基于STM32的4G温湿度远程监测系统设计

罗洋坤

摘要：针对手机终端对温湿度进行远程监测成为一种趋势，本研究通过4G网络设计低成本和容易推广使用的监测系统，并实现选择性实时监测并降低监测系统流量消耗。方案采用以采集子网为核心，内部通过nRF24L01无线模块通信，采集子网与手机终端通过4G路由器与OneNET服务器组网实现远程通信。方案中使用了主动询问和选择传输的方法，经过测试，设定汇总节点每30秒主动获取手机终端控制命令并进行选择性传输，在采集子网数据全部传输的情况下，4G路由器24小时消耗流量在30-80 M之间，在手机端关闭监测功能情况下，4G路由器24小时消耗的流量在3-10 M之间。实验结果证明用户通过该系统可以进行有选择性的实时监测，并有效降低了流量消耗。

关键词：温湿度；4G路由器；OneNET服务器；远程监测；选择传输；流量消耗

0引言

实时温湿度控制的应用比较广泛，比如大棚、室内等。温湿是影响作物生长的关键因素，单一大棚内温度差异较小，而湿度在局部呈现较大差异。采用单一传感器采集湿度数据难以准确反映实际情况，通过多节点采集可有效提高准确性，反映室内整体和局部的湿度情况。温湿度远程监测系统设计在为了降低监测系统中传感节点的能耗，提出了节点动态组包主动传输和多种环境变量加权控制传输机制，减少了大量重复冗余数据的传输。系统利用3G/4G网络具有无须布线、传输速度高、实时性好的优点，采用4个子节点和1个汇总节点构建大棚温湿度采集子网，采集子网内部通过nRF24L01无线模块实现短距离通信，汇总节点通过4G路由器与OneNET服务器实现远程通信。在此基础上进一步研究选择性实时监测并降低流量消耗的问题。

1网络方案

控制网络由采集子网、4G无线路由器、OneNET服务器组成。采集子网使用网线连接4G无线路由器，采集子网的汇总节点以客户端模式通过TCP/IP方式主动连接OneNET服务器，用户基于OneNET平台设计手机APP应用软件，登录控制界面实现远程监测。为降低通信流量，在采集子网内部对数据处理分析，传输处理后的数据。

1.1采集子网

汇总节点与子节点之间为星型结构，单个子节点与汇总节点建立短距离的无线连接。汇总节点负责接收4个子节点传输的温湿度数据，并进行存储、处理和传输，子节点负责定时采集温湿度数据，对数据进行处理后传输到汇总节点。采集子网控制电路板基于STM32F407VET6控制芯片进行设计。此外，汇总节点控制电路板集成了AT24C02存储模块，用于保存温湿度数据，防止汇总节点重启后温湿度数据丢失。温湿度传感器选择DHT11型，具有能耗低、性能稳定、数字输出全部校准的优点。短距离无线收发模块采用nRF24L01型，具有功耗低的优点，有效通信距离可达100米，满足单个大棚之内的通信。嵌入式系统的网络化需要实现TCP/IP协议栈。汇总节点通过W5200网络模块与4G无线路由器连接实现网络功能。

W5200芯片采用全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，STM32F407VET6通过SP11接口与其通信。单个子节点有5个温湿度传感器，每10秒采集一次温湿度，得到5个温湿度值，在实际环境中，单个传感器可能损坏或采集数据不成功，因此选择5个温湿度值的中值作为该子节点采集的温湿度。子节点采集完成后通过nRF24L01无线收发模块将温湿度值传送到汇总节点，汇总节点通过AT24C02模块有序存储4个子节点的温湿度值。单个子节点对5个温湿度值的处理过程：将5个温度和湿度值分别通过冒泡法进行排序取中值。每一个单节点将温度中值和湿度中值确定后传输到汇总节点。汇总节点对4个子节点温湿度值的处理过程：将4个温度值取平均值，将4个湿度值按照对应子节点序号存储并求平均值。

1.2远程网络

4G路由器网络协议是IEEE 802.11 b/g/n。在设计中安装流量卡的4G路由器通过网线与W5200连接。汇总节点通过编程控制实现上网，其IP必须与4G无线路由器的网关IP属于同一个子网。此外，控制终端的MAC地址不能设定为路由器自身MAC地址。本次实验中汇总节点作为客户端采用静态IP方法连接网络，网络参数配置如表1所示，OneNET平台配置相关参数如表2所示。

控制界面基于OneNET平台进行设计，控制界面包括开关按钮、平均温度动态曲线图、平均湿度动态曲线图、子节点湿度动态曲线图，控制界面如图1所示。

根据实际情况，单个大棚内温度差异不大，空气湿度差异较大，因此为减少传输的数据量，温度数据只动态显示平均值，湿度包括平均值和各个子节点数据的显示，以把握整体和局部的湿度情况。温湿度监测总开关控制采集子网所有采集数据传输的开启和关闭，湿度平均值独立开关控制汇总节点采集的4个子节点平均湿度数据传输的开启和关闭，4个子节点开关控制4个子节点湿度数据传输的开启和关闭。

2系统分析与测试

汇总节点定时主动询问六个开关状态，根据询问结果上传大棚温湿度数据。通过在程序中设定检测规则来实现降低流量消耗。在每一次的定时检测中，首先，汇总节点检测大棚温湿度监测总开关的状态，如果是OFF则不进行对其他开关的检测，也不用上传温湿度数据，这种情况下流量消耗最低，如果是ON则检测温湿度平均值独立开关的状态，如果是ON则只传输大棚温度和濕度平均值，不再检测四个子节点的开关状态，也不上传四个子节点的湿度数据，这种情况下流量消耗为中级，如果是OFF则上传大棚的温度和湿度平均值，并且需要检测四个子节点的开关状态，根据开关状态传输子节点的湿度数据，这种情况下流量消耗最高，流量消耗等级表如表3所示。

为使系统长期稳定工作，增加了看门狗和网络超时重启程序，当网络异常或死系统自动重启。汇总节点每30秒定时去获取控制界面监测命令，并根据命令选择性传输。经实际测试，在采集数据全部传输的情况下，4G路由器24小时消耗流量30-80 M，在关闭子节点传输功能情况下，4G路由器24小时消耗流量15-40 M。实验结果证明通过该选择性实时监测方法有效降低了流量消耗。

3结束语

本文研究并实现一种基于4G的大棚温湿度远程监测系统。通过该系统，用户可通过手机选择性实时远程监测，有效降低了监测系统流量消耗，其搭建网络和远程控制方法对其他环境信息采集系统的设计也具有参考意义。此外，对子节点故障实时检测和故障情况下的数据处理方法还需深入研究。endprint