代码收藏家 湖南省物联网应用创新竞赛之技能赛——物联网技术在校园直饮水管理系统中的创新应用
物联网赛题
1.应用场景描述
直饮水在校园和公共场所到处可见，如校园教室楼、图书馆、体育馆、食堂和宿舍，以及公共场所如火车站、机场、购物中心、公园等。直饮水给我们学习、工作和生活带来很多便利。然而在直饮水广泛使用的同时，我们也面临如下问题:
到了一个陌生地方，如何知道哪里有水喝?
所供饮水设备是否工作正常?水质是否合格?
作为直饮水管理部门，如何快速、准确、方便了解所管控设备的状况?
基于物联网的校园直饮水管理系统让饮水、饮水人、饮水机、饮水管理和关注者等所有与“饮水”关联的人和物之间实现饮水信息相连相息。
2. 竞赛题目
不限平台，搭建基于物联网的校园直饮水管理系统。假设系统由直饮水机、后端服务器、前端应用终端、以及直饮水机专用巡检装置组成，各部分功能作用如下:
A. 直饮水机
设直饮水机组成和控制如图所示:
1) 每台饮水机有一个唯一的ID号， 如:ID1=2001 ID2=2002等;。
2) 饮水机可以读取学生校园卡 ( RFID卡，数量2个及以上)卡号CardNumber,只有当合法学生校园卡放置在读卡区(比赛场景仅要求读面到校园卡号，无需核实其合法性)，饮水机才提供饮水服务;
3) 每台饮水机有“复位”、“暂停”“正常”三种状态，其工作能被远皮远程后台控制: a)饮水机在 “复位”、“暂停”状态时不提供饮水服务，仅“正常状态提供饮水服务;
b) 饮水机每次上电后进入“复位"并向后台发送复位消息。后台收到复位消息后，自动执行:
向饮水机发送系统时钟(时分秒)，以帮助饮水机同步时间(饮水机后续计时可由本地处理);
根据系统设定情况向饮水机发出“正常”或“暂停”指令。
4) 常温水箱内部设有高水位(Wh)、 低水位(W1)检测传感器(竞赛场景可用接近开关、红外开关、微动开关、或按键等代替):
a. “正常”状态时，当水位低于Wl时自动启动加压水泵M (竞赛中用电机代替)，经M加压的高压水通过净化装置净化后流入常温水箱;当水位高于Wh时加压泵M停止工作。
b. 如果水位传感器状态指示:低于WI、同时高于Wh,判断为设备不正常，系统应提示设备故障(现场显示故障，蜂鸣器循环发“响0.4秒、停0.6秒”报警声，并向后台发出设备故障代码“Error1”);
5) TDS ( 水中固体物质含量指标，单位ppm)是衡量水质的一一个重要指标。TDS测定与测量探头设计、测量电路、被测水温、标定方法等因素相关，具体到水质测量一般可简化为水温和电压的测量。例如:
TDS=110*(Vcc-V)/V)*(1+0.02*(T-25))
是一款水质传感器的TDS计算公式。假设在水源(净化前)和常温水箱(净化后)两处测定TDS以监测饮水机工作状况和饮水水质情况，并假设被测水温T=25°C、水质测量电路供 电电压Vcc=5 (伏):
a. 水质计算公 式为:
水源水质: TDS1=110*((Vcc-V1)/V1)(V1不等于0时)
饮水水质: TDS2=110*(Vcc-V2)/V2) (V2 不等于0时)
式中: V1、V2为水源和常温水箱两处水质探测得到的电压(竞赛场景用电压代替)。b)当水质TDS2值大于100ppm表示饮水水质不合格(现场显示警告，蜂鸣器循环发“响0.1秒、停0.9秒”警告声，并向后台发出警告代码“Warning1");
6) 饮水量由流量计F (竞赛场景可用编码器、按键等代替，每一个转动量、或脉冲计数代表一定流量饮水)测定;
7) 热饮水加热器P (可用指示灯代替)受热饮水温度T2自动控制:
a) 供热饮水时，当T2低于设定值TH时加热、高于TH时停止加热。
b）TH可本地或经移动终端尚设定和改变。
8) 电磁水阀s1或s2 (竞赛中电磁水阀可用指示灯代替,设常温饮水和热饮水共用一个出水口，控制常温饮水或热饮水开闭，S1和S2不能同时“开”(即不能同时出常温水和热）。
9) 按键K1 (常温水)和K2 (热水)操控饮水机出水
a)停止出水(S1闭、S2闭)情况下:
按下K1出常温水，松开K1维持出常温水状态不变:
或按下K2出热水，松开K2维持出热水状态不变:
b) 出常温水(S1开、S2闭)时:
按下K1停止出水;
或按下K2转换成出热水;
c) 出热水(S1闭、S2开)时:
按下K1转换成出常温水;
或按下K2停止出水;
d) 一次出水量(流量计F计数值)超过一定流量值时，也自动停止出水。
10) 饮水机上能够显示(同时、分时、切换均可):
a) 本地时间(时分秒)
b) 水温(T1、T2)
c) 水质(TDS1、 TDS2)
11) 饮水机具备与后台服务器通信功能，将下列信息传到后台服务器供管理和应用:
a) 饮水机ID;
b) 饮水学生校园卡卡号(CardNumber);
c）饮水时间（时分秒）
d）饮水量
e）故障时设备故障代码“Error1”
f)警告时警告代码“Warning1”。
12) 挑战性功能1:当饮水机临时断电，本地或经移动终端设置的热水控制参数TH,在饮水机复电后仍然自动有效;
13) 挑战性功能2:当饮水机与后台服务器“断网”，联网后能够将“断网”期间发生的相关饮水事件数据不丢失地传送至后端服务器。竞赛申假设“断网”期间发生的饮水事件不小于2次。
B. 后端服务器
构建校园直饮水信息物联网后台服务器，支撑校园直饮水信息收集、储存、管理、应用。竞赛题目要求后台服务器:
1) 与各饮水机之间建立通信联系;
2) 收到某饮水机“复位”消息后，向饮水机回送系统时钟(时分秒) ，系统设定情况向饮水机发出正常”或“暂停”指令(参见A3.b）
3) 后台服务器数据或数据库包含:
a)饮水机位置信息， 如:
1D=2001位置:图书馆、或其它
1D-2002位置:教学楼、或其它
b)饮水机工作属性:
复位:(上电未与服务器连通时状态、不提供饮水服务)
暂停: (该饮水机因故暂停工作、不提供饮水服务)
正常: (该饮水机正常工作)
4) 接收、记录饮水机发出的各种饮水信息(参见A.11);
5) 给应用前端(移动端用户、计算机用户等)提供查询、统计和控制操作等。
C. 前端应用终端
校园直饮水信息系统前端应用如通过网络终端(如计算机)或移动终端(如智能手机App)提供的应用(竞赛作品简化，不区分饮水用户和管理用户)，要求:
1)选择实现:移动终端(智能手机App)或网络终端(网页浏览器)，二选一即可，移动终端优先;
2)应用终端上可修改后台服务器上饮水机工作属性(“正常”或“暂停”)。修改后，后台服务器应根据工作属性对饮水机进行同步控制;
3)应用终端上可查询全部饮水机(不少于2台)位置、工作状态及水质信息;4)应用终端上可查询某饮水机某段时间内输出的饮水总量;
5)应用终端上可查询某学生某段时间内在所有饮水机(不少于2台)上的饮水总量;6)饮水机“故障”、或“报警”时，应用终端上同步显示。
D. 巡检装置
专用于饮水机维护维修的移动装置。当巡检人员携带该巡检装置到达饮水机附近时，可与饮水机进行信息交互，方便维护维修人员快速了解饮水机状况，要求:
1)与饮水机之间不经过后台服务器、公共通信网络，仅巡检装置与饮水机之间现场点对点、无线方式通信;
2)巡检设备可显示连接的饮水机: ID 号，水质检测电压V1、V2,报警信息。
一、思维导图
1. 处理模块
以Stm32开发板作为中心节点，还要两块Stm32开发板作为子节点，外接多路传感器，分别采集实时数据，打印在oled显示屏上。
2. 服务器
可以选择Linux平台作为服务器，通过MQTT 将Stm32上采集到的数据发送至服务器上然后解析出数据，插入本地数据库。
3. Android或Web
①用Java spring boot+mysql开发Android，通过查看服务器中的数据库更新，发现异样可通过服务器进而控制Stm32端的操作。
②用uniapp+echarts开发Android，通过查看服务器中的数据库更新，发现异样可通过服务器进而控制Stm32端的操作。
③用vue +element +echarts来编写Web开发，通过查看服务器中的数据库更新，发现异样可通过服务器进而控制Stm32端的操作。
4. 巡检装置
外加一块Stm32板子，通过zigbee通信 查看各处理模块的状态
二、硬件选择
饮水机控制模块： 3块Stm32开发板，3块zigbee模块
冷、热水显示： 三色LED灯(红灯表示热水，绿灯表示冷水)
温度、湿度： DHT11
光照强度： BH1750
校园卡号： RFID
电泵：直流电机
通信模块： ESP8266
报警： 蜂鸣器
热冷水切换： 矩阵按键
电压、电流： ADC
显示屏：0.96寸OLED、串口助手、
三、STM32端
本篇采用的模块有：
RFID（串口通信)
ESP8266（串口通信）
zigbee（串口通信）
bh1750（IIC通信)
OLED（IIC通信）
Timer（调制电机速度）
Flash （断网重传）
Beep （报警）
LED （状态显示）
ADC （测电压）
Usart （数据传输）
Key （控制逻辑）
1. RFID
/*********接受到来自串口2的消息***************/
if(usart_recev2.end_flag == 1)
{
usart_recev2.end_flag = 0;
uint8_t i;
if(Send_ID_flag == 0)
{
status1 = RxCheckSum(usart_recev2.buf, usart_recev2.len); //对接收到的数据校验
status2 = usart_recev2.buf[4];
if ((usart_recev2.buf[0] == 0x01) && (usart_recev2.buf[2] == 0xa1)&&(status1 == STATUS_OK)&&(status2 == STATUS_OK)) //判断是否为读卡号返回的数据包
{
for(i=7;i<11;i++)
{
IDcard = IDcard<<8|usart_recev2.buf[i];
}
Send_ID_flag = 1;//读数据
printf_usart1("U2rec %08x, U3Send %s\r\n",IDcard,Send_Message);
}
else IDcard = 0;
}
else if(Send_ID_flag == 1)
{
status1 = RxCheckSum(usart_recev2.buf, usart_recev2.len); //对接收到的数据校验
status2 = usart_recev2.buf[4]; //获取返回包状态
if ((usart_recev2.buf[0] == 0x01) && (usart_recev2.buf[2] == 0xa3)&&(status1 == STATUS_OK)&&(status2 == STATUS_OK)) //判断是否为读块数据返回的数据包
{
IDdate[0] = usart_recev2.buf[5];
IDdate[1] = usart_recev2.buf[6];
printf_usart1("ID数据为：%d,%d\r\n",IDdate[0],IDdate[1]);
Send_ID_flag = 2;
}
if(IDdate[1] == 0x11)
{
if(IDdate[0] == 0x01) ID_state = 2;
else if(IDdate[0] == 0x00) ID_state = 1;
}
else ID_state = 3;
}
uart2_rec_buf_clean();
}2.zigbee–stm32代码
static uint8_t last_Sec,cont;
if(last_Sec!=GetTime.Seconds)
{
char message1[526];
if(++cont>=3)//3s发送一次
{
cont=0;
Message_flag ^= 1；
sprintf(Send_Message,Send_Message_Zigbee,\
Mode,\
LEDpwmA.LED_nt,\
LEDpwmA.LED_NF,\
ST,\
GetTime.Hours,\
GetTime.Minutes,\
GetTime.Seconds);
printf_usart3("%s",Send_Message);//发给协调器
printf_usart1("Uart3Send %s",Send_Message);//打印到串口查看是否错误
}
}3.bh1750
/**
* @brief 向BH1750发送一条指令
* @param cmd —— BH1750工作模式指令（在BH1750_MODE中枚举定义）
* @retval 成功返回HAL_OK
*/
static uint8_t BH1750_Send_Cmd(BH1750_MODE cmd)
{
return HAL_I2C_Master_Transmit(&bh1750_i2c, BH1750_ADDR_WRITE, (uint8_t*)&cmd, 1, 0xFFFF);
}
/**
* @brief 从BH1750接收一次光强数据
* @param dat —— 存储光照强度的地址（两个字节数组）
* @retval 成功 —— 返回HAL_OK
*/
static uint8_t BH1750_Read_Dat(uint8_t* dat)
{
return HAL_I2C_Master_Receive(&bh1750_i2c, BH1750_ADDR_READ, dat, 2, 0xFFFF);
}
/**
* @brief 将BH1750的两个字节数据转换为光照强度值（0-65535）
* @param dat —— 存储光照强度的地址（两个字节数组）
* @retval 成功 —— 返回光照强度值
*/
static uint16_t BH1750_Dat_To_Lux(uint8_t* dat)
{
uint16_t lux = 0;
lux = dat[0];
lux <<= 8;
lux |= dat[1];
lux = (int)(lux / 1.2);
return lux;
}
/**
* @brief 返回光照强度值
* @param 无
* @retval 成功 —— 返回光照强度值
*/
uint16_t Get_BH1750_Value(void)
{
uint8_t dat[2] = {0}; //dat[0]是高字节，dat[1]是低字节
uint16_t lux;
if(HAL_OK != BH1750_Send_Cmd(ONCE_H_MODE))
{
return 0;
}
HAL_Delay(120);
if(HAL_OK != BH1750_Read_Dat(dat))
{
return 0;
}
lux = BH1750_Dat_To_Lux(dat);
return lux;
}
4.OLED
void OLED_Init(void)
{
OLED_RES_Clr();
HAL_Delay(200);
OLED_RES_Set();
OLED_WR_Byte(0xAE,OLED_CMD);//--turn off oled panel
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);//---set low column address
OLED_WR_Byte(0x10,OLED_CMD);//---set high column address
OLED_WR_Byte(0x40,OLED_CMD);//--set start line address Set Mapping RAM Display Start Line (0x00~0x3F)
OLED_WR_Byte(0x81,OLED_CMD);//--set contrast control register
OLED_WR_Byte(0xCF,OLED_CMD);// Set SEG Output Current Brightness
OLED_WR_Byte(0xA1,OLED_CMD);//--Set SEG/Column Mapping 0xa0左右反置 0xa1正常
OLED_WR_Byte(0xC8,OLED_CMD);//Set COM/Row Scan Direction 0xc0上下反置 0xc8正常
OLED_WR_Byte(0xA6,OLED_CMD);//--set normal display
OLED_WR_Byte(0xA8,OLED_CMD);//--set multiplex ratio(1 to 64)
OLED_WR_Byte(0x3f,OLED_CMD);//--1/64 duty
OLED_WR_Byte(0xD3,OLED_CMD);//-set display offset Shift Mapping RAM Counter (0x00~0x3F)
OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);//-not offset
OLED_WR_Byte(0xd5,OLED_CMD);//--set display clock divide ratio/oscillator frequency
OLED_WR_Byte(0x80,OLED_CMD);//--set divide ratio, Set Clock as 100 Frames/Sec
OLED_WR_Byte(0xD9,OLED_CMD);//--set pre-charge period
OLED_WR_Byte(0xF1,OLED_CMD);//Set Pre-Charge as 15 Clocks & Discharge as 1 Clock
OLED_WR_Byte(0xDA,OLED_CMD);//--set com pins hardware configuration
OLED_WR_Byte(0x12,OLED_CMD);
OLED_WR_Byte(0xDB,OLED_CMD);//--set vcomh
OLED_WR_Byte(0x30,OLED_CMD);//Set VCOM Deselect Level
OLED_WR_Byte(0x20,OLED_CMD);//-Set Page Addressing Mode (0x00/0x01/0x02)
OLED_WR_Byte(0x02,OLED_CMD);//
OLED_WR_Byte(0x8D,OLED_CMD);//--set Charge Pump enable/disable
OLED_WR_Byte(0x14,OLED_CMD);//--set(0x10) disable
OLED_Clear();
OLED_WR_Byte(0xAF,OLED_CMD);
}5.ADC
/***********水质读取*************/
void Read_TDS(void)
{
if(ReadTDS_flag == 1)
{
ReadTDS_flag = 0;
HAL_ADC_Start(&hadc1); //启动ADC转换
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50); //等待转换完成，50为最大等待时间，单位为ms
if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1), HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
{
V1 = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); //获取AD值
V1=V1*3.3f/4096;
}
TDS1 = 100*((5-V1)/V1);
HAL_Delay(1000);
HAL_ADC_Start(&hadc2); //启动ADC转换
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 50); //等待转换完成，50为最大等待时间，单位为ms
if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc2), HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
{
V2 = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); //获取AD值
V2=V2*3.3f/4096;
V2 = (V2-0.6)*(3.3/2.7);
if(V2 < 0) V2 = 0;
}
if(V2 != 0)
TDS2 = 100*((5-V2)/V2);
if(TDS2 > 100)
{
Machine1.worn = 1;
}
else Machine1.worn = 0;
}
}6.zigbee数据传输
MT_UartInit(); //串口初始化
MT_UartRegisterTaskID(task_id); //注册串口任务
// P0SEL &= 0x7f; //P0_7配置成通用io
mytask_id = task_id;
RegisterForKeys(mytask_id);
MT_UartRegisterTaskID(mytask_id);
line = osal_msg_allocate(LEN);
len_rcv = 0;void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt )//接收
{
uint16 flashTime;
switch ( pkt->clusterId )
{
case SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID:
if ((SampleApp_NwkState == DEV_ZB_COORD))
{
HalUARTWrite(0, (pkt->cmd).Data, (pkt->cmd).DataLength); //输出接收到的数据
HalUARTWrite(0, "\r\n", 2); // 回车换行
}
break;
case SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:
HalUARTWrite(0, (pkt->cmd).Data, (pkt->cmd).DataLength);
break;
case SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID:
HalUARTWrite(0, (pkt->cmd).Data, (pkt->cmd).DataLength);
break;
}
}作者：Redemption
