物联网智能地板设计

　　为了减少滑倒事件并及时报警，本文设计了一款基于物联网技术的智能地板。该地板系统以STM32为核心，通过传感器采集所处环境下的温湿度信息并判断地面的湿滑度，再使用加热模块进行快速的加热、烘干表面的水渍以降低摔倒的可能性。系统通过重力检测模块检测摔倒事件的发生，同时使用MQTT协议将发生的摔倒事件汇报给OneNET服务器，并发送报警邮件。实验证明，该系统稳定性好，能达到预期效果，具有良好的实用价值。

　　关键词:物联网;STM32;传感器;MQTT;智能地板

　　下雨天，当人们走进食堂、商店等公共场所时，鞋子上难免会带上些水渍，一方面这些水渍会让地面显得脏乱潮湿，但更严重的是容易引起摔倒事故。据2001年美国儿童协会与美国国家安全协会调查报告中显示，在美国每年平均900万人滑倒受伤，约1．6万人死于滑倒事故，因滑倒受伤而引起的诉讼、纠纷、赔偿和损失每年已高达一千亿美元［1］。所以从保障安全的角度来说，一款能自动除湿防滑的地砖是为市场所需要的。随着信息化技术的不断进步，物联网技术在通信应用、环境监控、工业生产及农业科技等多个行业领域获得了显著的应用［2］。将物联网技术与防滑地砖相结合，构造一个“会说话”的智能地砖，从而更好地保障人们的安全，将会是个不错的主意。

　　1系统整体架构

　　本产品的系统架构是以单片机作为地板的智能控制核心，接收处理传感器(温度、重力、湿度)获取的相应数据，控制加热模块的输出，再采用网络通信模块esp8266模块将数据传输至第三方物联网络平台，最终可以使得此产品在判断表面温湿度情况后实现自动制热烘干，且方便用户观察重力、温度等数据，当特定摔倒事件发生时能及时发送邮件到关联账户进行提醒。该智能地板总体框架如图1所示。

　　2系统主要硬件设计

　　本系统采用模块化的设计方法来构建，主要由电源模块、传感器模块、加热模块、微控制器模块、网络通信模块及物联网平台组成。电源模块为线性可调电源3．3V和外置开关电源12V，其中线性可调电源为单片机供电，开关电源直接给加热控制电路供电。控制核心选用单片机STM32F103C8T6，它是AＲM32位的内核架构，程序存储器容量是64KB，支持的外设丰富，包括ADC、SPI、USB、IIC和UAＲ等［3］，可以很好地满足课题的要求。网络通信模块采用ESP8266，属于低功耗的32位微控制器，支持USAＲT进行通信，支持AT指令对其进行网络功能的操作。［4］本次的设计中其引脚ＲXD与TXD通过串口与控制器STM32相连，采用AT指令进行网络操作。传感器模块主要包括温度检测模块、湿度检测模块以及重力检测模块。温度检测模块采用采用DS18B20数字温度传感器，精度为±0．5摄氏度［5］。湿度检测模块采用的是雨滴传感器，是一个基于运放LM393构建的兼容模拟量与数字量输出的检测模块。重力检测模块采用的传感器HX711是一款24位高精度电子秤A/D转换模块［6］，拥有10HZ和80HZ的输出数据速率，低功耗，检测重力范围根据应变片材料性质而定。加热控制模块部分是保障地板能除湿防滑的核心单元，主要采用MOSFET来对半导体制冷片进行控制，采取了IＲ2101作为MOS管的前级驱动，结合前半部分的二极管和电容组成一个BOOST的升压电路来控制MOS管的导通，更甚者IＲ2101本身是个半桥式驱动，可以通过两个IＲ2101与MOS管形成H桥式驱动电路对半导体制冷片进行加热制冷的处理［7］。本次的设计中其引脚接口在PA0、PB9、PA1、PB8。PA0控制MOS管Q1导通输出高电平，PB8控制MOS管Q4导通输出低电平，其余MOS管关闭，此时OUT+、OUT-端产生高电平致使半导体制冷片加热;PA1控制mos管Q3导通输出高电平，PB9控制MOS管Q2导通输出低电平，其余MOS管关闭，此时OUT+、OUT-端电平反转输出低电平致使半导体制冷片制冷。MOSFET驱动电路如图2所示。

　　3系统软件设计

　　3．1系统总体工作流程图

　　系统的功能主要为硬件平台的初始化、传感器数据获取与处理、网络的连接。实行流程分为6步，包括S0:单片机、外设初始化;S1:传感器开始工作，单片机获取传感器数据;S2:通过MQTT发送物联网平台所需数据;S3:重力传感器检测行人经过;S4:加热模块开始工作;S5:判断是否发生摔倒时间，发生时发送报警邮件通知。总体工作流程图如图3所示。

　　3．2通信协议介绍及部分程序实现

　　本系统编程采用模块化的方式完成，主要是实现各模块之间的通信，微控制器需要控制各个器件就得使用诸如IIC、1-WIＲE、UAＲT等通信协议。3．2．1HX711重力感应模块HX711是一个基于AD转换得到重力值的一个模块，使用的是IIC协议，由四根线GND、VCC、SCL、SDA完成，以八位(一个字节)为传输单位。IIC协议有四种状态:起始状态、终止状态、数据发送状态、应答状态。IIC读取数据代码实现:if(IIC0_Ｒead==0){delay_us(1);if(IIC0_Ｒead==0)break;}ii++;if(ii＞=1000000){return0;}delay_us(1);for(i=0;i＜24;i++){IIC0_Write1;delay_us(1);count=count＜＜1;IIC0_Write0;if(IIC0_Ｒead)count++;}IIC0_Write1;delay_us(2);count=count^0x800000;IIC0_Write0;returncount;3．2．2加热控制模块IＲ2101s是美国IＲ公司推出的一款板桥驱动芯片，可以将输入端电平放大后输出。本次设置定时器为PWM输出模式，分频值为72，计数模式向上计数，自动装载值为100，设定输出频率10KHZ。使用HAL_TIM_PWM_Start()开启PWM工作模式，设置温度阈值和湿度阈值，当温度小于20摄氏度或者湿度达到一定阈值时，使用__HAL_TIM_SET_COMPAＲE()调节占空比，从而控制MOS管的工作状态，达到调节温度的作用。3．2．3ESP8266网络通信模块ESP8266是一款超低功耗的UAＲTWi-Fi传输模块，可将智能设备连接到无线网络上，进行网络通信。该模块支持串口转Wi-FiSTA、串口转AP和Wi-FiSTA+Wi-FiAP的模式，可通过AT指令对系统参数进行更改设置。本次设计使用AT指令集来实现无线网络的接入操作，使用的AT指令如下:(1)CWJAP:设置ESP8266要接入无线网络的账户和密码指令，具体命令格式为AT+CWJAP="账户"，"密码";(2)CIPMUX:配置多连接模式，本次使用的只有单连接模式，具体命令格式AT+CIPMUX=1;(3)CIPSEＲVEＲ:配置服务器指令，指令为1则开启服务器模式，指令为0则关闭服务器模式，本次的配置具体命令格式为AT+CIPMUX=1;(4)CIPSTO:配置链接超时的等待时间，具体命令格式为AT+CIPSTO=1200;(5)CIPSTAＲT:建立网络链接的IP和端口号，因为esp8266本身并无MQTT固件，所以选择TCP协议，本次链接的平台为OneNET，IP地址为183．230．40．39，端口号为6002，具体命令格式为AT+CIPSTAＲT=0，"TCP"，"183．230．40．39"，6002;(6)CIPSEND:发送命令，因本次的链路为0，设数据长度为x，具体格式为AT+CIPSEND=1，x。3．2．4MQTT连接物联网平台MQTT是一种轻量级的网络通信协议，具有轻量、简单、开放和易于实现的特点，适用范围十分之广泛，在物联网(IoT)的应用中十分之常见［8］。ESP8266使用MQTT接入物联网平台OneNET的第一步为请求连接(CONNECT)，平台接入成功后第二步为发布消息(PUBLISH)。在实际的使用过程中，为了保证数据在传输中的可靠性，将使用数组形式通过TCP连接到OneNET。

　　4智能地板的实测效果

　　微控制器通过通信协议采集的各种数据可以通过MQTT显示在OneNET上，OneNET自备图形化界面设计软件，可以通过组件实现数据的显示，此处将要上传的数据id“h”绑定在重力或温度等，就能通过MCU改变数值来控制图形界面的折线图和仪表盘。实验界面的物联网应用显示如图4所示，其中左图表示重力数据，右图表示温度数据。

　　5结论

　　本文介绍了一款基于微控制器STM32F103C8T6的智能地板系统，其集成有重力检测模块、温湿度模块、加热模块、网络通信模块等，通过物联网平台OneNET能为用户提供数据支持，实现如重力检测、温湿度检测及摔倒报警等。该地板产品样机试制成功，具有成本低、灵敏度好、稳定性好等特点，作为大学生创新项目在浙大城市学院2020创新创业大赛中荣获一等奖。

　　参考文献:

　　［1］招邵赟．浅析陶瓷防滑釉的研制［J］．佛山陶瓷，2017(8):27-29+37．

　　［2］杨成．物联网技术及其应用前景探索［J］．信息通信，2020(1):245-247．

　　［3］林松华，王战庆，汪文海，等．基于STM32的脉搏自动检测系统设计［J］．电子质量，2018，(10):24-27．

　　［4］沈华刚，吕刚磊．基于ESP8266串口WiFi的智能插座关键技术的实现［J］．河南科技，2019(8):17-19．

　　［5］徐美霞，史道玲，王敏．基于物联网的智能温控衣研制［J］．产业与科技论坛，2020(1):42-43．

　　［6］葛海江．基于HX711的高精度电子称重研究［J］．电子测试，2019(10):31-32．

　　［7］王成刚，许翻凡．半导体制冷温度控制系统的设计研究［J］．自动化与仪表，2019(7):15-17．

　　［8］张雪华，项雪琰．基于MQTT通信协议的智慧家居系统研究与设计［J］．电子制作，2020(Z1):37-38．

　　作者：吴光栋 张程皓 马伟锋 张科红

转载请注明来自：http://www.uuqikan.com/jisuanjiwangluolw/22857.html