配网。

上位机软件

采用了VC++编写的MFC单文档程序，使用socket套接字连接TCP服务器，通过界面设置要连接TCP服务器的IP及端口号。配置采样点的温湿度报警值，读取采集点实时温湿度值，获取历史数据，并通过表格的方式浏览。

四、作品源码

download.eeworld.com.cn/detail/lansebuluo/625223

download.eeworld.com.cn/detail/lansebuluo/625224

download.eeworld.com.cn/detail/lansebuluo/625225

download.eeworld.com.cn/detail/lansebuluo/625226

五、作品功能演示视频

分布式温湿度采集系统-分布式温湿度采集系统-EEWORLD大学堂

六、项目总结

在做这个项目中，应用到的技术包括FreeRTOS实时操作系统、LWIP轻型IP协议栈、MQTT协议、FatFs文件系统、Socket、VC++MFC单文档程序等。尽管这个项目的功能基本完成，毕竟只是抽取业余时间，很多细节还不够完善，大体框架应该不存在问题，这只是一个实践项目，作为学习使用应该还不错。

在看到这个活动前，很多MCU芯片供应不稳定，国产替代之路正快速蔓延，正好看到W800芯片，自己也想往嵌入式系统靠拢，学习一下MQTT编程，因为最近这个比较火。本来自己习惯使用TI的C2000系列芯片，结果没货，只能找了STM32H745I作为代替，刚开始接触，还是花了一些时间，尤其是移植LWIP后，想利用有线网络实现与广域网的连接，LWIP开启DNS功能，不过尝试了很多配置，终究不能与广域网相连，为了项目能够实现功能，最终放弃，改用UART扩展WIFI模块连接广域网，降低一些难度。

刚开始规划这个项目的时候，毕竟不是很熟悉，完全没有考虑到工作量，做起来才知道，各个方面都要学习，包括VC++、LWIP、MQTT、FreeRTOS，经过这个项目后，技术方面应该有了很大提升，非常感谢得捷电子和EEWORLD提供的机会，让我成长很多，同样要感谢杜杜管理员热心督促和鼓励，让我能够更好的把握时间及时完成。

发帖汇总

【2022 得捷电子创新设计大赛】物料开箱 -STM32H745I-DISCO - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【2022 得捷电子创新设计大赛】分布式温湿度采集系统 -简要设计概要 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【2022 得捷电子创新设计大赛】分布式温湿度采集系统 -采集端原理图 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

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【分布式温湿度采集系统】+STM32H745I-LWIP 程序 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

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【分布式温湿度采集系统】+WIFI 模块扩展板 V2 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【分布式温湿度采集系统】+W800WIFI+温湿度传感器 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【分布式温湿度采集系统】+温湿度采集模块 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【分布式温湿度采集系统】+WIFI 数据接收模块 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

【分布式温湿度采集系统】+MQTT 调试 - 2022 得捷电子创新设计大赛 - 电子工程世界 -论坛 (eeworld.com.cn)

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七、其他

应用软件：

1、TCP调试及抓包：TCPUDPDbg和IPAnalyse

2、UART和WIFI调试：Upgrade_Tools_V1.4.8

3、STM32开发编译：IAR 9.10.2

4、W800开发编译：CDK 2.12.1

5、上位机软件C++编译：VS2015

附 TCP/IP 通信协议

客户端—向服务器主动发起建立TCP连接。

服务器---监听TCP端口，等待建立TCP连接。

服务器端口：6000

客户端：PC

服务器：开发板

客户端主动发送命令请求，服务器根据收到的内容返回数据。

特殊命令除外。

在TCP协议传输的一帧数据包括三部分内容，通过帧起始的帧长度判断帧数据的结束；这三部分内容分别是帧长度SIZE、命令COMMAND、数据内容DATA，格式定义如下：**********************************************************************

BYTE * 4 + BYTE * 2 + BYTE * 2 + BYTE * （SIZE –4）

帧长度SIZE 事务元标识符命令数据内容 DATA

**********************************************************************

COMMAND	名称	DATA	备注
1	询问设备信息	无
2	配置设备信息	***
3	读取历史数据	***
4	温湿度数据	***

客户端发送帧：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	4byte长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	递增
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0005
4	数据	0

例： 04 00 00 00 00 00 05 00

服务器返回数据：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	4byte长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	接收值
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0005
4	数据	4	32bit无符号整型	设备名称-4个字节
5	数据	4	32bit浮点	温度最大值
6	数据	4	32bit浮点	温度最小值
7	数据	4	32bit浮点	湿度最大值
8	数据	4	32bit浮点	湿度最小值
9	数据	1	8bit无符号整形	温度最大值使能
10	数据	1	8bit无符号整形	温度最小值使能
11	数据	1	8bit无符号整形	湿度最大值使能
12	数据	1	8bit无符号整形	湿度最小值使能
13	数据	4	32bit无符号整型	保存的数据长度
14	数据	-	----	根据数据长度判断设备个数

例：20 00 00 00 02 00 05 00 32 36 33 44 66 66 70 42 33 33 a3 c0 00 00 a1 42 33 33 23 41 01 00 01 00 00 01 00 00

客户端发送帧：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	不定长度，由组成内容决定长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	递增
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0007
4	数据	4	32bit无符号整型	设备名称-4个字节
5	数据	4	32bit浮点	温度最大值
6	数据	4	32bit浮点	温度最小值
7	数据	4	32bit浮点	湿度最大值
8	数据	4	32bit浮点	湿度最小值
9	数据	1	8bit无符号整形	温度最大值使能
10	数据	1	8bit无符号整形	温度最小值使能
11	数据	1	8bit无符号整形	湿度最大值使能
12	数据	1	8bit无符号整形	湿度最小值使能
13	数据	4	32bit无符号整型	保存的数据长度
14	数据	-	----	根据数据长度判断设备个数

例：20 00 00 00 00 00 07 00 32 36 33 44 66 66 70 42 33 33 a3 c0 00 00 a1 42 33 33 23 41 01 00 01 00 00 01 00 00

服务器返回:

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	4byte长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	接收值
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0007
4	数据	0

例：04 00 00 00 09 00 07

服务器发送帧：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	不定长度，由内容决定长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	0x0000
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0008
4	数据	4	32bit无符号整型	名称标号-4个字节
5		4	32bit无符号整型	数据更新序号
6		2	16bit有符号整型	温度
7		2	16bit无符号整型	湿度
8		2	---------	根据数据长度，判断数据个数

例：10 00 00 00 09 00 08 00 32 36 33 44 01 00 00 00 ff 00 30 00

客户端发送帧：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	不定长度，由内容决定长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	递增
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0009
4	数据	4	32bit无符号整型	设备名称-4个字节

例：08 00 00 00 05 00 09 00 32 36 33 44

服务器返回：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	4byte长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	接收值
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x0009
4	数据	4	32bit无符号整型	历史数据长度

例：08 00 00 00 03 00 09 00 00 01 00 00

服务器发送帧：

编号	名称	字节数	类型	描述
1	长度	4	32bit无符号整型	4byte长度
2	事务元标示	2	16bit无符号整型	递增
3	命令	2	16bit无符号整型	固定值为0x000A
4	数据	2	16bit无符号整型	保留1
5	数据	1	8bit无符号整型	保留2
6	数据	1	8bit无符号整型	保留3
7	数据	2	16bit有符号整型	温度
8	数据	2	16bit无符号整型	湿度
9	数据	-	---	根据长度判断数据个数