吳光棟 張程皓 馬偉鋒 張科紅

摘要：為了減少滑倒事件并及時報警，本文設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能地板。該地板系統(tǒng)以STM32為核心，通過傳感器采集所處環(huán)境下的溫濕度信息并判斷地面的濕滑度，再使用加熱模塊進行快速的加熱、烘干表面的水漬以降低摔倒的可能性。系統(tǒng)通過重力檢測模塊檢測摔倒事件的發(fā)生，同時使用MQTT協(xié)議將發(fā)生的摔倒事件匯報給OneNET服務器，并發(fā)送報警郵件。實驗證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能達到預期效果，具有良好的實用價值。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);STM32;傳感器;MQTT;智能地板

中圖分類號：TP273

Abstract：In order to reduce slip events and alarm in time，an intelligent floor based on IOT technology is designed.This floor system takes STM32 as the core，collects the temperature and humidity information of the environment and judges the slippery degree of the ground through the sensor，and then uses the heating module to quickly heat and dry the water stains on the surface to reduce the possibility of slipping.The system detects the occurrence of the slip event through the gravity detection module，and reports the event to oneNET server by using MQTT protocol，and sends the alarm email through oneNET server.Experiments show that the system has good stability，can achieve the desired effect，and has good practical value.

Key words：IOT;STM32;sensor;MQTT;intelligent floor

下雨天，當人們走進食堂、商店等公共場所時，鞋子上難免會帶上些水漬，一方面這些水漬會讓地面顯得臟亂潮濕，但更嚴重的是容易引起摔倒事故。據(jù)2001年美國兒童協(xié)會與美國國家安全協(xié)會調查報告中顯示，在美國每年平均900萬人滑倒受傷，約1.6萬人死于滑倒事故，因滑倒受傷而引起的訴訟、糾紛、賠償和損失每年已高達一千億美元[1]。所以從保障安全的角度來說，一款能自動除濕防滑的地磚是為市場所需要的。隨著信息化技術的不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)技術在通信應用、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)科技等多個行業(yè)領域獲得了顯著的應用[2]。將物聯(lián)網(wǎng)技術與防滑地磚相結合，構造一個“會說話”的智能地磚，從而更好地保障人們的安全，將會是個不錯的主意。

1 系統(tǒng)整體架構

本產(chǎn)品的系統(tǒng)架構是以單片機作為地板的智能控制核心，接收處理傳感器（溫度、重力、濕度）獲取的相應數(shù)據(jù)，控制加熱模塊的輸出，再采用網(wǎng)絡通信模塊esp8266模塊將數(shù)據(jù)傳輸至第三方物聯(lián)網(wǎng)絡平臺，最終可以使得此產(chǎn)品在判斷表面溫濕度情況后實現(xiàn)自動制熱烘干，且方便用戶觀察重力、溫度等數(shù)據(jù)，當特定摔倒事件發(fā)生時能及時發(fā)送郵件到關聯(lián)賬戶進行提醒。該智能地板總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件設計

本系統(tǒng)采用模塊化的設計方法來構建，主要由電源模塊、傳感器模塊、加熱模塊、微控制器模塊、網(wǎng)絡通信模塊及物聯(lián)網(wǎng)平臺組成。電源模塊為線性可調電源3.3V和外置開關電源12V，其中線性可調電源為單片機供電，開關電源直接給加熱控制電路供電。

控制核心選用單片機STM32F103C8T6，它是ARM32位的內核架構，程序存儲器容量是64KB，支持的外設豐富，包括ADC、SPI、USB、IIC和UAR等[3]，可以很好地滿足課題的要求。網(wǎng)絡通信模塊采用ESP8266，屬于低功耗的32位微控制器，支持USART進行通信，支持AT指令對其進行網(wǎng)絡功能的操作。[4]本次的設計中其引腳RXD與TXD通過串口與控制器STM32相連，采用AT指令進行網(wǎng)絡操作。

傳感器模塊主要包括溫度檢測模塊、濕度檢測模塊以及重力檢測模塊。溫度檢測模塊采用采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，精度為±0.5攝氏度[5]。濕度檢測模塊采用的是雨滴傳感器，是一個基于運放LM393構建的兼容模擬量與數(shù)字量輸出的檢測模塊。重力檢測模塊采用的傳感器HX711是一款24位高精度電子秤A/D轉換模塊[6]，擁有10HZ和80HZ的輸出數(shù)據(jù)速率，低功耗，檢測重力范圍根據(jù)應變片材料性質而定。

加熱控制模塊部分是保障地板能除濕防滑的核心單元，主要采用MOSFET來對半導體制冷片進行控制，采取了IR2101作為MOS管的前級驅動，結合前半部分的二極管和電容組成一個BOOST的升壓電路來控制MOS管的導通，更甚者IR2101本身是個半橋式驅動，可以通過兩個IR2101與MOS管形成H橋式驅動電路對半導體制冷片進行加熱制冷的處理[7]。本次的設計中其引腳接口在PA0、PB9、PA1、PB8。PA0控制MOS管Q1導通輸出高電平，PB8控制MOS管Q4導通輸出低電平，其余MOS管關閉，此時OUT+、OUT-端產(chǎn)生高電平致使半導體制冷片加熱;PA1控制mos管Q3導通輸出高電平，PB9控制MOS管Q2導通輸出低電平，其余MOS管關閉，此時OUT+、OUT-端電平反轉輸出低電平致使半導體制冷片制冷。MOSFET驅動電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)總體工作流程圖

系統(tǒng)的功能主要為硬件平臺的初始化、傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理、網(wǎng)絡的連接。實行流程分為6步，包括S0：單片機、外設初始化;S1：傳感器開始工作，單片機獲取傳感器數(shù)據(jù);S2：通過MQTT發(fā)送物聯(lián)網(wǎng)平臺所需數(shù)據(jù);S3：重力傳感器檢測行人經(jīng)過;S4：加熱模塊開始工作;S5：判斷是否發(fā)生摔倒時間，發(fā)生時發(fā)送報警郵件通知。總體工作流程圖如圖3所示。

3.2 通信協(xié)議介紹及部分程序實現(xiàn)

本系統(tǒng)編程采用模塊化的方式完成，主要是實現(xiàn)各模塊之間的通信，微控制器需要控制各個器件就得使用諸如IIC、1-WIRE、UART等通信協(xié)議。

3.2.1 HX711重力感應模塊

HX711是一個基于AD轉換得到重力值的一個模塊，使用的是IIC協(xié)議，由四根線GND、VCC、SCL、SDA完成，以八位（一個字節(jié)）為傳輸單位。IIC協(xié)議有四種狀態(tài)：起始狀態(tài)、終止狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)、應答狀態(tài)。IIC讀取數(shù)據(jù)代碼實現(xiàn)：

3.2.2 加熱控制模塊

IR2101s是美國IR公司推出的一款板橋驅動芯片，可以將輸入端電平放大后輸出。本次設置定時器為PWM輸出模式，分頻值為72，計數(shù)模式向上計數(shù)，自動裝載值為100，設定輸出頻率10KHZ。使用HAL_TIM_PWM_Start（）開啟PWM工作模式，設置溫度閾值和濕度閾值，當溫度小于20攝氏度或者濕度達到一定閾值時，使用__HAL_TIM_SET_COMPARE（）調節(jié)占空比，從而控制MOS管的工作狀態(tài)，達到調節(jié)溫度的作用。

3.2.3 ESP8266網(wǎng)絡通信模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART Wi-Fi傳輸模塊，可將智能設備連接到無線網(wǎng)絡上，進行網(wǎng)絡通信。該模塊支持串口轉Wi-Fi STA、串口轉AP和Wi-Fi STA+Wi-Fi AP的模式，可通過AT指令對系統(tǒng)參數(shù)進行更改設置。本次設計使用AT指令集來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的接入操作，使用的AT指令如下：

（1）CWJAP：設置ESP8266要接入無線網(wǎng)絡的賬戶和密碼指令，具體命令格式為AT+CWJAP="賬戶"，"密碼";

（2）CIPMUX：配置多連接模式，本次使用的只有單連接模式，具體命令格式AT+CIPMUX=1;

（3）CIPSERVER：配置服務器指令，指令為1則開啟服務器模式，指令為0則關閉服務器模式，本次的配置具體命令格式為AT+CIPMUX=1;

（4）CIPSTO：配置鏈接超時的等待時間，具體命令格式為AT+CIPSTO=1200;

（5）CIPSTART：建立網(wǎng)絡鏈接的IP和端口號，因為esp8266本身并無MQTT固件，所以選擇TCP協(xié)議，本次鏈接的平臺為OneNET，IP地址為183.230.40.39，端口號為6002，具體命令格式為AT+CIPSTART=0，"TCP"，"183.230.40.39"，6002;

（6）CIPSEND：發(fā)送命令，因本次的鏈路為0，設數(shù)據(jù)長度為x，具體格式為AT+CIPSEND=1，x。

3.2.4 MQTT連接物聯(lián)網(wǎng)平臺

MQTT是一種輕量級的網(wǎng)絡通信協(xié)議，具有輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的特點，適用范圍十分之廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的應用中十分之常見[8]。ESP8266使用MQTT接入物聯(lián)網(wǎng)平臺OneNET的第一步為請求連接（CONNECT），平臺接入成功后第二步為發(fā)布消息（PUBLISH）。在實際的使用過程中，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸中的可靠性，將使用數(shù)組形式通過TCP連接到OneNET。

4 智能地板的實測效果

微控制器通過通信協(xié)議采集的各種數(shù)據(jù)可以通過MQTT顯示在OneNET上，OneNET自備圖形化界面設計軟件，可以通過組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，此處將要上傳的數(shù)據(jù)id“h”綁定在重力或溫度等，就能通過MCU改變數(shù)值來控制圖形界面的折線圖和儀表盤。實驗界面的物聯(lián)網(wǎng)應用顯示如圖4所示，其中左圖表示重力數(shù)據(jù)，右圖表示溫度數(shù)據(jù)。

本次實驗測量原本室內溫度為23攝氏度，當附著在地板縫隙處的雨滴傳感器感應到水漬時，加熱系統(tǒng)啟動，通過控制加熱輸出模塊可實現(xiàn)溫度的上漲，進而烘干水漬。經(jīng)由約10分鐘的加熱，地板溫度上升到33攝氏度。本次實驗測量通過改變鐵餅重量模擬重力突變測試情況，扔鐵餅模擬摔倒產(chǎn)生沖擊力的情況，此時重力數(shù)據(jù)的突變成功觸發(fā)了OneNET自帶的觸發(fā)器，實現(xiàn)報警郵件的發(fā)送。摔倒報警圖如圖5所示。

5 結論

本文介紹了一款基于微控制器STM32F103C8T6的智能地板系統(tǒng)，其集成有重力檢測模塊、溫濕度模塊、加熱模塊、網(wǎng)絡通信模塊等，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺OneNET能為用戶提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)如重力檢測、溫濕度檢測及摔倒報警等。該地板產(chǎn)品樣機試制成功，具有成本低、靈敏度好、穩(wěn)定性好等特點，作為大學生創(chuàng)新項目在浙大城市學院2020創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中榮獲一等獎。

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