【物联网开发】基于STM32和阿里云的室内温、湿、亮度监测系统（一）—— 物联网介绍和系统初步设计

这是我的物联网开发系列文章，将介绍如何从嵌入式开发、云平台开发、Android端开发来实现一个简单的物联网应用开发，体验物联网全栈开发的过程，积累开发的经验。
本篇文章为系列文章的第一篇，主要介绍该系统的实现目标，硬件、软件环境，使用的协议，系统的基本框架等内容。
接下来是暑假，争取系列文章每周更新一到两篇。

一、关于物联网应用

1.物联网应用的典型架构

• 物联网设备：物联网的终端感知设备；
• 网关：物联网设备通常通过无线方式接入互联网。网关通过无线接收数据，并通过有线将数据传输到物联网云平台；
• 物联网云平台：功能主要包括存储物联网感知数据，提供相应的数据查询、分析、处理、展示；物联网终端、网关设备的接入和管理；设备间通信支持；多重安全防护保障等；
• 客户端：应用开发者开发的各类用户端应用。

2.物联网应用的分层架构

上述的物联网的典型架构实际上也可以简化为一种三层的层次架构——感知控制层、网络层、应用层。

• 感知控制层：指物联网终端设备，包括传感设备（如温度传感器）和控制设备（如电机），是获取物联网数据的起点，同时也对某些量（如温度）进行控制的实现终端。
• 网络层：主要指网关、物联网云平台以及相关的通信协议（如：MQTT、TCP/IP、WiFi），负责网络通信和数据的操作和存储。
• 应用层：指Web网页、手机APP、小程序等用户端的应用程序，向用户提供管理设备、查看数据等服务。

二、关于MQTT协议

1.MQTT协议的简介

MQTT(消息队列遥测传输) 是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族上。
MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。¹

2.MQTT协议的特点

MQTT协议具有以下主要的几项特性：

1. 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；
2. 对负载内容屏蔽的消息传输；
3. 使用 TCP/IP 提供网络连接；
4. 有三种消息发布服务质量（QoS）：

• “至多一次”（QoS0），消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
• “至少一次”（QoS1），确保消息到达，但消息重复可能会发生。
• “只有一次”（QoS2），确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

5. 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；
6. 使用 Last Will （遗嘱）和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

三、系统实现目标

1.设备端

1. 设备端能够通过传感器获取温度、湿度和亮度的数据；
2. 设备端能够根据预设的条件（如：温度达到某个数值）自动开启LED或者风扇；
3. 设备端能够通过OLED屏幕显示当时的数据和时间；
4. 设备端能通过蜂鸣器提供声音反馈（例如：故障）；
5. 设备端通过WiFi协议、MQTT协议等网络通信协议接入云端，实现上报数据、获取云端数据的功能；
6. 设备端能够通过按键进入近场WiFi连接模式，提供热点与手机连接，并在APP端中可以获取设备信息、设置WiFi参数；
7. 设备端能够通过阿里云物联网平台的NTP服务联网获取unix时间。

2.网页端

1. 基于阿里云物联网平台的IoT Studio开发出网页端，能够实现远程控制设备、查看设备数据和状态、查看云端历史数据；
2. 网页端能够通过域名进行外部访问。

注：阿里云物联网平台的IoT Studio开发的Web网页需要通过绑定外部域名才能实现外部访问，否则只能通过阿里云平台进行访问。

3.APP端

1. APP端通过阿里云的API获取云端的数据；
2. APP端能够远程控制设备、查看设备的数据；
3. APP端能够通过连接设备端的热点获取设备信息、控制设备。

注：由于目前阿里云物联网平台IoT Studio的移动应用可视化开发功能没有对所有用户开放，所以我这里只能在Android Studio通过阿里云的API实现APP的相关的功能。

四、硬件选择和软件环境

1.硬件

1.1设备端

项目	型号	用途	图片
单片机	STM32F103C8T6	作为设备端的主控模块
温湿度模块	DHT11	获取温湿度的数据
亮度模块	光敏电阻传感器（4针）	获取亮度的数据
通信模块	ESP-12S模块（ESP8266)	通过串口AT指令进行WiFi通信
显示模块	0.96寸OLED显示屏（SPI IIC 7针）	显示设备状态和当前的数据
声音模块	有源蜂鸣器（高电平触发）	当进行某些操作或者设备故障时提供一定的声音反馈
电机模块	130电机马达+继电器模块	风扇降温功能（文章首发时此处电机模块使用的是28BYJ-48步进电机，后来发现手头还有个130电机，所以电机模块就换成了130电机）
电源模块	3.3V、5V、12V输出DC输入模块+带DC头的电池盒	提供多种电源电压

1.2辅助硬件

项目	型号	用途	图片
下载调试器	STLink V2	为STM32提供下载调试程序的功能
USB转TTL模块	CH340	作为串口通信调试使用
ESP-12S模块转接板		为ESP-12S模块提供转接功能（从安信可官方淘宝店购买的ESP-12S模块本身没有焊接排针，所以需要自己焊接相关器件）
杜邦线	母对母、公对公、公对母	连接各个模块的引脚	略
面包板		方便一些线路（如：VCC、GND）的共享使用	略
面包板专用跳线		用于面包板上的线路连接	略
焊接工具	电烙铁、松香、焊锡、镊子等	用于焊接排针等	略

2.软件平台

2.1云平台

• 阿里云物联网平台：阿里云官网链接
• 阿里云域名、CDN、云解析DNS等业务
  注：以上业务仅仅用于域名的注册、备案、解析等业务，如果不需要在Web端使用域名的话可以不开通此类业务。

2.2开发软件

软件	版本	下载链接/安装教程
Keil μVision5（MDK5）	V5.18.0	链接
STM32CubeMX	5.6.1	链接
Android Studio	4.0	链接
安信可串口调试助手	v1.2.3	链接
ESP Flash下载工具	v3.8.5	链接
字模软件	PCtoLCD2002	链接
阿里云物联平台配置软件	v1.0.0	链接

注释

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1. 内容摘自百度百科：MQTT_百度百科 ↩︎