物联网嵌入式 校园噪声监测系统 ESP8266 STM32 LM386声音传感器 NETTY自定义协议
目录
一、想法及需求
1.1最初设想
1.2需求分析
1.3方案设计
二、硬件
2.1器材选型
2.2原理图解释
2.3PCB绘制
2.4焊接及成品
三、软件
3.1NETTY自定义协议的TCP服务器
3.1.1使用原因
3.1.2制定协议
3.1.3编写解码器
3.1.4编写服务器
3.1.5部署服务器（将netty服务器部署到阿里云服务器）
3.1.6 netty连接数据库
3.2嵌入式代码
3.3基于Thymeleaf的前端展示
一、想法及需求
1.1最初设想
题源于物联网综合设计课设，要求做一套简易的物联网综合系统。由于宿舍楼下就是操场，很经常举办一些类似运动会、草地弹唱会的活动，影响到同学们的休息，所以想做一套校园噪声监测系统，这篇文章记录了制作过程中的心路历程。
首先来看看最后的效果，大屏展示出各个节点的实时状态以及位置，当出现噪声时进行报警并发送短信到工作人员处，由于短信需要费用，这里使用邮件代替：
1.2需求分析
校园噪声检测系统的用户是保卫科管理人员，对象的需求大致为以下三点：
①及时提示有噪声出现并且显示噪声出现的地点
②及时通知工作人员，保证消息传送的及时性
③记录噪声出现的地点、时间以及大小，归纳噪声规律，从而更好地解决噪声问题
1.3方案设计
在校园的各个容易产生噪声的地方安装传感器节点，但节点之间不进行互相通信（不构成WSN无线传感网）。每个节点由四个单元组成，分别是感知单元、处理单元、通信单元和能量供给单元，最后所有节点的数据将在大屏上进行展示（如下图所示）。
对于数据的传输，分为以下几个部分：传感器节点发送TCP数据包到使用NETTY搭建的数据服务器，数据服务器解析数据包为一个个数据对象，使用JDBC存储到数据库中，而数据服务器一样可以通过JDBC来获取数据库中的数据，以进行数据的处理及展示。
本篇文章将分为以下几个部分进行讲解：硬件、软件以及成功展示。
二、硬件
2.1器材选型
首先是关于器材的选型，在第一部分已经说过，每个传感器节点由四个单元组成，分别是感知单元、处理单元、通信单元和能量供给单元。感知单元最后选型为LM386声音传感器，它实际上是一个AD转化器，将噪声模拟量转化为电压的大小；处理单元以及能量供给单元最后选用STM32F103C8T6的最小系统板，不论从IO输出，传输效率，处理效率上，STM32相对于C51而言都占了较大的优势；通信模块选用了ESP8266进行wifi传输，由于节点之间距离太远，并不进行相互通信，而是各自通过wifi连上互联网，发送TCP数据包到数据服务器。各个模块的图片如下：
STM32F103C8T6最小系统板：
ESP8266：
USB转串口模块CP2102：
LM386声音传感器模块：
OLED显示屏模块：
2.2原理图解释
按从左到右，从上至下的顺序进行说明：
首先是wifi模块，这里有一个需要注意的地方，wifi模块必须要与串口相连，通过串口来进行收发数据。对于SMT32F103C8T6而言，它的串口1为PA9和PA10，而串口2为PA2和PA3，这里注意ESP8266同串口1连接好像容易出问题，所以选择串口2，接着就是wifi模块的RXD要连在STM32的TXD上，TXD连在RXD上，这是由于它的工作机制：STM32发送AT指令到wifi模块处，wifi模块识别指令并进行数据的转发，通过互联网传到数据服务器处。
接着是声音传感器模块，本质上是一个AD转化起，将模拟量噪声转化为电压的大小进行读取，这里注意，这个传感器并没有给出分贝与电压之间的转化公式，需要自己用声级计进行测试，这里不推荐使用这个传感器，最好去找一些精确度较高的传感器模块。
接着是LED模块，当测量噪声达到阈值时，LED发光进行报警。
USB转串口模块方便于同电脑间进行信息的传输以获取芯片实时的状态，方便调试。
OLED模块使用IIC接口，将7针的SPI接口缩小到了4针，合理利用了IO口的资源。
BUTTON模块并没有用到，可以进行复位或者调解参数使用，但是注意：这里的BUTTON接法有误，由于没有用到就没有进行修改，正确的接法如下：
STM32最小系统板：注意绘制封装时将每一个引脚对应上，以及每一个模块的尺寸都要画正确。
2.3PCB绘制
根据上图画好电路图后，转为PCB并进行布局、布线以及铺铜，布局及布线要进行合理规划，如果STM32的引脚的接入端被大致均匀的分到了左右两边，一般建议将STM32放在中间，就可以将连线错开，减少过孔的数量。在板的四角还可以进行开孔，使用M3六角铜柱进行支撑。
2.4焊接及成品
PCB的绘制只需最简单的对排母的绘制，这里可以进行一些改进：比如OLED屏是很小的排母支撑起较大的屏幕，重心不稳且容易断，可以在它的附近再焊上一个排母，起支撑作用。CP2102由于没有用到就没有进行焊接。
三、软件
3.1NETTY自定义协议的TCP服务器
3.1.1使用原因
为什么要使用自定义的协议呢，原因有三：
①常规的物联网系统是连接到大公司搭好的平台上，如使用mqtt连接到中国移动的onenet平台，但缺点就是公司可以掌握你的所有数据，以及有一种受制于人的感觉。
②自定义协议方便扩展其余节点，只需要所有节点统一协议即可。
③想学一些新东西，比如这里用到的netty。
3.1.2制定协议
由于本项目只需要传输声音值的大小，传输的内容简单，也不需要定义非常复杂的协议，协议结构如下：
| 魔数 | 传感器节点序号 | 数据部分的长度 | 数据 |
其中魔数用来第一时间判断出是否为无效包，是收发双方提前约定好的数据，这里我定义为‘0717’四个字节；由于传感器得到的数据时确定三位的，所以可以确定数据部分的长度，节点每次发送时只需修改对应的数据部分以及节点序号即可。以下是iot_protocol 协议类：
package com.zhiqi.IOT.protocol;
import java.util.Arrays;
/***
* 自定义的协议如下
* | ---- | -------------- | -------------- | ---- |
* | 魔数 | 传感器节点序号 | 数据部分的长度 | 数据 |
* | ---- | -------------- | -------------- | ---- |
*/
public class iot_protocol {
/**
* 魔数 4个字节
*/
private int head_data ;
/**
* 传感器节点序号 1个字节
*/
private int id ;
/**
* 数据的长度 3个字节
*/
private int contentLength;
/**
* 数据的内容
*/
private String content;
@Override
public String toString() {
return "iot_protocol{" +
"head_data=" + head_data +
", id=" + id +
", contentLength=" + contentLength +
", content='" + content + '\'' +
'}';
}
public int getHead_data() {
return head_data;
}
public void setHead_data(int head_data) {
this.head_data = head_data;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public int getContentLength() {
return contentLength;
}
public void setContentLength(int contentLength) {
this.contentLength = contentLength;
}
public String getContent() {
return content;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public iot_protocol() {
}
public iot_protocol(int head_data, int id, int contentLength, String content) {
this.head_data = head_data;
this.id = id;
this.contentLength = contentLength;
this.content = content;
}
}
3.1.3编写解码器
对于解码器而言，判断正误，依次读出每一个数据即可，但是有几个值得关注的点：
①对于魔数0717，解码器使用buffer.readInt()方法是一次读取四个字节的(一个int占四个字节)，所以这里的0717会被转化成16进制的ascii码：30 37 31 37，合起来看做一个数，使用计算机计算结果如下，为808923447：
②对于节点编号只有一个字节，发送端发送后转化为ascii码，在接收端解码时使用字节读出，读出的是十进制ascii码，将这个数字减去48后就是正确的编号。
③接下来是3位的数据长度，这里我选择使用三次readByte()读出三位，读出的三位分别减去48后，换算成整体的十进制。
④得到数据长度后，可以就可以创建一个数据长度大小的byte数组，使用buffer.getbytes方法直接获取所有数据，再使用String的构造函数转化为String。
解码器代码如下：
package com.zhiqi.IOT.protocol;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder;
import java.util.List;
//自定义协议的解码器 根据协议的格式进行对发来的数据包的解码
public class iot_protocol_decoder extends ByteToMessageDecoder {
/***
* 魔数 4个字节
* 传感器节点序号 1个字节
* 数据长度 3个字节
* 最基本的长度为10个字节 如果数据包小于10则发生异常
*/
public final int BASE_LENGTH = 4 + 1 + 3;
//重写解码方法
protected void decode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf buffer, List3.1.4编写服务器
遇到的几个注意点：
①在Netty开发当中，需要自定义ChannelInboundHandlerAdapter，在重写channelRead时会传入msg对象，此对象在使用完毕后必须释放，否则会导致对象池泄露内存溢出（报错Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline.Please check your pipeline configuration.）。可以直接使用SimpleChannelInboundHandler，会自动释放对象。
②可以使用sockettool来测试服务器，这里来演示一下：比如说之前说的魔数0717会被识别成一个新的int，我们连接上localhost:8266，进行测试：
对整体进行测试，观察解码器是否正确。
3.1.5部署服务器（将netty服务器部署到阿里云服务器）
首先对maven项目进行打包：
使用winscp将jar包上传至云端：
打开putty运行此jar包（记得将目录切换到jar包的位置）：
运行后打开日志发现报错，是因为没有指定主类，回到idea中来指定（修改pom文件）：
org.apache.maven.plugins
maven-jar-plugin
com.zhiqi.IOT.Server.server
继续报错：
没想到大半夜的在这个地方卡了好久，netty导出jar包不知道为什么不能用maven的package，而要用idea自带的build，先在project structure中设置：
接着继续设置：
再次运行，服务器启动：
接着进行测试：
这里又踩坑了，可以和这个端口建立连接但是一直接收不到数据，经过了好长时间的调试，修改了阿里云安全组、给netty绑定上公网ip等等，最后发现代码根本没错，是由于解码器中设置了发过来的数据的格式，而我一开始没有按这个格式发送而导致接收不到，被当做无用包舍弃了，查阅资料后有如下解释：
首先，对于一个程序来讲，它所绑定的IP只能是其所在机器（无论物理机还是虚拟机）上的某个网卡的IP地址，这个你可以到机器上运行ifconfig查看。
其次，所谓绑定的含义是规定程序能够监听到哪个目的地IP的IP包，比如机器有两个网卡A和B，IP地址分别是AIP和BIP，你的程序绑定AIP，那么操作系统只会将目的地是AIP的IP包转发给你的程序。0.0.0.0是特殊的，它代表着能够转发目的地IP是机器上任意IP的IP包到你的程序。
最后，为何可以通过公网IP访问到你的机器？这是因为云服务商给你做了NAT，而这个地址你的机器是不知道的，也不属于你的机器上的任意一张网卡，所以你无法绑定。
按规定格式发送数据后可以通信：
3.1.6 netty连接数据库
数据库表格如下：
①position表：
id是每个节点的编号，lat纬度，lng经度，address是文字版的详细地址，ismail记录发生噪声干扰时是否已经发送邮件给管理员。
②now_data表
记录每个节点的当前数据，即网页地图实时展示的数据，当每次接收到传感器节点传来的数据时，就会进行now_data数据的更新，并将之前的数据记录到history_data表中。
③history_data表
此表结构与now_data相同。
注意的几个点：
①super传播
super.channelRead(ctx, msg);在每一个Handler中都应该让数据传输到下一个ChannelInboundHandler中。如果没有其他处理程序在意msg，则无需调用它。
②业务逻辑
在netty的业务逻辑中，将IO操作和占用时间的数据库操作分开，以免造成IO进程的堵塞。IO操作是放在NioEventLoopGroup中的，而数据库等业务是放在DefaultEventLoopGroup中的。代码如下：
首先在server类中放上DefaultEventLoopGroup，要在一个私有类中进行使用。
//配置业务线程组
final EventLoopGroup businessGroup=new DefaultEventLoopGroup(16);接着在pipeline中添加businessGroup：
/**
* 网络事件处理器
*/
private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
// 添加自定义协议的解码工具 处理完会将一个iot_protocol类型的数据传给ServerHandler
ch.pipeline().addLast(new iot_protocol_decoder());
// 处理网络IO
ch.pipeline().addLast(new ServerHandler());
//处理数据库业务逻辑
ch.pipeline().addLast(bussinessGroup,new bussinessHandler());
}
}
然后定义绑定上的businessHandler类，重写方法进行对数据库的操作，记得要对错误进行捕获处理，避免服务器宕机：
private class bussinessHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{
/**
* 在这里写入对数据库的操作
* @param ctx
* @param msg
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
iot_protocol sound =(iot_protocol)msg;
Data data=new Data();
statement =connection.createStatement();
//把原先的数据取出来
ResultSet resultSet =statement.executeQuery("select * from now_data where id=" + sound.getId());
if(resultSet.next()){
data.setId((int)resultSet.getObject(1));
data.setSound((int)resultSet.getObject(2));
data.setTime(((Timestamp) resultSet.getObject(3)).toString());
}
if(data.getTime()!=null) {
//有数据才进行这些步骤 没有数据就直接插入
//插入到历史记录中
String sql = "insert into history_data values(" + data.getId() + "," + data.getSound() + ",'" + data.getTime() + "')";
System.out.println(sql);
statement.execute(sql);
//删除原有数据
statement.execute("delete from now_data where id=" + data.getId());
}
//更新新数据
statement.execute("insert into now_data(id,sound) values("+sound.getId()+","+Integer.parseInt(sound.getContent().substring(sound.getContent().length()-3))+")");
super.channelRead(ctx, msg);
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
super.exceptionCaught(ctx, cause);
Channel channel = ctx.channel();
if (channel.isActive()) ctx.close();
}
}③timestamp的插入
注意timestamp插入数据库中的格式，需要引号。
④部署服务器报错
ClassLoader classLoader = JdbcUtils.class.getClassLoader();
URL resource = classLoader.getResource("db.properties");
System.out.println(resource);
String path = resource.getPath();
//2.加载文件
try {
pro.load(new FileReader(path));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
原因是读取配置文件出错，在windows下可以，但是在linux下，url.getPath()得到的是properties文件的绝对路径，所以出错，改用以下方法：
ResourceBundle rb = ResourceBundle.getBundle("db");
url = rb.getString("url");
username = rb.getString("username");
password = rb.getString("password");
driver = rb.getString("driver");到此netty服务器已搭建完成。
3.2嵌入式代码
写累了，就简单写写吧...
嵌入式的代码时一步步慢慢完善的，从一开始点一个灯来确定PCB是否可用，到oled的显示，到传感器数据的读取及显示，再到使用esp8266对其联网上传。
点灯的程序过于简单就不说了，从oled开始说，导入中景园提供的oled代码后，首先修改oled.h头文件中对引脚的宏定义：先查看绘制的电路图
可以看到SCL接的是PB6，SDA接的是PB7，修改宏定义：
//-----------------OLED端口定义----------------
#define OLED_SCL_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6)//SCL
#define OLED_SCL_Set() GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6)
#define OLED_SDA_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_7)//DIN
#define OLED_SDA_Set() GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_7)然后注意还有oled.c中的init函数有对GPIO的初始化，也需要进行修改：
void OLED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能B端口时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//速度50MHz
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化PB6,7
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);
}接着是传感器数据的读取，使用了原子哥的adc代码，同样要修改GPIO引脚，这次在h头文件中没有宏定义，直接修改c文件的init函数：
void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1 , ENABLE ); //使能ADC1通道时钟
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
//PA4 作为模拟通道输入引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
ADC_DeInit(ADC1); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
...
} 同时，由于使用的是PA4引脚，查询数据手册可知是通道4，所以在调用读取函数时需要选择为channel4。
adcx=Get_Adc_Average1(ADC_Channel_4,30);最后是esp8266的代码
一开始使用onenet官方给的代码，遇到了wifi接不上的问题，查询后发现是命令错误，官方给的是AT+CWJAP=，而实际上要是AT+CWJAP_DEF=。
更改后就可以连接上wifi，传输数据到netty成功：
输出重定向：不是printf而是sprintf，需要引入头文件#include "stdio.h".
注：这里%3d也有错误，前面不会补0，使用%03d才可以
在使用wifi模块遇到了很严重的问题，在定时器中断内无法发送数据，原先设想在定时器中断时读取并显示数据，再上传至数据服务器，但是在中断内不知道为什么发送到服务器端的却是AT指令，尝试了好久（设置中断优先级、查阅AT指令原理）也没有找到解决方法，最后只能在main函数中使用while和delay对数据进行发送，这也就意味着每次测量的显示值和发送到云端的值不同。
3.3基于Thymeleaf的前端展示
原本想用VUE来进行前端的搭建，框架选用ElementUI，一个界面已经搭建好了，但是发现如果想要部署到服务器上，需要使用Nginx。但是！！现在是凌晨1点，距离答辩还有七小时，只能找到以前做的一个项目进行修改，调用了腾讯地图api，在前端设置了定时器进行Ajax轮询来定时获取数据库。