基于STM32设计的森林火灾预警系统(联动控制+SIM800C+华为云IoT)
2024-05-27 来源：elecfans
1. 功能介绍
随着全球气候变化和人类活动的增加，森林火灾成为了一个严重的环境问题。及早发现和迅速响应火灾事件对于减少火灾的损失至关重要。为了实现对森林火灾的快速预警和联动控制，决定利用华为云IoT物联网平台来搭建一个高效的系统模型。
该系统模型的目标是在检测到森林火灾后，能够快速将火灾信息上报到云平台，并与指定的服务器进行数据报告的交互。同时，系统还能自动向抽水泵发送指令，打开开关以进行抽水灭火操作。通过这样的联动控制系统，可以实现快速响应和减少火灾对森林和生态环境的破坏。
该系统模型的核心是华为云IoT物联网平台，它提供了丰富的功能和服务，包括设备接入、数据采集、消息通信、云端数据存储和分析等。我们可以利用该平台的能力来接收来自火灾检测设备的数据，并通过云端的数据分析和处理来实现火灾预警和联动控制。
当火灾检测设备检测到火灾时，会通过无线通信将火灾信息发送到华为云IoT物联网平台。云平台接收到信息后，会立即进行处理并将火灾报告发送给指定的服务器。服务器可以根据报告中的信息采取相应的措施，如调度抽水泵进行灭火操作。
通过这个系统模型，可以实现对森林火灾的快速预警和联动控制，大大提高了火灾应对的效率和准确性。同时，利用华为云IoT物联网平台的强大功能，可以灵活地扩展和定制系统，以适应不同规模和需求的森林火灾防控工作。
硬件平台介绍:
MCU: STM32F103ZET6
物联网云平台: 华为IOT云平台
气体检测传感器: MQ2-烟雾传感器、MQ135-空气质量检测传感器
火焰检测: 采用火焰检测传感器
抽水机: 采用直流电机模拟水泵，打开开关抽水喷水灭火
上网网卡: 采用GSM模块SIM800C，使用的是物联网专用卡，包年只能上网这种。
与云端服务器的通信协议: 终端设备采用MQTT3.1.1协议与华为云服务器进行登录连接。
温湿度检测传感器: DHT11
供电方式: 电池+太阳能供电
为了演示联动控制，火警(烟雾)检测装置和灭火(直流电机)装置分为两个独立的设备，分别连接上云端。
火警检测装置连接上物联网服务器之后，可以在服务器上配置数据处理规则，如果烟雾浓度超标，可以自动向灭火装置发送指令，进行灭火操作。服务器收到火警检测装置上传的烟雾浓度、空气质量等数据后，可以向自己的私有服务器转发数据，方便自己服务器收到数据后做分析存储处理，比如: 向指定邮箱发送邮件、手机APP推送通知栏、向指定用户推送短消息提示等等。
2. 创建产品（火警预警装置）
打开官网链接: https://www.huaweicloud.com/s/JeeJqeiBlOe9kSU
（1）选择设备接入IotTDA选项。
（2）选择免费试用。
（3）在产品页面选择创建新的产品。
（4）填入产品信息，创建产品
（5）选择自己刚才创建的产品，创建数据模型，点击自定义模型
（6）选择添加属性
这个添加的属性就是设备端上报的数据类型。 比如： MQ2烟雾传感器检测的烟雾数据值类型。
在这个页面上还有一个添加命令的功能，这是用于云端下发指令给设备端使用的。当前这个设备是火警检测装置，只需要上报数据给服务器，不需要下发指令，这里就只需要添加属性就行了。
根据自己的设备的具体情况填写即可，如果上报的数据有多种类型就创建多个属性。
3. 创建产品（灭火装置）
创建的流程和上面一样，这是多增加了一个命令下发的功能，方便云端远程控制电机开启和关闭，实现灭火功能。
（1）创建产品
（2）产品创建完毕之后，添加服务器ID
（3）添加属性，电机属性是可以读可以写的，范围设置为0和1，只能开关
（4）添加命令，这个命令用于云端远程向设备下发指令，设备收到指令后可以做出相应的逻辑处理
接着选择新增输入参数：
最后点击确定即可。
现在产品已经创建完毕。
4. 创建设备（火警预警装置）
（1）在设备页面，选择注册设备，选择自己的对应的产品，设备标识码一般填自己设备的硬件标号。
（2）设备创建成功之后会弹出弹窗，点击保存并关闭，会自动弹出下载窗口，是个文本文件，存放了密匙信息
{ 'device_id': '61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497', 'secret': '1126626497'
}5. 创建设备（灭火装置）
流程与上面火警预警装置设备一样的。
{ 'device_id': '61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497', 'secret': '1126626497'
}6. 生成MQTT协议登录ID和密匙
设备创建完成接来下生成MQTT登录账号、密匙，方便设备登录云端平台。
官网工具地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
填入刚才创建设备时，保存下载文件里的信息，对着弹窗填入，最后生成了ID、用户名、密码参数，用于MQTT协议登录使用。
（1）火警预警装置生成登录参数
ClientId 61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497_0_0_2021121605 Username 61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497 Password 43ed43bcbddc48772694fc2b18ec1112170f4d6cc52fbf1e01401c2ea1748475
（2）灭火装置
ClientId 61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497_0_0_2021121605 Username 61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497 Password 43ed43bcbddc48772694fc2b18ec1112170f4d6cc52fbf1e01401c2ea1748475
7. 上报属性格式与主题订阅格式
产品设备、MQTT登录参数都到位了，接下来需要了解设备向服务器上报数据时，如何上报，格式是怎么样的。
（1）第一个问题是：华为云IoT物联网服务器的IP和端口号是多少？
在总览选项页面，点击多协议接入选项，就能看到了。
如果选择MQTT协议接入:
域名是: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com 如果你的设备不能解析域名，也可以直接填IP地址 121.36.42.100 端口号: 1883
（2）第二个问题是：发布数据的主题和订阅数据的主题怎么填？
在产品页面，选择自己的产品，进去之后就能看到主题的格式介绍页面了。
为了方便后续复制粘贴，这里总结下格式：
火警预警装置:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down //订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497/sys/messages/down
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report //设备上报数据
$oc/devices/61bacdc02b2aa20288c5a094_QQ1126626497/sys/properties/report灭火装置:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down //订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497/sys/messages/down
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report //设备上报数据
$oc/devices/61bad0564d9b020287193be2_QQ1126626497/sys/properties/report（3）第三个问题是：上报属性时，数据格式是什么？
官方文档介绍: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html
总结下格式: 上报的数据就是JSON格式，一次性可以上传多个属性数据，JSON数组里按照顺序增加即可。
重要的字段含义解释：这两个字段后面的数据需要自己根据自己的设备产品去填充的。
service_id 示设备服务的ID。 properties 是设备服务的属性列表，具体字段在设备关联的产品模型中定义。
火警预警装置上传的数据:
{'services': [{'service_id': 'MQ2','properties':{'MQ2':100}}]}
灭火装置上传的数据:
{'services': [{'service_id': 'motor','properties':{'motor':1}}]}
8. 使用MQTT客户端模拟设备测试
（1）登录火警预警装置
（2）灭火装置登录
可以看到，设备已经成功登录服务器，完成了数据上报。这也证明服务器端设备创建已经全部OK，正常。
9. 配置设备联动
（1）创建规则
（2）填写规则信息
（3）添加触发条件，选择需要处理数据的设备，设置条件：当烟雾浓度大于等于100就触发
（4）添加执行动作，当烟雾浓度超过100就下发指令给灭火装置
（3）最后点击创建规则，生效规则
（4）测试效果
使用两个MQTT客户端分别模拟火警预警装置和灭火装置，当烟雾浓度超过100时，查看灭火装置是否收到云端下发的指令。
10. 数据转发
如果数据需要转发到其他地方，可以自己创建规则配置。
11. 硬件设备测试
设备端采用GSM模块SIM800C完成上网功能，主控MCU采用STM32F103ZET6。
任意只要能上网的设备都可以使用当前代码连接服务器，因为当前模拟的是户外设备，只能采用GSM模块上网。
如果是智能家居，屋里小区的设备，有WIFI的可以采用ESP8266这些无线网卡。
项目工程源码： https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720
1. SIM800C.c
这是SIM800C的配置代码
#include 'sim800c.h'
/*
函数功能:向SIM800C模块发送指令
函数参数:
char *cmd 发送的命令
char *check_data 检测返回的数据
返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 SIM800C_SendCmd(char *cmd,char *check_data)
{
u16 i,j;
for(i=0;i< 5;i++) //测试的总次数
{
USART2_RX_FLAG=0;
USART2_RX_CNT=0;
memset(USART2_RX_BUFF,0,sizeof(USART2_RX_BUFF));
USART_X_SendString(USART2,cmd); //发送指令
for(j=0;j< 500;j++) //等待的时间(ms单位)
{
if(USART2_RX_FLAG)
{
USART2_RX_BUFF[USART2_RX_CNT]='\0';
if(strstr((char*)USART2_RX_BUFF,check_data))
{
return 0;
}
else break;
}
delay_ms(20); //一次的时间
}
}
return 1;
}
/*
函数 功能：GSM模块初始化检测
函数返回值：1表示模块检测失败，0表示成功
*/
u8 SIM800C_InitCheck(void)
{
if(SIM800C_SendCmd('AT\r\n','OK'))return 1;
else printf('SIM800模块正常!\r\n');
if(SIM800C_SendCmd('ATE0\r\n','OK'))return 2;
else printf('设置模块不回显成功!\r\n');
if(SIM800C_SendCmd('AT+CGMI\r\n','OK'))return 3;
else printf('查询制造商名称成功!%s\r\n',USART2_RX_BUFF);
if(SIM800C_SendCmd('AT+CGMM\r\n','OK'))return 4;
else printf('查询模块型号成功!%s\r\n',USART2_RX_BUFF);
DelayMs(1000);
DelayMs(1000);
if(SIM800C_SendCmd('AT+CNUM\r\n','+CNUM:'))return 5;
else printf('获取本机号码成功!%s\r\n',USART2_RX_BUFF);
/* 返回格式如下:
+CNUM: '','+8613086989413',145,7,4
OK
*/
return 0;
}
/*
函数 功能：GSM模块短信模式设置
函数返回值：0表示模块设置成功
*/
u8 SIM800C_SetNoteTextMode(void)
{
if(SIM800C_SendCmd('AT+CSCS='GSM'\r\n','OK'))return 1;// 'GSM'字符集
else printf('短信GSM字符集设置成功!\r\n');
if(SIM800C_SendCmd('AT+CMGF=1\r\n','OK'))return 2; //文本模式
else printf('短信文本模式设置成功!\r\n');
return 0;
}
/*
函数功能：发送短信
函数参数：
num:电话号码
text:短信内容
函数返回值：0表示发送成功
*/
u8 SIM800C_SendNote(u8 *num,u8 *text,u16 len)
{
char data[50];
char send_buf[2];
sprintf(data,'AT+CMGS='%s'\r\n',num);
if(SIM800C_SendCmd(data,' >'))return 1; //设置发送的手机号
USART_X_SendData(USART2,text,len); //发送短信内容
send_buf[0] = 0x1a;
send_buf[1] = '\0';
if(SIM800C_SendCmd(send_buf,'+CMGS'))return 2; //发送结束符号
return 0;
}
/*
函数功能：NTP网络同步时间
*/
void SIM800C_NtpUpdate(void)
{
SIM800C_SendCmd('AT+SAPBR=3,1,'Contype','GPRS'\r\n','OK');//配置承载场景1
SIM800C_SendCmd('AT+SAPBR=3,1,'APN','CMNET'\r\n','OK');
SIM800C_SendCmd('AT+SAPBR=1,1\r\n','OK'); //激活一个GPRS上下文
DelayMs(5);
SIM800C_SendCmd('AT+CNTPCID=1\r\n','OK'); //设置CNTP使用的CID
SIM800C_SendCmd('AT+CNTP='202.120.2.101',32\r\n','OK'); //设置NTP服务器和本地时区(32时区 时间最准确)
SIM800C_SendCmd('AT+CNTP\r\n','+CNTP: 1'); //同步网络时间
printf('同步网络时间:%s\r\n',USART2_RX_BUFF);
}
/*
函数功能：GPRS数据通信初始化
返 回 值： 0表示成功
*/
u8 SIM800C_GPRS_Init(void)
{
SIM800C_SendCmd('AT+CIPCLOSE=1\r\n','CLOSE OK'); //关闭连接
SIM800C_SendCmd('AT+CIPSHUT\r\n','SHUT OK'); //关闭移动场景
if(SIM800C_SendCmd('AT+CGCLASS='B'\r\n','OK'))return 1; //设置GPRS移动台类别为B,支持包交换和数据交换
if(SIM800C_SendCmd('AT+CGDCONT=1,'IP','CMNET'\r\n','OK'))return 2;//设置PDP上下文,互联网接协议,接入点等信息
if(SIM800C_SendCmd('AT+CGATT=1\r\n','OK'))return 3; //附着GPRS业务
if(SIM800C_SendCmd('AT+CIPCSGP=1,'CMNET'\r\n','OK'))return 4; //设置为GPRS连接模式
if(SIM800C_SendCmd('AT+CIPHEAD=1\r\n','OK'))return 5; //设置接收数据显示IP头(方便判断数据来源)
return 0;
}
/*
函数功能: 连接TCP服务器
函数参数:
ipaddr:ip地址
port:端口
返 回 值: 0表示成功,其他值表示失败
*/
u8 SIM800C_Connect_TCP_Server(char *ipaddr,char *port)
{
char cmd_buff[100];
SIM800C_SendCmd('AT+CIPCLOSE=1\r\n','CLOSE OK'); //关闭连接
SIM800C_SendCmd('AT+CIPSHUT\r\n','SHUT OK'); //关闭移动场景
sprintf(cmd_buff,'AT+CIPSTART='TCP','%s','%s'\r\n',ipaddr,port);
if(SIM800C_SendCmd(cmd_buff,'OK'))return 1; //发起连接
return 0;
}
/*
函数功能: TCP客户端模式下发送数据
返 回 值： 0表示成功,其他值表示失败
*/
u8 SIIM800C_TCP_SendData(u8 *data,u32 len)
{
char send_buf[2];
//准备发送数据
if(SIM800C_SendCmd('AT+CIPSEND\r\n',' >')==0)
{
//发送数据
USART_X_SendData(USART2,data,len);
//发送结束符号
DelayMs(50);
send_buf[0] = 0x1a;
send_buf[1] = '\0';
if(SIM800C_SendCmd(send_buf,'SEND OK'))return 2;
else return 0;
}
return 1;
}
2. adc.c
这是烟雾传感器的ADC通道配置代码。
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// 功能描述 : 智能环境检测系统
// 时间 : 20190605
// 版本 : v3.3
// 版权所有，盗版必究。
//Copyright(C) DS小龙哥 2016 - 2020
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include 'adc.h'
/*
函数功能: ADC1的初始化
规则通道方式
*/
void ADC1_Init(void)
{
/*1. 配置ADC采集输入的IO口*/
RCC- >APB2ENR |= 1 < < 3;//PB
GPIOB- >CRL &= 0xFFFFFFF0;
GPIOB- >CRL |= 0x00000000;//配置PB0为模拟输入模式
/*2.配置ADC1时钟*/
RCC- >APB2ENR|=1< < 9; //开启ADC1时钟
RCC- >APB2RSTR|=1< < 9; //开启复位时钟
RCC- >APB2RSTR&=~(1< < 9); //关闭复位时钟
/*3. 配置ADC的预分频器*/
RCC- >CFGR&=~(0x3< < 14); //清空预分频
RCC- >CFGR|=0x2< < 14; //12MHZ
/*4. 配置ADC CR1基本寄存器*/
ADC1- >CR1&=~(0xF< < 16); //0000：独立模式
ADC1- >CR2|=1< < 23; //1：启用温度传感器和VREFINT。
//ADC1- >CR2|=1< < 22; //1：开始转换规则通道。
ADC1- >CR2|=1< < 20; //1：使用外部事件启动转换
ADC1- >CR2|=0x7< < 17; //111： SWSTART
ADC1- >CR2&=~(1< < 11); //0：右对齐；
ADC1- >CR2&=~(1< < 1); //0：单次转换模式；
/*5. 配置ADC规则序列寄存器*/
ADC1- >SQR1&=~(0xF< < 20); //0000： 1个转换
ADC1- >SMPR2|=0x7< < 3; //配置通道1 111： 239.5周期
ADC1- >SMPR1|=0x7< < 18; //配置通道16 111： 239.5周期
ADC1- >CR2|=1< < 0; //1：开启ADC并启动转换。
ADC1- >CR2|=1< < 3; //1：初始化校准寄存器。
ADC1- >CR2|=1< < 2; //1：开始校准
while(ADC1- >CR2&1< < 2){} //等待校准结束
}
/*
函数功能: 获取指定通道的ADC值
函数参数: u8 ch 通道号
*/
u16 ADC1_GetCHx(u8 ch)
{
ADC1- >SQR3&=0xFFFFFFE0; //00000
ADC1- >SQR3|=ch< < 0; //规则序列中的第1个转换
ADC1- >CR2|=1< < 22; //1：开始转换规则通道。
while(!(ADC1- >SR&1< < 1)){} //等待转换完成
return ADC1- >DR; //返回接收到的数据值
}
3. DHT11.c
这是温湿度检测代码。
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// 功能描述 : 智能环境检测系统
// 时间 : 20190605
// 版本 : v3.3
// 版权所有，盗版必究。
//Copyright(C) DS小龙哥 2016 - 2020
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#include 'dht11.h'
#include 'delay.h'
/*
复位DHT1
*/
void DHT11_Rst(void)
{
DHT11_IO_OUT(); //SET OUTPUT
DHT11_DQ_OUT=0; //拉低DQ
delay_ms(20); //拉低至少18ms
DHT11_DQ_OUT=1; //DQ=1
delay_us(30); //主机拉高20~40us
}
/*
等待DHT11的回应
返回1:未检测到DHT11的存在
返回0:存在
*/
u8 DHT11_Check(void)
{
u8 retry=0;
DHT11_IO_IN();//SET INPUT
while (DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//DHT11会拉低40~80us
{
retry++;
delay_us(1);
};
if(retry >=100)return 1;
else retry=0;
while (!DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//DHT11拉低后会再次拉高40~80us
{
retry++;
delay_us(1);
};
if(retry >=100)return 1;
return 0;
}
/*
从DHT11读取一个位
返回值：1/0
*/
u8 DHT11_Read_Bit(void)
{
u8 retry=0;
while(DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//等待变为低电平
{
retry++;
delay_us(1);
}
retry=0;
while(!DHT11_DQ_IN&&retry< 100)//等待变高电平
{
retry++;
delay_us(1);
}
delay_us(40);//等待40us
if(DHT11_DQ_IN)return 1;
else return 0;
}
/*
从DHT11读取一个字节
返回值：读到的数据
*/
u8 DHT11_Read_Byte(void)
{
u8 i,dat;
dat=0;
for(i=0;i< 8;i++)
{
dat< <=1;
dat|=DHT11_Read_Bit();
}
return dat;
}
/*
从DHT11读取一次数据
temp:温度值(范围:0~50°)
humi:湿度值(范围:20%~90%)
返回值：0,正常;1,读取失败
*/
u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp,u8 *humi)
{
u8 buf[5];
u8 i;
DHT11_Rst();
if(DHT11_Check()==0)
{
for(i=0;i< 5;i++)//读取40位数据
{
buf[i]=DHT11_Read_Byte();
}
if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
{
*humi=buf[0];
*temp=buf[2];
}
}else return 1;
return 0;
}
/*
初始化DHT11的IO口 DQ 同时检测DHT11的存在
返回1:不存在
返回0:存在
*/
u8 DHT11_Init(void)
{
RCC- >APB2ENR|=1< < 2; //使能PORTG口时钟
GPIOA- >CRL&=0XFF0FFFFF;//PORTG.11 推挽输出
GPIOA- >CRL|=0X00300000;
GPIOA- >ODR|=1< < 5; //输出1
DHT11_Rst();
return DHT11_Check();
}
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