#夏日挑战赛# 基于STM32+华为云IOT设计智能称重系统 原创 精华

发布于 2022-7-20 10:29
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本文正在参加星光计划3.0–夏日挑战赛

1.前言

伴随着网络技术,各种通讯技术,传感器技术的飞速发展,物联网技术成为了当今技术领域发展为迅速的技术。而物联网技术的核心仍然是以互联网技术为基础的,物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是信息化时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

本设计的模型来源于物流、矿山、高速公路等场合,车辆称重地螃的智能化升级要求,设计基于物联网的智能在线称重方案,开发智能称重控制器,合理选择部署多个重量传感器和必要的算法、通过WIFF通信模块、GPS定位模块,采集车辆重数据一地理位置信息,并通过网络发送至云平台,设计图形化UI界面展示称重、地图位置等重要信息,实现对称重系统的远程监测。

随着物联网技术的逐步发展和日趋成熟,物联网技术是一个大而广的应用技术,并非仅仅局限于延伸应用。相信对地磅来说必然会有更多创新的应用实践。总的来说,地磅现代化、信息化、智能化一定紧随物联网技术的发展,而物联网技术的发展也必将促使地磅兴起新的技术革命。

设计的技术与硬件选项总结:

(1)云端通信模块采用ESP8266-WIFI

(2)联网通信模块采用:ESP8266

(3)GPS模块:采用ATGM336H双模GPS模块

(4)电子秤模块:用于称重

(5)物联网云平台:采用华为云物联网平台

设计总结:

(1)采用ESP8266连接华为云上传称重数据和GPS数据到云端(采用MQTT协议)

云端上显示2个数据:GPS定位数据–地图显示,称重传感器的数据值

(2)3个称重传感器接一个秤面称重计算平均值

(3)本地OLED显示屏显示GPS经纬度数据、称重传感器的数据值。

(4)OLED设计一个页面显示并设置当前的报警上限。通过按键进行加减

当称重的阀值超出了设置阀值,蜂鸣器报警。
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2. 硬件选型

2.1 STM32F103C8T6

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器,程序存储器容量是64KB,需要电压2V~3.6V,工作温度为-40°C ~ 85°C。

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2.2 电子秤传感器

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HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D 转换器芯片。

2.3 ESP8266-wifi

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2.4 GPS模块

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2.5 蜂鸣器

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3. 创建云端产品与设备

3.1 创建产品

地址:https://www.huaweicloud.com/?locale=zh-cn
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3.2 创建设备

地址: https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/device/all-device
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3.3 自定义模型数据

链接:https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-dev/all-product/7211833377cf435c8c0580de390eedbe/product-detail/6277d70223aaf461a0f72a56
这个模型数据就是设备要上传的数据。
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{
    "device_id": "6277d70223aaf461a0f72a56_weigh",
    "secret": "12345678"
}

服务ID: weigh
属性名称	数据类型	访问方式	描述	    
weigh	   int(整型)	可读	   重量	      
GPS	   string(字符串)	可读	  GPS定位信息	


3.4 MQTT密匙生成

创建完产品、设备之后,接下来就需要知道如何通过MQTT协议登陆华为云服务器。
官方的详细介绍在这里:
https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html#ZH-CN_TOPIC_0240834853__zh-cn_topic_0251997880_li365284516112

属性上报格式:
https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html
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MQTT设备登陆密匙生成地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
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DeviceId 		6277d70223aaf461a0f72a56_weigh
DeviceSecret 	12345678
ClientId		6277d70223aaf461a0f72a56_weigh_0_0_2022050814
Username		6277d70223aaf461a0f72a56_weigh
Password       0a3d097c6449b8526a562006a74c8c5e61ce63d6c831ea291560736a3332cf77

华为云物联网平台的域名是: 161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
华为云物联网平台的IP地址是:121.36.42.100
在软件里参数填充正确之后,就看到设备已经连接成功了。
接下来打开设备页面,可以看到设备已经在线了。
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3.5 主题订阅与发布

//订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/6277d70223aaf461a0f72a56_weigh/sys/messages/down
//设备上报数据
$oc/devices/6277d70223aaf461a0f72a56_weigh/sys/properties/report
//上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
{"services": [{"service_id": "weigh","properties":{"GPS":"lat:12.345,lng:45.678"}}]}

通过MQTT客户端软件模拟上报测试:
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查看控制台页面,数据已经上传成功了。
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3.6 应用侧开发

为了更方便的展示设备数据,与设备完成交互,还需要开发一个配套的上位机,官方提供了应用侧开发的API接口、SDK接口,为了方便通用一点,我这里采用了API接口完成数据交互,上位机软件采用QT开发。

帮助文档地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html

设备属性就是设备上传的传感器状态数据信息,应用侧提供了API接口,可以主动向设备端下发请求指令;设备端收到指令之后需要按照约定的数据格式上报数据;所以,要实现应用层与设备端的数据交互,需要应用层与设备端配合才能完成。

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在使用接口时,最好先使用华为自己的调试接口测试。
https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=ListProperties
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上位机软件采用Qt框架设计,Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序,也可用于开发非GUI程序,比如控制台工具和服务器。简单来说,QT可以很轻松的帮你做带界面的软件,甚至不需要你投入很大精力。

QT官网: https://www.qt.io/
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4. STM32设备端开发

4.1 程序下载

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4.2 原理图

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4.3 硬件接线

(1)OLED显示屏接线:
D0----(SCK)------------------->>PB14
D1----(MOSI)------------------>>PB13
RES—(复位脚低电平有效)-------->>PB12
DC--(数据和命令控制管脚)------>>PB1
CS--(片选引脚)---------------->>PA7
GND--------------------------->>GND
VCC--------------------------->>3.3V或者5V

(2)ATK-ESP8266 WIFI接线
PA2(TX)--RXD 模块接收脚
PA3(RX)--TXD 模块发送脚
GND---GND 地
VCC---VCC 电源(3.3V~5.0V)

(3)外接蜂鸣器模块: 高电平响
BEEP----->PB8

(4)外接按键:
KEY1 -PB3 按下是低电平  清零
KEY2 -PB2 按下是低电平  翻页
KEY3 -PB6 按下是低电平  加
KEY4 -PB7 按下是低电平  减

(5)外接LED灯模块:
LED1-PB4 低电平亮
LED2-PB5 低电平亮

(6)称重传感器1
VCC--->5V
SCK--->PA4   时序控制脚--对STM32--输出模式
DT---->PA5   输出输出脚-对STM32--输入模式
GND--->GND

(7)称重传感器2
VCC--->5V
SCK--->PA11   时序控制脚--对STM32--输出模式
DT---->PA12   输出输出脚-对STM32--输入模式
GND--->GND

(8)称重传感器3
VCC--->5V
SCK--->PA6   时序控制脚--对STM32--输出模式
DT---->PA8   输出输出脚-对STM32--输入模式
GND--->GND

(9)GPS模块接线说明
GND----GND
VCC---3.3V
PB11----GPS_TX
PB10----GPS_RX

(--)板载LED灯:低电平亮
LED1--PC13  
BEEP2--PC14

(--)板载按键: 
KEY1--PA0  按下为高电平


4.4 MQTT连接代码

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include <string.h>
#include "timer.h"
#include "bluetooth.h"
#include "esp8266.h"
#include "mqtt.h"

//华为物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510"
#define MQTT_UserName "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497"
#define MQTT_PassWord "385ce91dfe7da5b7431868d5d87e7998163c493344040935d5a00024d6324242"

//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/messages/down"  //订阅
#define POST_TOPIC "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/properties/report"  //发布

char mqtt_message[200];//上报数据缓存区

int main()
{
   u32 time_cnt=0;
   u32 i;
   u8 key;
   LED_Init();
   BEEP_Init();
   KEY_Init();
   USART1_Init(115200);
   TIMER1_Init(72,20000); //超时时间20ms
   USART2_Init(9600);//串口-蓝牙
   TIMER2_Init(72,20000); //超时时间20ms
   USART3_Init(115200);//串口-WIFI
   TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
   USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\n");
   if(ESP8266_Init())
   {
      USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\n");  
   }
   else
   {
      //非加密端口
      USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("CMCC-Cqvn","99pu58cb","121.36.42.100",1883,1));
  
   }
   
    //2. MQTT协议初始化	
    MQTT_Init(); 
    //3. 连接华为服务器        
    while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
    {
        USART1_Printf("服务器连接失败,正在重试...\n");
        delay_ms(500);
    }
    USART1_Printf("服务器连接成功.\n");
    
    //3. 订阅主题
    if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
    {
        USART1_Printf("主题订阅失败.\n");
    }
    else
    {
        USART1_Printf("主题订阅成功.\n");
    }        
    
    .........
        

4.5 ESP8266代码

#include "esp8266.h"
u8 ESP8266_IP_ADDR[16]; //255.255.255.255
u8 ESP8266_MAC_ADDR[18]; //硬件地址
/*
函数功能: ESP8266命令发送函数
函数返回值:0表示成功  1表示失败
*/
u8 ESP8266_SendCmd(char *cmd)
{
    u8 i,j;
    for(i=0;i<10;i++) //检测的次数--发送指令的次数
    {
        USARTx_StringSend(USART3,cmd);
        for(j=0;j<100;j++) //等待的时间
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"OK"))
                {
                    return 0;
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

/*
函数功能: ESP8266硬件初始化检测函数
函数返回值:0表示成功  1表示失败
*/
u8 ESP8266_Init(void)
{
    //退出透传模式
    USARTx_StringSend(USART3,"+++");
    delay_ms(50);
    return ESP8266_SendCmd("AT\r\n");
}

/*
函数功能: 一键配置WIFI为AP+TCP服务器模式
函数参数:
char *ssid  创建的热点名称
char *pass  创建的热点密码 (最少8位)
u16 port    创建的服务器端口号
函数返回值: 0表示成功 其他值表示对应错误值
*/
u8 ESP8266_AP_TCP_Server_Mode(char *ssid,char *pass,u16 port)
{
    char *p;
    u8 i;
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    /*1. 测试硬件*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT\r\n"))return 1;
    /*2. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\r\n"))return 2;
    /*3. 设置WIFI模式*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=2\r\n"))return 3;
    /*4. 复位*/
    ESP8266_SendCmd("AT+RST\r\n");
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    /*5. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\r\n"))return 5;
    /*6. 设置WIFI的AP模式参数*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CWSAP=\"%s\",\"%s\",1,4\r\n",ssid,pass);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 6;
    /*7. 开启多连接*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=1\r\n"))return 7;
    /*8. 设置服务器端口号*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSERVER=1,%d\r\n",port);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 8;
    /*9. 查询本地IP地址*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CIFSR\r\n"))return 9;
    //提取IP地址
    p=strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"APIP");
    if(p)
    {
        p+=6;
        for(i=0;*p!='"';i++)
        {
            ESP8266_IP_ADDR[i]=*p++;
        }
        ESP8266_IP_ADDR[i]='\0';
    }
    //提取MAC地址
    p=strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"APMAC");
    if(p)
    {
        p+=7;
        for(i=0;*p!='"';i++)
        {
            ESP8266_MAC_ADDR[i]=*p++;
        }
        ESP8266_MAC_ADDR[i]='\0';
    }
    
    //打印总体信息
    USART1_Printf("当前WIFI模式:AP+TCP服务器\n");
    USART1_Printf("当前WIFI热点名称:%s\n",ssid);
    USART1_Printf("当前WIFI热点密码:%s\n",pass);
    USART1_Printf("当前TCP服务器端口号:%d\n",port);
    USART1_Printf("当前TCP服务器IP地址:%s\n",ESP8266_IP_ADDR);
    USART1_Printf("当前TCP服务器MAC地址:%s\n",ESP8266_MAC_ADDR);
    return 0;
}

/*
函数功能: TCP服务器模式下的发送函数
发送指令: 
*/
u8 ESP8266_ServerSendData(u8 id,u8 *data,u16 len)
{
    u8 i,j,n;
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSEND=%d,%d\r\n",id,len);
        USARTx_StringSend(USART3,ESP8266_SendCMD);
        for(j=0;j<10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,">"))
                {
                    //继续发送数据
                    USARTx_DataSend(USART3,data,len);
                    //等待数据发送成功
                    for(n=0;n<200;n++)
                    {
                        delay_ms(50);
                        if(USART3_RX_FLAG)
                        {
                            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
                            USART3_RX_FLAG=0;
                            USART3_RX_CNT=0;
                            if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"SEND OK"))
                            {
                                return 0;
                            }
                         }            
                    }   
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

/*
函数功能: 配置WIFI为STA模式+TCP客户端模式
函数参数:
char *ssid  创建的热点名称
char *pass  创建的热点密码 (最少8位)
char *p     将要连接的服务器IP地址
u16 port    将要连接的服务器端口号
u8 flag     1表示开启透传模式 0表示关闭透传模式
函数返回值:0表示成功  其他值表示对应的错误
*/
u8 ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(char *ssid,char *pass,char *ip,u16 port,u8 flag)
{
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    //退出透传模式
    //USARTx_StringSend(USART3,"+++");
    //delay_ms(50);
    /*1. 测试硬件*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT\r\n"))return 1;
    /*2. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\r\n"))return 2;
    /*3. 设置WIFI模式*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1\r\n"))return 3;
    /*4. 复位*/
    ESP8266_SendCmd("AT+RST\r\n");
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    /*5. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\r\n"))return 5;
    /*6. 配置将要连接的WIFI热点信息*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n",ssid,pass);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 6;
    /*7. 设置单连接*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=0\r\n"))return 7;
    /*8. 配置要连接的TCP服务器信息*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSTART=\"TCP\",\"%s\",%d\r\n",ip,port);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 8;
    /*9. 开启透传模式*/
    if(flag)
    {
       if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMODE=1\r\n"))return 9; //开启
       if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPSEND\r\n"))return 10;  //开始透传
       if(!(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,">")))
       {
            return 11;
       }
        //如果想要退出发送:  "+++"
    }
    
     //打印总体信息
    USART1_Printf("当前WIFI模式:STA+TCP客户端\n");
    USART1_Printf("当前连接的WIFI热点名称:%s\n",ssid);
    USART1_Printf("当前连接的WIFI热点密码:%s\n",pass);
    USART1_Printf("当前连接的TCP服务器端口号:%d\n",port);
    USART1_Printf("当前连接的TCP服务器IP地址:%s\n",ip);
    return 0;
}


/*
函数功能: TCP客户端模式下的发送函数
发送指令: 
*/
u8 ESP8266_ClientSendData(u8 *data,u16 len)
{
    u8 i,j,n;
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSEND=%d\r\n",len);
        USARTx_StringSend(USART3,ESP8266_SendCMD);
        for(j=0;j<10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,">"))
                {
                    //继续发送数据
                    USARTx_DataSend(USART3,data,len);
                    //等待数据发送成功
                    for(n=0;n<200;n++)
                    {
                        delay_ms(50);
                        if(USART3_RX_FLAG)
                        {
                            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
                            USART3_RX_FLAG=0;
                            USART3_RX_CNT=0;
                            if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"SEND OK"))
                            {
                                return 0;
                            }
                         }            
                    }   
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

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已于2022-7-21 09:41:07修改
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