一、前言

1.1 項(xiàng)目介紹

【1】項(xiàng)目開(kāi)發(fā)背景

隨著現(xiàn)代家庭電器設(shè)備的日益增多，家庭用電安全問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。為了確保家庭電路的安全可靠運(yùn)行，預(yù)防因電路故障或不當(dāng)使用電器而導(dǎo)致的安全事故，設(shè)計(jì)一款高效、智能的居家電路保護(hù)裝置顯得尤為重要。該裝置不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家庭電路中的電壓、電流和功率等關(guān)鍵參數(shù)，還能對(duì)環(huán)境溫濕度及煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)控，從而為用戶(hù)提供全方位的家庭用電安全保障。

在傳統(tǒng)家庭電路保護(hù)方案中，通常僅依靠斷路器來(lái)提供過(guò)載保護(hù)，但這種方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，也無(wú)法為用戶(hù)提供詳細(xì)的用電信息反饋。因此，我們基于單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一款集成了多種功能的智能居家電路保護(hù)裝置。這款裝置安裝于家庭總電表輸出端，支持多達(dá)20路獨(dú)立線(xiàn)路的連接，每一路都可以單獨(dú)監(jiān)控其用電情況，包括電壓、電流、功率的變化。通過(guò)內(nèi)置的高精度電力參數(shù)采集模塊，裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量并分析各線(xiàn)路的用電數(shù)據(jù)，一旦檢測(cè)到異常，如電流或功率超過(guò)設(shè)定閾值，它將立即切斷電源，并通過(guò)本地蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)向用戶(hù)的手機(jī)APP發(fā)送通知，以便用戶(hù)及時(shí)采取措施。

考慮到智能家居系統(tǒng)的普及以及用戶(hù)對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，我們的設(shè)計(jì)方案特別加入了WIFI聯(lián)網(wǎng)功能。利用MQTT協(xié)議，所有狀態(tài)信息都可以上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，用戶(hù)無(wú)論身處何地，只需打開(kāi)手機(jī)上的Android應(yīng)用程序，即可查看家中的用電狀況，了解歷史變化趨勢(shì)，并可查看以波形或數(shù)字形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)這個(gè)應(yīng)用程序，用戶(hù)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，例如恢復(fù)被切斷的電源或者調(diào)整報(bào)警閾值。

為了讓用戶(hù)更直觀地掌握當(dāng)前的用電情況，我們?cè)谘b置上配置了一個(gè)OLED顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示采集到的所有信息。這樣即使沒(méi)有智能手機(jī)，用戶(hù)也能一目了然地看到重要的用電數(shù)據(jù)。同時(shí)，我們也選用了SHT30傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度，以及MQ2傳感器用于煙霧濃度監(jiān)測(cè)，這些都進(jìn)一步增強(qiáng)了裝置的安全性和功能性。

整個(gè)項(xiàng)目采用STM32F103RCT6作為主控芯片，它具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，非常適合處理復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)和通信任務(wù)。軟件方面，STM32的開(kāi)發(fā)使用Keil5工具鏈，編程語(yǔ)言選擇C語(yǔ)言，而Android應(yīng)用則采用Qt框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為C++。這種組合不僅保證了硬件和軟件之間的緊密配合，也使得系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。通過(guò)這樣一個(gè)智能居家電路保護(hù)裝置，我們希望能夠?yàn)槊恳粋€(gè)家庭帶來(lái)更加安心、便捷的用電體驗(yàn)。

【2】設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

當(dāng)前項(xiàng)目使用的硬件模塊對(duì)應(yīng)的代碼工程已經(jīng)更新到網(wǎng)盤(pán)：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

(1) 電路監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能
支持直流電和單相交流電的電壓、電流、功率監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)檢測(cè)到某一路線(xiàn)路的電流或功率超過(guò)設(shè)定閥值時(shí)，裝置會(huì)立即切斷電源，同時(shí)通過(guò)本地蜂鳴器報(bào)警，上傳告警信息至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，并推送到手機(jī)APP。

(2) 多路電路獨(dú)立監(jiān)控
支持最多20路獨(dú)立線(xiàn)路的用電參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括電壓、電流、功率等。各路參數(shù)的歷史變化數(shù)據(jù)會(huì)以波形圖或數(shù)字形式在手機(jī)APP中顯示，方便用戶(hù)掌握各電器的用電情況。

(3) 環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)功能
通過(guò)SHT30傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量周?chē)h(huán)境的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和手機(jī)APP，同時(shí)支持在本地OLED顯示屏上顯示當(dāng)前的環(huán)境信息。

(4) 煙霧濃度檢測(cè)功能
利用MQ2傳感器監(jiān)測(cè)空氣中的煙霧濃度。如果煙霧濃度超過(guò)設(shè)定的安全閾值，裝置會(huì)立即觸發(fā)本地蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)將告警信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，并推送到手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程提醒。

(5) 數(shù)據(jù)上云與遠(yuǎn)程監(jiān)控
支持通過(guò)WIFI模塊與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器連接，采用MQTT協(xié)議上傳設(shè)備的各類(lèi)數(shù)據(jù)（包括電路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧濃度數(shù)據(jù)等）。用戶(hù)可通過(guò)Android手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)，獲取數(shù)據(jù)歷史記錄，并遠(yuǎn)程操作和管理設(shè)備。

(6) 本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示
采用0.96英寸OLED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率、環(huán)境溫濕度、煙霧濃度等信息，便于用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備工作狀態(tài)。

(7) 超限保護(hù)與告警功能
當(dāng)檢測(cè)到任何線(xiàn)路的電流、功率超出設(shè)定閥值，或煙霧濃度超標(biāo)時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)切斷相關(guān)線(xiàn)路的電源，并發(fā)出蜂鳴器告警，同時(shí)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器將信息傳遞至手機(jī)APP。

(8) 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與波形顯示
支持電壓、電流、功率等參數(shù)的歷史變化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)手機(jī)APP以波形圖形式顯示，方便用戶(hù)進(jìn)行用電分析和趨勢(shì)判斷。

(9) 手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制功能
用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制設(shè)備，包括開(kāi)關(guān)各路電路、修改參數(shù)閾值，以及查看歷史數(shù)據(jù)和告警記錄等。

(10) 智能化與模塊化設(shè)計(jì)
所有功能模塊化設(shè)計(jì)，方便硬件擴(kuò)展與維護(hù)，同時(shí)通過(guò)軟件配置和調(diào)試實(shí)現(xiàn)靈活功能升級(jí)，適應(yīng)不同家庭需求。

(11) 全面的安全與節(jié)能方案
通過(guò)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和智能控制，幫助用戶(hù)在確保安全的前提下合理用電、減少浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

【3】項(xiàng)目硬件模塊組成

(1) 主控模塊 ：采用STM32F103RCT6作為核心控制器，該芯片具備高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核，提供豐富的外設(shè)接口和足夠的處理能力，以滿(mǎn)足對(duì)多路電力參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理以及與云端通信的需求。

(2) 電力參數(shù)采集模塊 ：選用支持串口通信的電力參數(shù)采集模塊，用于精確測(cè)量每一路電路中的電壓、電流和功率等電能參數(shù)。此模塊能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過(guò)串行接口發(fā)送給主控MCU進(jìn)行分析處理，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

(3) 環(huán)境溫濕度傳感器 ：安裝SHT30數(shù)字溫濕度傳感器，用以監(jiān)控周?chē)h(huán)境的溫度和濕度變化。該傳感器具有高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，可以為用戶(hù)提供準(zhǔn)確的室內(nèi)環(huán)境信息，并幫助檢測(cè)潛在的安全隱患。

(4) 煙霧濃度檢測(cè)模塊 ：集成MQ2氣體傳感器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)探測(cè)空氣中煙霧濃度。當(dāng)檢測(cè)到異常高的煙霧水平時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，提醒用戶(hù)可能存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 無(wú)線(xiàn)通信模塊 ：采用ESP8266 WIFI模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的連接，使得裝置可以通過(guò)MQTT協(xié)議向華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。此外，它還支持遠(yuǎn)程配置和控制功能，允許用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP管理家居用電情況。

(6) 本地顯示模塊 ：配備一塊OLED顯示屏，用于直觀地呈現(xiàn)當(dāng)前各路電路的電壓、電流、功率狀態(tài)，以及環(huán)境溫濕度和煙霧濃度等信息。OLED屏幕提供了清晰的視覺(jué)效果，便于用戶(hù)即時(shí)了解家庭用電狀況。

(7) 聲光報(bào)警模塊 ：包括一個(gè)高電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當(dāng)檢測(cè)到任何危險(xiǎn)信號(hào)（如過(guò)載、短路或者高煙霧濃度）時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出響亮的聲音警報(bào)；同時(shí)還可以添加LED指示燈來(lái)增強(qiáng)視覺(jué)警示效果。

(8) 電源管理模塊 ：設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的電源管理系統(tǒng)，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。考慮到不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求，該模塊應(yīng)能兼容直流和單相交流輸入，并且擁有適當(dāng)?shù)倪^(guò)壓、欠壓保護(hù)措施，以保障系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

(9) 繼電器控制模塊 ：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各路電路的通斷控制，每個(gè)回路上都會(huì)串聯(lián)一個(gè)小型繼電器。這些繼電器受主控MCU控制，在發(fā)生異常情況時(shí)迅速切斷相關(guān)電路，防止事故擴(kuò)大化。

1.2 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心思路是將電路保護(hù)功能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)智能化、模塊化的居家電路保護(hù)裝置。通過(guò)對(duì)家庭電路的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路安全的全面保障和對(duì)用電信息的高效管理。整個(gè)設(shè)計(jì)從功能需求出發(fā)，綜合硬件選型、軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)通信和用戶(hù)體驗(yàn)等多個(gè)方面展開(kāi)，力求提供一套完整且實(shí)用的解決方案。

基于對(duì)家庭用電安全問(wèn)題的分析，確定了裝置的主要功能，包括電路監(jiān)測(cè)與保護(hù)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、煙霧濃度檢測(cè)等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，選擇STM32F103RCT6作為主控芯片，利用其性能穩(wěn)定、資源豐富的特點(diǎn)，通過(guò)與外部傳感器和模塊的結(jié)合，構(gòu)建多功能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用的電力參數(shù)采集模塊通過(guò)串口通信采集電壓、電流、功率等關(guān)鍵參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。同時(shí)，為提升系統(tǒng)的適用性，支持最多20路獨(dú)立線(xiàn)路的電路監(jiān)控與保護(hù)，滿(mǎn)足大多數(shù)家庭的用電需求。

考慮到家庭環(huán)境對(duì)安全和舒適的雙重要求，設(shè)計(jì)中加入了環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)和煙霧濃度檢測(cè)功能。環(huán)境溫濕度通過(guò)SHT30傳感器獲取，實(shí)時(shí)反映家庭的環(huán)境狀態(tài)，幫助用戶(hù)及時(shí)調(diào)整室內(nèi)環(huán)境。煙霧濃度通過(guò)MQ2傳感器檢測(cè)，當(dāng)煙霧濃度超限時(shí)觸發(fā)報(bào)警，及時(shí)預(yù)警潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為家庭安全提供額外保障。這些功能的加入，不僅豐富了裝置的應(yīng)用場(chǎng)景，還顯著提升了用戶(hù)的安全感。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和遠(yuǎn)程管理，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。裝置通過(guò)WIFI模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，利用MQTT協(xié)議與華為云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器通信。所有數(shù)據(jù)，包括電路參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和報(bào)警信息，都將實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器。用戶(hù)可通過(guò)Android手機(jī)APP查看這些數(shù)據(jù)，APP采用Qt開(kāi)發(fā)，提供直觀的用戶(hù)界面和高效的交互方式。此外，APP還支持遠(yuǎn)程操作，包括線(xiàn)路開(kāi)關(guān)控制、參數(shù)閾值設(shè)置等，極大地提升了用戶(hù)的便捷性和對(duì)設(shè)備的掌控能力。

數(shù)據(jù)展示方面，項(xiàng)目設(shè)計(jì)兼顧了遠(yuǎn)程和本地兩種場(chǎng)景。在遠(yuǎn)程端，手機(jī)APP提供波形和數(shù)字兩種顯示方式，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)用電數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析需求。在本地端，使用0.96英寸OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)的所有數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)直觀了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。此外，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和展示功能，使用戶(hù)能夠回顧和分析各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，幫助優(yōu)化用電習(xí)慣。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)計(jì)中采用了模塊化思路，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，互不干擾。例如，電路監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊分別設(shè)計(jì)和測(cè)試，在主控芯片的統(tǒng)一管理下協(xié)調(diào)運(yùn)行。這樣不僅簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，還提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。

整體設(shè)計(jì)還充分考慮了設(shè)備的安全性。通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合，裝置在檢測(cè)到電路超載或煙霧超標(biāo)時(shí)，能迅速切斷電源并發(fā)出警報(bào)，最大程度降低風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警提醒，讓用戶(hù)即使不在家中也能及時(shí)掌握安全狀況。綜合以上設(shè)計(jì)思路，本項(xiàng)目不僅滿(mǎn)足了現(xiàn)代家庭對(duì)電路保護(hù)的基本需求，還通過(guò)智能化手段提升了用戶(hù)體驗(yàn)，為建設(shè)更加安全、舒適和節(jié)能的家庭環(huán)境提供了可靠的技術(shù)支持。

1.3 系統(tǒng)功能總結(jié)

當(dāng)前項(xiàng)目使用的相關(guān)軟件工具、模塊源碼已經(jīng)上傳到網(wǎng)盤(pán)：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

1.4 開(kāi)發(fā)工具的選擇

【1】設(shè)備端開(kāi)發(fā)

STM32的編程語(yǔ)言選擇C語(yǔ)言，C語(yǔ)言執(zhí)行效率高，大學(xué)里主學(xué)的C語(yǔ)言，C語(yǔ)言編譯出來(lái)的可執(zhí)行文件最接近于機(jī)器碼，匯編語(yǔ)言執(zhí)行效率最高，但是匯編的移植性比較差，目前在一些操作系統(tǒng)內(nèi)核里還有一些低配的單片機(jī)使用的較多，平常的單片機(jī)編程還是以C語(yǔ)言為主。C語(yǔ)言的執(zhí)行效率僅次于匯編，語(yǔ)法理解簡(jiǎn)單、代碼通用性強(qiáng)，也支持跨平臺(tái)，在嵌入式底層、單片機(jī)編程里用的非常多，當(dāng)前的設(shè)計(jì)就是采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

開(kāi)發(fā)工具選擇Keil，keil是一家世界領(lǐng)先的嵌入式微控制器軟件開(kāi)發(fā)商，在2015年，keil被ARM公司收購(gòu)。因?yàn)楫?dāng)前芯片選擇的是STM32F103系列，STMF103是屬于ARM公司的芯片構(gòu)架、Cortex-M3內(nèi)核系列的芯片，所以使用Kile來(lái)開(kāi)發(fā)STM32是有先天優(yōu)勢(shì)的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科書(shū)里都是以keil來(lái)教學(xué)，開(kāi)發(fā)51單片機(jī)、STM32單片機(jī)等等。目前作為MCU芯片開(kāi)發(fā)的軟件也不只是keil一家獨(dú)大，IAR在MCU微處理器開(kāi)發(fā)領(lǐng)域里也使用的非常多，IAR擴(kuò)展性更強(qiáng)，也支持STM32開(kāi)發(fā)，也支持其他芯片，比如：CC2530,51單片機(jī)的開(kāi)發(fā)。從軟件的使用上來(lái)講，IAR比keil更加簡(jiǎn)潔，功能相對(duì)少一些。如果之前使用過(guò)keil，而且使用頻率較多，已經(jīng)習(xí)慣再使用IAR是有點(diǎn)不適應(yīng)界面的。

【2】上位機(jī)開(kāi)發(fā)

上位機(jī)的開(kāi)發(fā)選擇Qt框架，編程語(yǔ)言采用C++；Qt是一個(gè)1991年由Qt Company開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)C++圖形用戶(hù)界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架。它既可以開(kāi)發(fā)GUI程序，也可用于開(kāi)發(fā)非GUI程序，比如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展（稱(chēng)為元對(duì)象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。Qt能輕松創(chuàng)建具有原生C++性能的連接設(shè)備、用戶(hù)界面（UI）和應(yīng)用程序。它功能強(qiáng)大且結(jié)構(gòu)緊湊，擁有直觀的工具和庫(kù)。

二、部署華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

華為云官網(wǎng): https://www.huaweicloud.com/

打開(kāi)官網(wǎng)，搜索物聯(lián)網(wǎng)，就能快速找到 設(shè)備接入IoTDA。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)介紹

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（IoT 設(shè)備接入云服務(wù)）提供海量設(shè)備的接入和管理能力，將物理設(shè)備聯(lián)接到云，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，配合華為云其他產(chǎn)品，幫助我們快速構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入；同時(shí)提供強(qiáng)大的開(kāi)放能力，支撐行業(yè)用戶(hù)構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

設(shè)備可以通過(guò)固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協(xié)議將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)到平臺(tái)，平臺(tái)也可以將控制命令下發(fā)給設(shè)備。

業(yè)務(wù)應(yīng)用通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

2.2 開(kāi)通物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

地址： https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

點(diǎn)擊立即創(chuàng)建。

正在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)版實(shí)例，需要等待片刻。

創(chuàng)建完成之后，點(diǎn)擊實(shí)例名稱(chēng)。 可以看到標(biāo)準(zhǔn)版實(shí)例的設(shè)備接入端口和地址。

在上面也能看到 免費(fèi)單元的限制。

開(kāi)通之后，點(diǎn)擊總覽，也能查看接入信息。 我們當(dāng)前設(shè)備準(zhǔn)備采用MQTT協(xié)議接入華為云平臺(tái)，這里可以看到MQTT協(xié)議的地址和端口號(hào)等信息。

總結(jié):

端口號(hào)：   MQTT (1883)| MQTTS (8883)	
接入地址：ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

**根據(jù)域名地址得到IP地址信息: **

打開(kāi)Windows電腦的命令行控制臺(tái)終端，使用ping 命令。ping一下即可。

Microsoft Windows [版本 10.0.19045.4170]
(c) Microsoft Corporation。保留所有權(quán)利。

C:Users11266 >ping ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

正在 Ping ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com [117.78.5.125] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來(lái)自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=35ms TTL=93
來(lái)自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=36ms TTL=93
來(lái)自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=36ms TTL=93
來(lái)自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=39ms TTL=93

117.78.5.125 的 Ping 統(tǒng)計(jì)信息:
    數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計(jì)時(shí)間(以毫秒為單位):
    最短 = 35ms，最長(zhǎng) = 39ms，平均 = 36ms

C:Users11266 >

MQTT協(xié)議接入端口號(hào)有兩個(gè)，1883是非加密端口，8883是證書(shū)加密端口，單片機(jī)無(wú)法加載證書(shū)，所以使用1883端口比較合適。 接下來(lái)的ESP8266就采用1883端口連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2.3 創(chuàng)建產(chǎn)品

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品

（2）填寫(xiě)產(chǎn)品信息

根據(jù)自己產(chǎn)品名字填寫(xiě)，下面的設(shè)備類(lèi)型選擇自定義類(lèi)型。

（3）產(chǎn)品創(chuàng)建成功

創(chuàng)建完成之后點(diǎn)擊查看詳情。

（4）添加自定義模型

產(chǎn)品創(chuàng)建完成之后，點(diǎn)擊進(jìn)入產(chǎn)品詳情頁(yè)面，翻到最下面可以看到模型定義。

模型簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)： 就是存放設(shè)備上傳到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)。

你可以根據(jù)自己的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)建。

比如：

煙霧可以叫  MQ2
溫度可以叫  Temperature
濕度可以叫  humidity
火焰可以叫  flame
其他的傳感器自己用單詞簡(jiǎn)寫(xiě)命名即可。 這就是你的單片機(jī)設(shè)備端上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)名字。

先點(diǎn)擊自定義模型。

再創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)ID。

接著點(diǎn)擊新增屬性。

2.4 添加設(shè)備

產(chǎn)品是屬于上層的抽象模型，接下來(lái)在產(chǎn)品模型下添加實(shí)際的設(shè)備。添加的設(shè)備最終需要與真實(shí)的設(shè)備關(guān)聯(lián)在一起，完成數(shù)據(jù)交互。

（1）注冊(cè)設(shè)備

（2）根據(jù)自己的設(shè)備填寫(xiě)

（3）保存設(shè)備信息

創(chuàng)建完畢之后，點(diǎn)擊保存并關(guān)閉，得到創(chuàng)建的設(shè)備密匙信息。該信息在后續(xù)生成MQTT三元組的時(shí)候需要使用。

（4）設(shè)備創(chuàng)建完成

（5）設(shè)備詳情

2.5 MQTT協(xié)議主題訂閱與發(fā)布

（1）MQTT協(xié)議介紹

當(dāng)前的設(shè)備是采用MQTT協(xié)議與華為云平臺(tái)進(jìn)行通信。

MQTT是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT是專(zhuān)門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對(duì)低帶寬網(wǎng)絡(luò)，低計(jì)算能力的設(shè)備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。目前MQTT擁有各種平臺(tái)和設(shè)備上的客戶(hù)端，已經(jīng)形成了初步的生態(tài)系統(tǒng)。

MQTT是一種消息隊(duì)列協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合，相對(duì)于其他協(xié)議，開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單；MQTT協(xié)議是工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；所以，只要具備TCP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以使用MQTT協(xié)議。 本次設(shè)備采用的ESP8266就具備TCP協(xié)議棧，能夠建立TCP連接，所以，配合STM32代碼里封裝的MQTT協(xié)議，就可以與華為云平臺(tái)完成通信。

華為云的MQTT協(xié)議接入幫助文檔在這里: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

業(yè)務(wù)流程：

（2）華為云平臺(tái)MQTT協(xié)議使用限制

（3）主題訂閱格式

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

對(duì)于設(shè)備而言，一般會(huì)訂閱平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備 這個(gè)主題。

設(shè)備想接收平臺(tái)下發(fā)的消息，就需要訂閱平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備 的主題，訂閱后，平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備，設(shè)備就會(huì)收到消息。

如果設(shè)備想要知道平臺(tái)下發(fā)的消息，需要訂閱上面圖片里標(biāo)注的主題。

以當(dāng)前設(shè)備為例，最終訂閱主題的格式如下:
$oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
    
最終的格式:
$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/messages/down

（4）主題發(fā)布格式

對(duì)于設(shè)備來(lái)說(shuō)，主題發(fā)布表示向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)，將最新的傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)上傳到云平臺(tái)。

這個(gè)操作稱(chēng)為：屬性上報(bào)。

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

根據(jù)幫助文檔的介紹， 當(dāng)前設(shè)備發(fā)布主題，上報(bào)屬性的格式總結(jié)如下：

發(fā)布的主題格式:
$oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
 
最終的格式:
$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/properties/report
發(fā)布主題時(shí)，需要上傳數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)格式是JSON格式。

上傳的JSON數(shù)據(jù)格式如下:

{
  "services": [
    {
      "service_id": < 填服務(wù)ID >,
      "properties": {
        "< 填屬性名稱(chēng)1 >": < 填屬性值 >,
        "< 填屬性名稱(chēng)2 >": < 填屬性值 >,
        ..........
      }
    }
  ]
}
根據(jù)JSON格式，一次可以上傳多個(gè)屬性字段。 這個(gè)JSON格式里的，服務(wù)ID，屬性字段名稱(chēng)，屬性值類(lèi)型，在前面創(chuàng)建產(chǎn)品的時(shí)候就已經(jīng)介紹了，不記得可以翻到前面去查看。

根據(jù)這個(gè)格式，組合一次上傳的屬性數(shù)據(jù):
{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":30,"DHT11_H":10,"BH1750":1,"MQ135":0}}]}

2.6 MQTT三元組

MQTT協(xié)議登錄需要填用戶(hù)ID，設(shè)備ID，設(shè)備密碼等信息，就像我們平時(shí)登錄QQ，微信一樣要輸入賬號(hào)密碼才能登錄。MQTT協(xié)議登錄的這3個(gè)參數(shù)，一般稱(chēng)為MQTT三元組。

接下來(lái)介紹，華為云平臺(tái)的MQTT三元組參數(shù)如何得到。

（1）MQTT服務(wù)器地址

要登錄MQTT服務(wù)器，首先記得先知道服務(wù)器的地址是多少，端口是多少。

幫助文檔地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

MQTT協(xié)議的端口支持1883和8883，它們的區(qū)別是：8883 是加密端口更加安全。但是單片機(jī)上使用比較困難，所以當(dāng)前的設(shè)備是采用1883端口進(jìn)連接的。

根據(jù)上面的域名和端口號(hào)，得到下面的IP地址和端口號(hào)信息： 如果設(shè)備支持填寫(xiě)域名可以直接填域名，不支持就直接填寫(xiě)IP地址。 （IP地址就是域名解析得到的）

華為云的MQTT服務(wù)器地址：117.78.5.125
華為云的MQTT端口號(hào)：1883

如何得到IP地址？如何域名轉(zhuǎn)IP？ 打開(kāi)Windows的命令行輸入以下命令。

ping  ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

（2）生成MQTT三元組

華為云提供了一個(gè)在線(xiàn)工具，用來(lái)生成MQTT鑒權(quán)三元組： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打開(kāi)這個(gè)工具，填入設(shè)備的信息（也就是剛才創(chuàng)建完設(shè)備之后保存的信息），點(diǎn)擊生成，就可以得到MQTT的登錄信息了。

下面是打開(kāi)的頁(yè)面：

填入設(shè)備的信息： （上面兩行就是設(shè)備創(chuàng)建完成之后保存得到的）

直接得到三元組信息。

得到三元組之后，設(shè)備端通過(guò)MQTT協(xié)議登錄鑒權(quán)的時(shí)候，填入?yún)?shù)即可。

ClientId  663cb18871d845632a0912e7_dev1_0_0_2024050911
Username  663cb18871d845632a0912e7_dev1
Password  71b82deae83e80f04c4269b5bbce3b2fc7c13f610948fe210ce18650909ac237

2.7 模擬設(shè)備登錄測(cè)試

經(jīng)過(guò)上面的步驟介紹，已經(jīng)創(chuàng)建了產(chǎn)品，設(shè)備，數(shù)據(jù)模型，得到MQTT登錄信息。 接下來(lái)就用MQTT客戶(hù)端軟件模擬真實(shí)的設(shè)備來(lái)登錄平臺(tái)。測(cè)試與服務(wù)器通信是否正常。

（1）填入登錄信息

打開(kāi)MQTT客戶(hù)端軟件，對(duì)號(hào)填入相關(guān)信息（就是上面的文本介紹）。然后，點(diǎn)擊登錄，訂閱主題，發(fā)布主題。

（2）打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)查看

完成上面的操作之后，打開(kāi)華為云網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)，可以看到設(shè)備已經(jīng)在線(xiàn)了。

點(diǎn)擊詳情頁(yè)面，可以看到上傳的數(shù)據(jù)：

到此，云平臺(tái)的部署已經(jīng)完成，設(shè)備已經(jīng)可以正常上傳數(shù)據(jù)了。

（3）MQTT登錄測(cè)試參數(shù)總結(jié)

MQTT服務(wù)器:  117.78.5.125
MQTT端口號(hào):  183

//物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)備信息
#define MQTT_ClientID "663cb18871d845632a0912e7_dev1_0_0_2024050911"
#define MQTT_UserName "663cb18871d845632a0912e7_dev1"
#define MQTT_PassWord "71b82deae83e80f04c4269b5bbce3b2fc7c13f610948fe210ce18650909ac237"

//訂閱與發(fā)布的主題
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/messages/down"  //訂閱
#define POST_TOPIC "$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/properties/report"  //發(fā)布


發(fā)布的數(shù)據(jù):
{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":30,"DHT11_H":10,"BH1750":1,"MQ135":0}}]}

2.8 創(chuàng)建IAM賬戶(hù)

創(chuàng)建一個(gè)IAM賬戶(hù)，因?yàn)榻酉聛?lái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)，需要使用云平臺(tái)的API接口，這些接口都需要token進(jìn)行鑒權(quán)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是身份的認(rèn)證。 調(diào)用接口獲取Token時(shí)，就需要填寫(xiě)IAM賬號(hào)信息。所以，接下來(lái)演示一下過(guò)程。

地址: https://console.huaweicloud.com/iam/?region=cn-north-4#/iam/users

**【1】獲取項(xiàng)目憑證 ** 點(diǎn)擊左上角用戶(hù)名，選擇下拉菜單里的我的憑證

項(xiàng)目憑證:

28add376c01e4a61ac8b621c714bf459

【2】創(chuàng)建IAM用戶(hù)

鼠標(biāo)放在左上角頭像上，在下拉菜單里選擇統(tǒng)一身份認(rèn)證。

點(diǎn)擊左上角創(chuàng)建用戶(hù)。

創(chuàng)建成功：

【3】創(chuàng)建完成

用戶(hù)信息如下：

主用戶(hù)名  l19504562721
IAM用戶(hù)  ds_abc
密碼     DS12345678

2.9 獲取影子數(shù)據(jù)

幫助文檔：https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0079.html

設(shè)備影子介紹：

設(shè)備影子是一個(gè)用于存儲(chǔ)和檢索設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息的JSON文檔。
每個(gè)設(shè)備有且只有一個(gè)設(shè)備影子，由設(shè)備ID唯一標(biāo)識(shí)
設(shè)備影子僅保存最近一次設(shè)備的上報(bào)數(shù)據(jù)和預(yù)期數(shù)據(jù)
無(wú)論該設(shè)備是否在線(xiàn)，都可以通過(guò)該影子獲取和設(shè)置設(shè)備的屬性

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：設(shè)備影子就是保存，設(shè)備最新上傳的一次數(shù)據(jù)。

我們?cè)O(shè)計(jì)的軟件里，如果想要獲取設(shè)備的最新?tīng)顟B(tài)信息，就采用設(shè)備影子接口。

如果對(duì)接口不熟悉，可以先進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試：https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=ShowDeviceShadow

在線(xiàn)調(diào)試接口，可以請(qǐng)求影子接口，了解請(qǐng)求，與返回的數(shù)據(jù)格式。

調(diào)試完成看右下角的響應(yīng)體，就是返回的影子數(shù)據(jù)。

設(shè)備影子接口返回的數(shù)據(jù)如下：

{
 "device_id": "663cb18871d845632a0912e7_dev1",
 "shadow": [
  {
   "service_id": "stm32",
   "desired": {
    "properties": null,
    "event_time": null
   },
   "reported": {
    "properties": {
     "DHT11_T": 18,
     "DHT11_H": 90,
     "BH1750": 38,
     "MQ135": 70
    },
    "event_time": "20240509T113448Z"
   },
   "version": 3
  }
 ]
}

調(diào)試成功之后，可以得到訪(fǎng)問(wèn)影子數(shù)據(jù)的真實(shí)鏈接，接下來(lái)的代碼開(kāi)發(fā)中，就采用Qt寫(xiě)代碼訪(fǎng)問(wèn)此鏈接，獲取影子數(shù)據(jù)，完成上位機(jī)開(kāi)發(fā)。

鏈接如下：

https://ad635970a1.st1.iotda-app.cn-north-4.myhuaweicloud.com:443/v5/iot/28add376c01e4a61ac8b621c714bf459/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/shadow

三、上位機(jī)開(kāi)發(fā)（C++版）

為了方便查看設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，接下來(lái)利用Qt開(kāi)發(fā)一款A(yù)ndroid手機(jī)APP 和 Windows上位機(jī)。

使用華為云平臺(tái)提供的API接口獲取設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化顯示，以及遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

3.1 Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝

Qt的中文官網(wǎng)： https://www.qt.io/zh-cn/

QT5.12.6的下載地址：https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6

打開(kāi)下載鏈接后選擇下面的版本進(jìn)行下載：

如果下載不了，可以在網(wǎng)盤(pán)里找到安裝包下載： 飛書(shū)文檔記錄的網(wǎng)盤(pán)地址：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

軟件安裝時(shí)斷網(wǎng)安裝，否則會(huì)提示輸入賬戶(hù)。

安裝的時(shí)候，第一個(gè)復(fù)選框里的編譯器可以全選，直接點(diǎn)擊下一步繼續(xù)安裝。

選擇編譯器： （一定要看清楚了）

3.2 新建上位機(jī)工程

前面2講解了需要用的API接口，接下來(lái)就使用Qt設(shè)計(jì)上位機(jī)，設(shè)計(jì)界面，完成整體上位機(jī)的邏輯設(shè)計(jì)。

【1】新建工程

【2】設(shè)置項(xiàng)目的名稱(chēng)。

【3】選擇編譯系統(tǒng)

【4】選擇默認(rèn)繼承的類(lèi)

【5】選擇編譯器

【6】點(diǎn)擊完成

【7】工程創(chuàng)建完成

3.3 切換編譯器

在左下角是可以切換編譯器的。 可以選擇用什么樣的編譯器編譯程序。

目前新建工程的時(shí)候選擇了2種編譯器。 一種是mingw32這個(gè)編譯Windows下運(yùn)行的程序。 一種是Android編譯器，可以生成Android手機(jī)APP。

不過(guò)要注意：Android的編譯器需要配置一些環(huán)境才可以正常使用，這個(gè)大家可以網(wǎng)上找找教程配置一下就行了。

比如：https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/117254453

windows的編譯器就沒(méi)有這么麻煩，安裝好Qt就可以編譯使用。

下面我這里就選擇的 mingw32這個(gè)編譯器，編譯Windows下運(yùn)行的程序。

3.4 編譯測(cè)試功能

創(chuàng)建完畢之后，編譯測(cè)試一下功能是否OK。

點(diǎn)擊左下角的綠色三角形按鈕。

正常運(yùn)行就可以看到彈出一個(gè)白色的框框。這就表示工程環(huán)境沒(méi)有問(wèn)題了。 接下來(lái)就可以放心的設(shè)計(jì)界面了。

3.5 設(shè)計(jì)UI界面與工程配置

【1】打開(kāi)UI文件

打開(kāi)默認(rèn)的界面如下：

【2】開(kāi)始設(shè)計(jì)界面

根據(jù)自己需求設(shè)計(jì)界面。

3.6 編譯Windows上位機(jī)

點(diǎn)擊軟件左下角的綠色三角形按鈕進(jìn)行編譯運(yùn)行。

3.7 配置Android環(huán)境

如果想編譯Android手機(jī)APP，必須要先自己配置好自己的Android環(huán)境。（搭建環(huán)境的過(guò)程可以自行百度搜索學(xué)習(xí)）

然后才可以進(jìn)行下面的步驟。

【1】選擇Android編譯器

【2】創(chuàng)建Android配置文件

創(chuàng)建完成。

【3】配置Android圖標(biāo)與名稱(chēng)

【3】編譯Android上位機(jī)

Qt本身是跨平臺(tái)的，直接選擇Android的編譯器，就可以將程序編譯到Android平臺(tái)。

然后點(diǎn)擊構(gòu)建。

成功之后，在目錄下可以看到生成的apk文件，也就是Android手機(jī)的安裝包，電腦端使用QQ發(fā)送給手機(jī)QQ,手機(jī)登錄QQ接收，就能直接安裝。

生成的apk的目錄在哪里呢？ 編譯完成之后，在控制臺(tái)會(huì)輸出APK文件的路徑。

知道目錄在哪里之后，在Windows的文件資源管理器里，找到路徑，具體看下圖，找到生成的apk文件。

四、PyQt5（Python版）

4.1 安裝PyQt5

在Python中安裝PyQt庫(kù)非常簡(jiǎn)單，可以使用pip這個(gè)包管理工具來(lái)完成。PyQt有兩個(gè)主要版本：PyQt5（基于Qt 5）和PyQt6（基于Qt 6）。

我這里安裝Qt5，以Qt5為例進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

要安裝PyQt5，打開(kāi)命令行界面，然后運(yùn)行以下命令：

pip install PyQt5

安裝過(guò)程中：

安裝完畢。

4.2 安裝QtDesigner

如果想使用PyQt5的設(shè)計(jì)工具（Qt Designer），用圖形方式設(shè)計(jì)界面，可以安裝pyqt5-tools：

pip install pyqt5-tools

安裝過(guò)程如下：

安裝過(guò)程中

安裝完畢。

4.3 測(cè)試Qt環(huán)境

安裝完成后，先寫(xiě)一份測(cè)試代碼，創(chuàng)建一個(gè)窗口，運(yùn)行測(cè)試Qt環(huán)境是否正常。

新建一個(gè)文件:hello_pyqt.py

編寫(xiě)代碼如下：

import sys
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget  # 如果使用PyQt6，這里改為 from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QWidget

app = QApplication(sys.argv)

window = QWidget()
window.setWindowTitle('Hello PyQt')
window.show()

sys.exit(app.exec_())

在終端命令行中運(yùn)行：

python hello_pyqt.py

如果一切正常，應(yīng)該能看到一個(gè)標(biāo)題為Hello PyQt的空白窗口。這表明PyQt已經(jīng)成功安裝并且可以正常使用了。

4.4 設(shè)計(jì)代碼

用 PyQt5 展示了獲取數(shù)據(jù)后如何構(gòu)建圖形界面，實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度、煙霧濃度、電壓、電流、功率的數(shù)值及其波形圖。

安裝依賴(lài)：

pip install pyqt5 pyqtchart

完整代碼

import sys
import random
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow, QLabel, QVBoxLayout, QWidget
from PyQt5.QtChart import QChart, QChartView, QLineSeries
from PyQt5.QtCore import QTimer, QPointF


class DataFetcher:
    """模擬從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)的類(lèi)"""
    def get_data(self):
        """獲取模擬數(shù)據(jù)"""
        return {
            "temperature": random.uniform(20.0, 30.0),
            "humidity": random.uniform(40.0, 60.0),
            "smoke_level": random.randint(200, 400),
            "voltage": random.uniform(220.0, 240.0),
            "current": random.uniform(5.0, 15.0),
            "power": random.uniform(500, 2000)
        }


class MainWindow(QMainWindow):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setWindowTitle("Home Circuit Protection Monitor")

        # 初始化布局和標(biāo)簽
        self.temperature_label = QLabel("Temperature: 0 °C")
        self.humidity_label = QLabel("Humidity: 0 %")
        self.smoke_label = QLabel("Smoke: 0 ppm")
        self.voltage_label = QLabel("Voltage: 0 V")
        self.current_label = QLabel("Current: 0 A")
        self.power_label = QLabel("Power: 0 W")

        # 初始化波形圖
        self.voltage_chart, self.voltage_series = self.create_chart("Voltage Waveform")
        self.current_chart, self.current_series = self.create_chart("Current Waveform")
        self.power_chart, self.power_series = self.create_chart("Power Waveform")

        # 布局
        layout = QVBoxLayout()
        layout.addWidget(self.temperature_label)
        layout.addWidget(self.humidity_label)
        layout.addWidget(self.smoke_label)
        layout.addWidget(self.voltage_label)
        layout.addWidget(self.current_label)
        layout.addWidget(self.power_label)
        layout.addWidget(QChartView(self.voltage_chart))
        layout.addWidget(QChartView(self.current_chart))
        layout.addWidget(QChartView(self.power_chart))

        container = QWidget()
        container.setLayout(layout)
        self.setCentralWidget(container)

        # 初始化數(shù)據(jù)獲取器
        self.data_fetcher = DataFetcher()

        # 定時(shí)器，每秒刷新數(shù)據(jù)
        self.timer = QTimer()
        self.timer.timeout.connect(self.update_data)
        self.timer.start(1000)

        # 時(shí)間步計(jì)數(shù)
        self.time_step = 0

    def create_chart(self, title):
        """創(chuàng)建一個(gè)帶有標(biāo)題的波形圖"""
        chart = QChart()
        chart.setTitle(title)
        series = QLineSeries()
        chart.addSeries(series)
        chart.createDefaultAxes()
        chart.axisX().setTitleText("Time")
        chart.axisY().setTitleText("Value")
        return chart, series

    def update_data(self):
        """更新界面和波形圖的數(shù)據(jù)"""
        data = self.data_fetcher.get_data()

        # 更新文本標(biāo)簽
        self.temperature_label.setText(f"Temperature: {data['temperature']:.1f} °C")
        self.humidity_label.setText(f"Humidity: {data['humidity']:.1f} %")
        self.smoke_label.setText(f"Smoke: {data['smoke_level']} ppm")
        self.voltage_label.setText(f"Voltage: {data['voltage']:.1f} V")
        self.current_label.setText(f"Current: {data['current']:.1f} A")
        self.power_label.setText(f"Power: {data['power']:.1f} W")

        # 更新波形圖
        self.update_chart(self.voltage_series, data['voltage'])
        self.update_chart(self.current_series, data['current'])
        self.update_chart(self.power_series, data['power'])

        self.time_step += 1

    def update_chart(self, series, value):
        """更新指定波形圖的數(shù)據(jù)"""
        series.append(QPointF(self.time_step, value))
        if series.count() > 100:  # 限制最大點(diǎn)數(shù)
            series.remove(0)


if __name__ == "__main__":
    app = QApplication(sys.argv)
    window = MainWindow()
    window.resize(800, 600)
    window.show()
    sys.exit(app.exec_())

五、STM32代碼開(kāi)發(fā)

當(dāng)前項(xiàng)目使用的相關(guān)軟件工具、傳感器代碼工程，已經(jīng)上傳到網(wǎng)盤(pán)：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

【1】完整代碼

下面是核心框架和主程序。

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "oled.h"
#include "buzzer.h"
#include "sht30.h"
#include "mq2.h"
#include "esp8266.h"
#include "power_monitor.h"

// 定義電流和功率閾值
#define CURRENT_THRESHOLD 15.0    // 15A
#define POWER_THRESHOLD 3000.0    // 3000W

// 煙霧濃度閾值
#define SMOKE_THRESHOLD 300       // 示例值

// 全局變量
float voltage = 0.0;
float current = 0.0;
float power = 0.0;
float energy = 0.0;
float temperature = 0.0;
float humidity = 0.0;
uint16_t smoke_level = 0;

// 警告標(biāo)志
uint8_t overcurrent_flag = 0;
uint8_t overpower_flag = 0;
uint8_t smoke_alarm_flag = 0;

// 初始化函數(shù)
void System_Init(void) {
    // 初始化串口
    USART_Init();
    
    // 初始化OLED顯示屏
    OLED_Init();
    
    // 初始化蜂鳴器
    Buzzer_Init();
    
    // 初始化環(huán)境溫濕度傳感器
    SHT30_Init();
    
    // 初始化煙霧傳感器
    MQ2_Init();
    
    // 初始化ESP8266 WiFi模塊
    ESP8266_Init();
    
    // 初始化電力參數(shù)采集模塊
    PowerMonitor_Init();
}

// 讀取傳感器數(shù)據(jù)
void Read_Sensors(void) {
    // 讀取電力參數(shù)
    PowerMonitor_Read(&voltage, ¤t, &power, &energy);
    
    // 讀取溫濕度
    SHT30_Read(&temperature, &humidity);
    
    // 讀取煙霧濃度
    smoke_level = MQ2_Read();
}

// 顯示數(shù)據(jù)到OLED
void Display_Data(void) {
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Voltage:");
    OLED_ShowFloat(56, 0, voltage, 1);
    OLED_ShowString(90, 0, "V");
    
    OLED_ShowString(0, 10, "Current:");
    OLED_ShowFloat(56, 10, current, 1);
    OLED_ShowString(90, 10, "A");
    
    OLED_ShowString(0, 20, "Power:");
    OLED_ShowFloat(56, 20, power, 1);
    OLED_ShowString(90, 20, "W");
    
    OLED_ShowString(0, 30, "Temp:");
    OLED_ShowFloat(56, 30, temperature, 1);
    OLED_ShowString(90, 30, "C");
    
    OLED_ShowString(0, 40, "Humi:");
    OLED_ShowFloat(56, 40, humidity, 1);
    OLED_ShowString(90, 40, "%");
    
    OLED_ShowString(0, 50, "Smoke:");
    OLED_ShowNumber(56, 50, smoke_level);
    OLED_Refresh();
}

// 檢查報(bào)警條件
void Check_Alarm(void) {
    overcurrent_flag = (current > CURRENT_THRESHOLD);
    overpower_flag = (power > POWER_THRESHOLD);
    smoke_alarm_flag = (smoke_level > SMOKE_THRESHOLD);
    
    if (overcurrent_flag || overpower_flag || smoke_alarm_flag) {
        Buzzer_On(); // 啟動(dòng)蜂鳴器
    } else {
        Buzzer_Off(); // 關(guān)閉蜂鳴器
    }
}

// 上傳數(shù)據(jù)到云端
void Upload_Data(void) {
    char mqtt_message[256];
    sprintf(mqtt_message, 
        "{ "voltage": %.1f, "current": %.1f, "power": %.1f, "
        ""temperature": %.1f, "humidity": %.1f, "smoke": %d }",
        voltage, current, power, temperature, humidity, smoke_level);
    
    ESP8266_MQTT_Publish("home/protection", mqtt_message);
}

// 主程序
int main(void) {
    System_Init(); // 系統(tǒng)初始化
    
    while (1) {
        Read_Sensors();    // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
        Display_Data();    // 顯示數(shù)據(jù)到OLED
        Check_Alarm();     // 檢查是否報(bào)警
        Upload_Data();     // 上傳數(shù)據(jù)到云端
    }
}

【2】說(shuō)明

1. 模塊初始化 ：
   • 初始化所有必要的模塊，包括串口、OLED、蜂鳴器、傳感器和WiFi模塊。
2. 傳感器讀取 ：
   • 通過(guò)調(diào)用子模塊的接口，獲取電力參數(shù)、溫濕度以及煙霧濃度。
3. 數(shù)據(jù)展示 ：
   • 使用OLED顯示屏展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
4. 報(bào)警檢查 ：
   • 比較測(cè)量值與設(shè)定的閾值，如果超出范圍，激活蜂鳴器報(bào)警。
5. 數(shù)據(jù)上傳 ：
   • 通過(guò)ESP8266模塊，利用MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
6. 主循環(huán) ：
   • 循環(huán)讀取數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、檢查報(bào)警和上傳云端數(shù)據(jù)。

六、總結(jié)

在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款基于單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能居家電路保護(hù)裝置。這一裝置不僅解決了傳統(tǒng)家庭電路保護(hù)方案中信息反饋不足、管理粗放的問(wèn)題，還通過(guò)引入先進(jìn)的傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭用電情況的精細(xì)化管理和全方位監(jiān)控。該裝置安裝于家庭總電表輸出端，能夠支持多達(dá)20路獨(dú)立線(xiàn)路的連接，并為每一路提供電壓、電流和功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)。

通過(guò)集成高精度的電力參數(shù)采集模塊，裝置可以準(zhǔn)確地測(cè)量并分析各線(xiàn)路的用電數(shù)據(jù)，確保了監(jiān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。一旦檢測(cè)到異常情況，如電流或功率超過(guò)設(shè)定閾值，系統(tǒng)會(huì)立即采取行動(dòng)：切斷電源以防止?jié)撛诘陌踩鹿剩⑼ㄟ^(guò)本地蜂鳴器發(fā)出警報(bào)提醒用戶(hù)。同時(shí)，借助內(nèi)置的WIFI模塊，所有狀態(tài)信息都可以上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶(hù)無(wú)論身處何地，只需打開(kāi)手機(jī)上的Android應(yīng)用程序，即可查看家中的用電狀況，了解歷史變化趨勢(shì)，并可查看以波形或數(shù)字形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)這個(gè)應(yīng)用程序，用戶(hù)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，例如恢復(fù)被切斷的電源或者調(diào)整報(bào)警閾值，極大地提升了用戶(hù)體驗(yàn)。

為了增強(qiáng)裝置的功能性與安全性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入了環(huán)境溫濕度傳感器SHT30和煙霧濃度檢測(cè)傳感器MQ2，它們分別用于監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境條件和空氣中的煙霧水平。這些額外的監(jiān)測(cè)功能進(jìn)一步提高了裝置對(duì)于突發(fā)狀況的響應(yīng)能力，使得它不僅僅是一個(gè)電路保護(hù)設(shè)備，更成為了一個(gè)智能家居生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。OLED顯示屏的應(yīng)用，則讓用戶(hù)無(wú)需依賴(lài)智能手機(jī)也能隨時(shí)掌握當(dāng)前的用電情況和其他關(guān)鍵信息，提供了更加直觀的操作體驗(yàn)。

在硬件選型方面，選擇了STM32F103RCT6作為主控芯片，它具備高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核，不僅滿(mǎn)足了復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)需求，也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。軟件開(kāi)發(fā)采用了Keil5工具鏈進(jìn)行編程，結(jié)合C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，而Android應(yīng)用則使用Qt框架開(kāi)發(fā)，采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，確保了不同部分之間的無(wú)縫對(duì)接。整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，注重每一個(gè)細(xì)節(jié)，從選擇合適的元器件到優(yōu)化算法邏輯，力求打造出一個(gè)高效、可靠且易于使用的智能居家電路保護(hù)解決方案。

這款智能居家電路保護(hù)裝置集成了多種先進(jìn)技術(shù)，為用戶(hù)提供更加安全、便捷的家庭用電管理方式。它不僅是現(xiàn)代家居生活中不可或缺的安全保障工具，也是邁向智慧生活的一大步。隨著智能家居市場(chǎng)的不斷發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，我們相信，這一裝置將為更多家庭帶來(lái)安心、舒適的居住體驗(yàn)，并推動(dòng)智能家居領(lǐng)域向著更高層次發(fā)展。

審核編輯 黃宇