我们之前分别编写了 DHT11、ESP8266 和 MQTT 的代码,现在我们将它们仨整合在一起,来做一个温湿度检测小项目。这个项目可以实时地将 DHT11 传感器获取到的温湿度数据上传到 OneNET 平台。通过登录 OneNET,我们随时随地可以查看温湿度数据。
这种环境监测项目的应用场景有很多,其中特别适用于温室环境监测,园丁可以随时随地了解温室中空气情况,以确保温室环境适合娇贵的花草树木生长。
本文所涉及的源码及安装包如下(由于平台限制,请点击以下链接阅读原文下载):
https://www.lxlinux.net/e/stm32/little-project-dht11-esp8266-onenet.html
如果你是嵌入式开发小白,那么建议你先读读下面几篇文章。
前期教程,没看过的小伙伴可以先看下。
使用 STM32F103C8T6 作主控芯片,配合 DHT11 温湿度传感器,实时监测周围环境的温湿度变化。通过 ESP8266 模块以 MQTT 协议将获取到的温湿度数据通过无线网络连接上传至 OneNET 平台,以便用户可以随时随地通过手机或电脑查看数据。
本教程使用的硬件如下:
这款单片机具有 64K flash,20K RAM,4 个定时器,3 个串口,网络上资料好几吨,非常适合初学者入门,强烈推荐。
ESP8266 可以利用串口与单片机进行通讯,从而编程实现控制。
DHT11 有 3 脚和 4 脚两款,在使用上没有差别,接线都一样,主要接三根,四脚的款式有一脚悬空。四脚款接杜邦线会有点不稳,适合插面包板或开发板上。
DHT11 工作参数:
这种设备主要作用是用来调试或下载程序,本文用于串口输出作调试。价格也很便宜,普遍 5~8 元。
ST-Link 是一种用于 STM32 微控制器的调试和编程工具,它可以通过 SWD 或 JTAG 接口与开发板进行通信。本文用做烧录。一般也很便宜,七八元左右。
MQTT 服务端可以是云平台,OneNET、阿里云、华为云、腾讯云等;也可以自己搭建服务端,用 EMQ 或 Mosquitto 。
本次我们使用 OneNET,接下来我们来配置一下 OneNET。
点开 OneNET 官方网址:中移坤灵 - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)
有账号的登录,没账号的注册一下。
登录好后点击「开发者中心」。
接下来我们先创建一个产品,之后再创建具体的设备。
可按照下图参数创建产品。
通过物模型我们可以定义设备的属性、服务和事件功能。我们需要创建几个物模型,用于上传数据和事件告警。
创建两个物模型:
本教程只用到「当前湿度」和「当前温度」,剩下的物模型是下篇教程使用的。
接下来就开始创建产品下的具体设备。
「MQTT 三元组」是 MQTT 协议中至关重要的,就像去考试的时候,一定要带上准考证、身份证才能进考场,要有「MQTT 三元组」才能连接 MQTT 服务端。
得到初步「MQTT 三元组」:
设备密钥需要经过加密,加密需要用 OneNET 官方的 token 生成工具。
官网下载地址:OneNET - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)
也可以拿文章开头提供的,也是官网下载的。
下载好 token 生成工具,打开界面如下,我来告诉大家每个空填啥。
各个参数介绍如下表:
名称 | 类型 | 参数说明 | 参数示例 |
---|---|---|---|
res | string | 访问资源 resource 格式为:products/{产品id}/devices/{设备名字} | products/P2k4KV0low/devices/temp01 |
et | int | 访问过期时间,单位秒,unix 时间。当一次访问参数中的 et 时间小于当前时间时,平台会认为访问参数过期从而拒绝该访问 | 2017881776 表示:北京时间 2033-12-11 10:42:56 |
key | string | MQTT 三元组的设备密钥 | REhWUEhWbDlIOTdRUFEzU1dGQXk4TlZKZ25oQ0N4S3M= |
method | string | 加密方式,支持 hmacmd5、hmacsha1、hmacsha256 | md5(代表使用hmacmd5算法) sha1(代表使用hmacsha1算法) sha256(代表使用hmacsha256 算法) |
version | string | 参数组版本号,日期格式,目前仅支持"2018-10-31" | 2018-10-31 |
et 的时间戳可以用这个在线工具转换,网页地址:时间戳(Unix timestamp)转换工具 - 在线工具 (tool.lu)
根据介绍,填好各个参数的空,我们选择 sha1 的加密方式,大家可以选择自己喜欢的。填好如下操作:
得到最终「MQTT 三元组」:
OneNET 服务器地址是 mqtts.heclouds.com : 1883,地址是从 OneNET 文档中心得到的。
选择设置直连设备属性:$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/set
{device-name} 是设备ID,比如我们的就是 temp01。
选择直连设备上报属性:$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/post
{device-name} 是设备ID,比如我们的就是 temp01。
接线可参照下表:
ESP8266 | DHT11 | STM32 | USB 转 TTL |
---|---|---|---|
3V3 | 3.3 | ||
TX | A3 | ||
RX | A2 | ||
GND | G | ||
VCC | 3.3 | ||
DATA | A5 | ||
GND | G | ||
A10 | TX | ||
A9 | RX | ||
G | GND |
烧录的时候接线如下表,如果不会烧录的话可以看我之前的文章 STM32下载程序的五种方法:https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html。
ST-Link V2 | STM32 |
---|---|
SWCLK | SWCLK |
SWDIO | SWDIO |
GND | GND |
3.3V | 3V3 |
接好如下图。
详细代码解析可以看手把手教你玩转DHT11(原理+驱动)。
将 DHT11 发来的二进制数据存储到 ReadData 变量中,读取一位后,左移一位,循环8次,最终得到 1 byte 数据。
那么如何判断我们读到的数据是 0 还是 1 呢?
通过 3.2.3 的分析可以知道,0 和 1 的时序只是高电平持续时间不同,所以我们只需要在 DHT11 拉低电平之后延时 40~60 微秒(代码中使用 50 微秒),再读取电平状态就可以了,如果是高电平则为 1,低电平则为 0 。
uint8_t DHT_Read_Byte(void) //从DHT11读取一位(8字节)信号 { uint8_t i; uint8_t ReadData = 0; //ReadData用于存放8bit数据,即8个单次读取的1bit数据的组合 uint8_t temp; //临时存放信号电平(0或1) for(i=0;i<8;i++){ while(!HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN)); Delay_us(50); if(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN) == 1){ temp = 1; while(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN)); }else{ temp = 0; } ReadData = ReadData << 1; ReadData |= temp; } return ReadData; }
根据 DHT11 的时序,我们就可以使用代码实现 DHT11 一次读取数据过程。
注意:DHT11 读取数据间隔至少为 2 秒,否则读取到的数据可能不稳定,所以在最后可以延时 2 秒。
void DHT_Read() { uint8_t i; DHT11_Start(); DHT_GPIO_INPUT(); for(i= 0;i < 5;i++){ Data[i] = DHT_Read_Byte(); } if((Data[0]+Data[1]+Data[2]+Data[3])==Data[4]) { printf("湿度: %d.%dRH ,", Data[0], Data[1]); printf("温度: %d.%d℃\r\n", Data[2], Data[3]); }else{ printf("ERROR DATA\r\n"); } HAL_Delay(2000); }
详细代码解析可以看手把手教你玩转ESP8266(原理+驱动)。
按照项目需求编写 ESP8266 初始化代码,我们需要将 ESP8266 设置工作模式为STA、单路连接模式、连接 WIFI 等操作。
uint8_t esp8266_init(uint32_t baudrate) { char ip_buf[16]; esp8266_uart_init(baudrate); /* ESP8266 UART初始化 */ /* 让WIFI退出透传模式 */ printf("\r\n 退出透传模式\r\n"); esp8266_exit_unvarnished(); printf(" 1.测试ESP8266是否存在(AT)\r\n"); while(esp8266_at_test()) delay_ms(500); printf(" 2.重启ESP8266(AT+RST)\r\n"); while(esp8266_sw_reset()) delay_ms(500); while(esp8266_disconnect_tcp_server()) delay_ms(500); printf(" 3.设置工作模式为STA(AT+CWMODE=1)\r\n"); while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE)) delay_ms(500); printf(" 4.设置单路连接模式(AT+CIPMUX)\r\n"); //设置单路连接模式,透传只能使用此模式 while(esp8266_single_connection()) delay_ms(500); printf(" 5.连接WiFi,SSID:%s,PWD:%s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD); //连接WIFI while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD)) delay_ms(1000); printf(" 6.获取IP地址(AT+CIFSR):"); while(esp8266_get_ip(ip_buf)) delay_ms(500); printf("%s\r\n\r\n", ip_buf); printf("ESP8266初始化完成\r\n"); return ESP8266_EOK; }
初始化结束后连接 OneNET 服务器并进入透传模式。
void esp8266_connect_server(char *server_ip, char *server_port) { esp8266_disconnect_tcp_server(); printf(" 7.连接云服务器(AT+CIPSTART),server_ip:%s,server_port:%s\r\n", server_ip, server_port); while(esp8266_connect_tcp_server(server_ip, server_port)) delay_ms(500); printf(" 8.进入透传模式(AT+CIPMODE)\r\n"); while(esp8266_enter_unvarnished()) delay_ms(500); printf("已连接上云服务器并进入透传模式。\r\n"); }
CONNECT 报文的编写及发送代码,报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可,报文内容:10+剩余长度+00 04 4D 51 54 54 04 C2+保持连接时间+L+设备 ID+L+产品 ID+L+token。
uint8_t mqtt_connect(char *ClientID,char *Username,char *Password) { uint8_t i,j; int ClientIDLen = strlen(ClientID); int UsernameLen = strlen(Username); int PasswordLen = strlen(Password); int DataLen; mqtt_txlen=0; //可变报头+Payload 每个字段包含两个字节的长度标识 DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2); //固定报头 //控制报文类型 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10; //MQTT Message Type CONNECT //剩余长度(不包括固定头部) do { uint8_t encodedByte = DataLen % 128; DataLen = DataLen / 128; // if there are more data to encode, set the top bit of this byte if ( DataLen > 0 ) encodedByte = encodedByte | 128; mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte; }while ( DataLen > 0 ); //可变报头 //协议名 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Protocol Name Length MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // Protocol Name Length LSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M'; // ASCII Code for M mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q'; // ASCII Code for Q mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T //协议级别 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // MQTT Protocol version = 4 //连接标志 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2; // conn flags mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Keep-alive Time Length MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100; // Keep-alive Time Length LSB 100S心跳包 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen); mqtt_txlen += ClientIDLen; if(UsernameLen > 0) { mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen); //username length MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen); //username length LSB memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen); mqtt_txlen += UsernameLen; } if(PasswordLen > 0) { mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen); //password length MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen); //password length LSB memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen); mqtt_txlen += PasswordLen; } for(i=0;i<10;i++) { memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen); mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen); for(j=0;j<10;j++) { delay_ms(50); if (esp8266_wait_receive() == ESP8266_EOK) esp8266_copy_rxdata((char *)mqtt_rxbuf); //CONNECT if(mqtt_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_connetAck[1] && mqtt_rxbuf[2]==parket_connetAck[2]) //连接成功 { return 0;//连接成功 } } } return 1; }
PUBLISH 报文的编写及发送代码,报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可,报文内容:30 +剩余长度+L+主题+数据(JSON)。
uint8_t mqtt_publish_data(char *topic, char *message, uint8_t qos) { int topicLength = strlen(topic); int messageLength = strlen(message); static uint16_t id=0; int DataLen; mqtt_txlen=0; //有效载荷的长度这样计算:用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度 //QOS为0时没有标识符 //数据长度 主题名 报文标识符 有效载荷 if(qos) DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength; else DataLen = (2+topicLength) + messageLength; //固定报头 //控制报文类型 mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30; // MQTT Message Type PUBLISH //剩余长度 do { uint8_t encodedByte = DataLen % 128; DataLen = DataLen / 128; // if there are more data to encode, set the top bit of this byte if ( DataLen > 0 ) encodedByte = encodedByte | 128; mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte; }while ( DataLen > 0 ); mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);//主题长度MSB mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);//主题长度LSB memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);//拷贝主题 mqtt_txlen += topicLength; //报文标识符 if(qos) { mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id); mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id); id++; } memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength); mqtt_txlen += messageLength; // int i = 0; // for(i=0;i<mqtt_txlen;i++) // printf("%02X ", mqtt_txbuf[i]); // printf("\r\n"); mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen); return mqtt_txlen; }
主函数代码如下:
#include "sys.h" #include "usart.h" #include "delay.h" #include "esp8266.h" #include "onenet.h" #include "dht11.h" extern char dht11_data[5]; int main(void) { HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */ sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟,72M */ delay_init(72); /* 初始化延时函数 */ usart_init(115200); /* 波特率设为115200 */ printf("初始化ESP8266...\r\n"); esp8266_init(115200); printf("初始化MQTT...\r\n"); mqtt_init(); printf("MQTT连接...\r\n"); mqtt_connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord); while(1) { uint8_t data_send_buff[512]; memset(data_send_buff, 0, sizeof(data_send_buff)); dht11_read(); sprintf((char *)data_send_buff,"{\"id\":\"1386772172\",\"version\":\"1.0\",\"params\":{\"temperature\":{\"value\":%d.%d},\"humidity\":{\"value\":%d.%d}}}" ,dht11_data[2], dht11_data[3], dht11_data[0], dht11_data[1]); mqtt_publish_data(POST_TOPIC, (char *)data_send_buff, 0); HAL_Delay(3000); //3s发送一次 printf("\r\n~~~~~~~~发送心跳包~~~~~~~~\r\n"); mqtt_send_heart(); printf("~~~~~~~~心跳包发送结束~~~~~~~~\r\n"); } }
烧录好后,串口效果如下:
OneNET 平台效果如下:
把前面学的知识整合成一个小项目后是不是成就感爆棚了,接下来会不断继续优化这个小项目,让它更完整,更人性。感谢各位看官,love and peace!