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一、前言

1.1 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)里用到的全部工具軟件、模塊的源代碼都可以在這里下載（放在夸克網(wǎng)盤里了）。

https://pan.quark.cn/s/145a9b3f7f53

【1】項(xiàng)目開(kāi)發(fā)背景

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮某掷m(xù)增長(zhǎng)，煤炭作為重要的傳統(tǒng)能源之一，在許多國(guó)家和地區(qū)依然扮演著不可或缺的角色。然而，煤礦開(kāi)采作業(yè)由于其特殊的地下環(huán)境，常常伴隨著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，包括瓦斯爆炸、火災(zāi)、透水事故等。這些事故不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還可能引發(fā)長(zhǎng)期的環(huán)境問(wèn)題。因此，提高煤礦的安全管理水平，減少事故發(fā)生率，成為行業(yè)發(fā)展中需要解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展為礦井安全管理提供了新的解決方案。通過(guò)部署各種傳感器和智能設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，并采取有效的預(yù)防措施?；诖吮尘?，本項(xiàng)目提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的地下煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)智能化的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以增強(qiáng)礦井作業(yè)的安全性，提升應(yīng)急響應(yīng)速度，降低事故發(fā)生概率。

項(xiàng)目將重點(diǎn)放在以下幾個(gè)方面：

通過(guò)溫濕度傳感器和氣體傳感器對(duì)礦井內(nèi)的溫度、濕度以及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；

引入人體檢測(cè)傳感器來(lái)監(jiān)控人員活動(dòng)情況，確保在緊急情況下能夠迅速定位并救援被困人員；

采用OLED顯示屏在現(xiàn)場(chǎng)展示關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)NBIoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

開(kāi)發(fā)一套基于Qt的可視化大屏軟件界面，方便管理人員隨時(shí)查看礦井狀況，并作出快速?zèng)Q策。

通過(guò)上述措施，本項(xiàng)目致力于打造一個(gè)高效、可靠且易于操作的安全監(jiān)測(cè)體系，為礦工提供更加安全的工作環(huán)境，同時(shí)也為企業(yè)帶來(lái)更高的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

【2】華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

華為云IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是華為公司提供的一種全棧式、安全可靠的云服務(wù)，它能夠支持各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景和行業(yè)應(yīng)用。

（1） 全面連接能力 ：華為云IoT平臺(tái)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如MQTT, CoAP, HTTP等）以及廣泛的設(shè)備接入方式，可以實(shí)現(xiàn)不同種類的終端設(shè)備與云端的穩(wěn)定連接。

（2） 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力 ：平臺(tái)提供了豐富的數(shù)據(jù)處理功能，包括規(guī)則引擎、流式計(jì)算、消息路由等，能夠快速對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作或告警。

（3） 安全保障機(jī)制 ：通過(guò)采用端到端的安全架構(gòu)設(shè)計(jì)，華為云IoT平臺(tái)為用戶提供多層次的安全防護(hù)措施，確保從設(shè)備端到云端的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性。

（4） 靈活部署選項(xiàng) ：除了公共云之外，還支持私有云及混合云等多種部署模式，使得企業(yè)可以根據(jù)自身實(shí)際情況選擇最適合自己的解決方案。

（5） 開(kāi)放生態(tài)系統(tǒng) ：構(gòu)建了一個(gè)開(kāi)放的合作生態(tài)體系，不僅與其他華為產(chǎn)品和服務(wù)無(wú)縫集成，也兼容第三方系統(tǒng)和服務(wù)，便于開(kāi)發(fā)者基于此平臺(tái)開(kāi)發(fā)出更多創(chuàng)新的應(yīng)用和服務(wù)。

（6） 高效運(yùn)維管理 ：提供了一套完善的設(shè)備管理工具集，幫助用戶輕松完成設(shè)備生命周期內(nèi)的所有操作，如注冊(cè)、激活、配置更新、狀態(tài)監(jiān)控等。

（7） 全球服務(wù)能力 ：依托于華為在全球范圍內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施布局，該平臺(tái)能夠?yàn)槠髽I(yè)提供跨國(guó)界的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)支持。

對(duì)于基于物聯(lián)網(wǎng)的地下煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用華為云IoT平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，可以有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，同時(shí)簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，加快了項(xiàng)目上線速度。此外，通過(guò)運(yùn)用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和靈活的服務(wù)定制特性，還可以進(jìn)一步優(yōu)化安全管理策略，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。

【3】設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

• 使用DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)礦井內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，提醒工作人員采取相應(yīng)措施。

（2）瓦斯?jié)舛葯z測(cè)與自動(dòng)通風(fēng)控制

• 通過(guò)MQ5氣體傳感器監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)瓦斯（甲烷）的濃度。一旦瓦斯?jié)舛冗_(dá)到危險(xiǎn)水平，控制系統(tǒng)將激活繼電器開(kāi)關(guān)模塊，自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)風(fēng)扇以降低有害氣體濃度，并可能伴有聲音警報(bào)。

（3）人員存在檢測(cè)

• 利用紅外熱釋電人體感應(yīng)模塊檢測(cè)礦井內(nèi)是否有人。如果檢測(cè)到人員存在，系統(tǒng)將點(diǎn)亮指示燈，以此作為視覺(jué)提示，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員活動(dòng)的監(jiān)控。

（4）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

• 采用OLED顯示屏來(lái)展示當(dāng)前采集到的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，包括但不限于溫濕度、瓦斯?jié)舛鹊龋员阌诂F(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)了解礦井內(nèi)的實(shí)際情況。

（5）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳

• 通過(guò)BC26 NBIOT模塊將收集到的所有環(huán)境信息上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，允許遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，提高管理效率和響應(yīng)速度。

（6）可視化大屏界面

• 開(kāi)發(fā)了基于Qt框架的可視化大屏軟件界面，運(yùn)行在Windows電腦端。該界面可以接收并展示從設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，為管理人員提供一個(gè)直觀且易于操作的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和分析。

【4】項(xiàng)目硬件模塊組成

（1）主控芯片 - STM32F103RCT6

• 作為系統(tǒng)的核心處理器，負(fù)責(zé)處理來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制邏輯以及管理通信協(xié)議。

（2）溫濕度傳感器 - DHT11

• 用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。

（3）瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模塊 - MQ5氣體傳感器

• 專門用于檢測(cè)環(huán)境中甲烷等可燃?xì)怏w的濃度。一旦檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到危險(xiǎn)水平，會(huì)通過(guò)控制系統(tǒng)激活通風(fēng)設(shè)備以降低濃度，并觸發(fā)警報(bào)。

（4）人體檢測(cè)傳感器 - 紅外熱釋電模塊

• 通過(guò)感應(yīng)人體發(fā)出的紅外輻射來(lái)判斷區(qū)域內(nèi)是否有人存在，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控能力。

（5）顯示模塊 - SPI接口OLED顯示屏

• 提供一個(gè)直觀的用戶界面，用來(lái)顯示當(dāng)前采集到的溫濕度、瓦斯?jié)舛鹊汝P(guān)鍵信息。

（6）無(wú)線通信模塊 - BC26 NBIOT模塊

• 負(fù)責(zé)將收集到的各種環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)NBIoT網(wǎng)絡(luò)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

（7）蜂鳴器報(bào)警

• 在任何環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)的安全范圍時(shí)，蜂鳴器將被激活，發(fā)出聲音警報(bào)以提醒工作人員采取緊急措施。

（8）繼電器開(kāi)關(guān)模塊 - 電磁繼電器

• 根據(jù)主控芯片發(fā)送的指令控制外部設(shè)備如通風(fēng)風(fēng)扇的工作狀態(tài)，確保在必要時(shí)能夠迅速響應(yīng)。

（9）風(fēng)扇模塊 - 礦用通風(fēng)風(fēng)扇

• 當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^(guò)高時(shí)，通過(guò)繼電器控制自動(dòng)啟動(dòng)，以快速降低礦井內(nèi)有害氣體的濃度，保障人員安全。

（10）電源管理

• 包括為控制電路供電的5V 2A穩(wěn)壓電源及為風(fēng)扇等高功耗設(shè)備提供的市電供應(yīng)，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

（11）指示燈 - LED指示燈

• 用于視覺(jué)上提示系統(tǒng)狀態(tài)或特定事件的發(fā)生，比如當(dāng)檢測(cè)到人員存在時(shí)點(diǎn)亮指示燈。

1.2 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路基于對(duì)煤礦安全現(xiàn)狀的深入分析，在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)全面、智能且高效的地下煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。首先，我們認(rèn)識(shí)到礦井作業(yè)環(huán)境中存在的多種潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，如瓦斯積聚、溫濕度異常以及突發(fā)事故等，這些都可能直接威脅到礦工的生命安全。因此，設(shè)計(jì)之初就明確了系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的能力，并能夠快速響應(yīng)以降低風(fēng)險(xiǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)集成了多種傳感器來(lái)收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)。DHT11溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的溫度和濕度變化，這是評(píng)估工作環(huán)境舒適度及防止因極端條件引發(fā)事故的重要指標(biāo)。MQ5氣體傳感器則專注于檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋驗(yàn)橥咚故菍?dǎo)致煤礦爆炸的主要原因之一。當(dāng)這些傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出聲音警報(bào)，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)風(fēng)扇以稀釋有害氣體，從而迅速減輕潛在危險(xiǎn)。

考慮到礦井內(nèi)人員的安全管理同樣重要，系統(tǒng)還加入了紅外熱釋電人體感應(yīng)模塊，用以監(jiān)測(cè)是否有人員在場(chǎng)。這不僅有助于提高現(xiàn)場(chǎng)的安全意識(shí)，還能在緊急情況下幫助救援隊(duì)伍更快地定位被困人員。此外，OLED顯示屏被用來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)直觀展示各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保所有工作人員都能及時(shí)了解當(dāng)前的環(huán)境狀況。

為了讓管理者能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控礦井狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)采用了BC26 NBIoT模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。這種做法極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，使得即使不在現(xiàn)場(chǎng)也能隨時(shí)掌握最新情況。最后，為了提供更友好的用戶體驗(yàn)，我們使用Qt框架開(kāi)發(fā)了一款可視化大屏軟件界面，該界面運(yùn)行于Windows電腦端，可以清晰地呈現(xiàn)從設(shè)備上傳來(lái)的所有信息，便于管理人員做出及時(shí)有效的決策。

本項(xiàng)目通過(guò)集成先進(jìn)的傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)，打造了一個(gè)多層次的安全監(jiān)測(cè)體系。該體系不僅提升了煤礦作業(yè)的安全水平，也為實(shí)現(xiàn)智能化礦山管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)功能總結(jié)

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?，使用特殊的代碼生成擴(kuò)展（稱為元對(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)。

1.5 模塊的技術(shù)詳情介紹

【1】NBIOT-BC26模塊

NBIoT-BC26模塊是由Quectel（移遠(yuǎn)通信）生產(chǎn)的一款低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）模塊，專為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband Internet of Things, NB-IoT）應(yīng)用設(shè)計(jì)。這款模塊具有體積小、功耗低、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能計(jì)量、資產(chǎn)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

BC26模塊支持NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，這是3GPP定義的一種專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蜂窩技術(shù)。與傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT提供了更好的室內(nèi)覆蓋能力、更低的功耗以及更高的連接密度。這使得BC26模塊能夠在信號(hào)較弱或難以到達(dá)的地方保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。此外，NB-IoT還支持更深的穿透力和更長(zhǎng)的電池壽命，這對(duì)于部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)或需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備尤為重要。

該模塊采用LGA封裝，尺寸僅為19.9 x 23.6 x 2.2 mm，便于集成到各種小型化設(shè)備中。BC26模塊支持多種頻段，包括B1/B3/B5/B8/B20/B28等全球主流頻段，確保了廣泛的地域兼容性。模塊內(nèi)置了多種協(xié)議棧，如CoAP、TCP/UDP、MQTT等，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。通過(guò)這些協(xié)議棧，開(kāi)發(fā)者可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云端服務(wù)器之間的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)和命令下發(fā)。

在接口方面，BC26模塊提供了豐富的外設(shè)接口，包括UART、GPIO、ADC、SIM卡接口等。這些接口使得模塊能夠方便地與其他傳感器、控制器和其他外圍設(shè)備進(jìn)行連接。例如，通過(guò)UART接口，模塊可以直接與微控制器進(jìn)行通信；通過(guò)GPIO接口，可以控制外部設(shè)備或讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)；而SIM卡接口則允許使用標(biāo)準(zhǔn)SIM卡或eSIM卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證。

為了進(jìn)一步降低功耗，BC26模塊支持多種省電模式，如PSM（Power Saving Mode）和eDRX（Extended Discontinuous Reception）。這些模式可以在不需要持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)顯著降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命。在PSM模式下，模塊可以進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，僅在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)喚醒以檢查是否有新的數(shù)據(jù)傳輸需求。而在eDRX模式下，模塊會(huì)定期監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)消息，但相比于傳統(tǒng)DRX模式，其監(jiān)聽(tīng)間隔更長(zhǎng)，從而降低了功耗。

BC26模塊還具備強(qiáng)大的安全特性，支持多種加密算法和協(xié)議，如TLS/SSL、AES等，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾浴４送?，模塊支持FOTA（Firmware Over-The-Air）更新功能，可以通過(guò)無(wú)線方式對(duì)固件進(jìn)行升級(jí)，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和安全性。

NBIoT-BC26模塊以其小巧的體積、低功耗、廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及豐富的接口支持，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的理想選擇。無(wú)論是用于智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能城市還是其他需要長(zhǎng)期可靠連接的應(yīng)用場(chǎng)景，BC26都能提供穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

【2】MQ5傳感器

MQ5氣體傳感器是一種廣泛應(yīng)用于檢測(cè)多種可燃?xì)怏w的半導(dǎo)體氣體傳感器，特別適合于監(jiān)測(cè)甲烷（CH4）、液化石油氣（LPG）、丙烷、氫氣等。這種傳感器因其高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間和相對(duì)低廉的成本而在工業(yè)安全監(jiān)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在需要對(duì)易燃易爆氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境中。

MQ5的工作原理基于金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)。當(dāng)傳感器暴露在目標(biāo)氣體中時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致傳感器電阻發(fā)生變化。這一變化可以通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而被用來(lái)評(píng)估氣體濃度。通常情況下，MQ5傳感器會(huì)連接到一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路，并通過(guò)測(cè)量輸出電壓來(lái)判斷氣體的存在及其濃度。傳感器對(duì)不同氣體有不同的敏感度，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)所要檢測(cè)的具體氣體類型進(jìn)行校準(zhǔn)。

該傳感器的操作溫度范圍較寬，一般在-10°C至50°C之間，這使得它能夠在大多數(shù)礦井環(huán)境下正常工作。然而，為了獲得最佳性能，建議在使用前進(jìn)行預(yù)熱，以確保傳感器達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。預(yù)熱時(shí)間通常約為20分鐘，之后傳感器才能提供準(zhǔn)確可靠的讀數(shù)。

MQ5傳感器具有良好的穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的使用壽命，但需要注意的是，其性能可能會(huì)受到環(huán)境濕度和溫度的影響。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮這些因素并采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施。此外，由于MQ5傳感器主要針對(duì)可燃?xì)怏w設(shè)計(jì)，對(duì)于非可燃性氣體如一氧化碳或二氧化碳則不適用，所以在選擇傳感器時(shí)需要明確具體的應(yīng)用需求。

在本項(xiàng)目中，MQ5氣體傳感器將被用來(lái)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的瓦斯（主要是甲烷）濃度。一旦檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定的安全閾值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，降低礦井內(nèi)有害氣體的濃度，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，提醒工作人員采取必要的安全措施。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了礦井作業(yè)的安全性，也增強(qiáng)了事故預(yù)防的能力。

【4】DHT11傳感器

DHT11是一種廣泛使用的數(shù)字溫濕度傳感器，它能夠同時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度。這種傳感器因其簡(jiǎn)單易用、成本低廉以及良好的性能而被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，包括家庭自動(dòng)化、氣象站、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。在本項(xiàng)目中，DHT11將用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下煤礦內(nèi)的溫濕度條件，確保礦井內(nèi)保持適宜的工作環(huán)境。

DHT11傳感器內(nèi)部集成了一個(gè)電阻式濕敏元件和一個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻，這兩個(gè)組件共同作用以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的精確測(cè)量。濕敏元件通過(guò)檢測(cè)空氣中的水分含量來(lái)反映濕度水平，而熱敏電阻則根據(jù)其電阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。這兩種物理量的變化會(huì)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)置的微處理器進(jìn)行處理，最終輸出數(shù)字信號(hào)。

DHT11采用單線數(shù)字接口進(jìn)行通信，這意味著只需一根數(shù)據(jù)線即可完成與微控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。這簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，減少了布線復(fù)雜度。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，用戶需要遵循特定的時(shí)序協(xié)議來(lái)讀取傳感器的輸出。通常情況下，一次完整的數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括發(fā)送開(kāi)始信號(hào)、接收響應(yīng)以及讀取溫濕度數(shù)據(jù)等步驟。

該傳感器的工作電壓范圍為3.3V至5.0V，使其能夠兼容多種供電系統(tǒng)。在正常工作條件下，DHT11可以提供±2°C的溫度精度和±5%的相對(duì)濕度精度。盡管這些數(shù)值對(duì)于某些高精度應(yīng)用可能不夠理想，但對(duì)于大多數(shù)日常用途來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。此外，DHT11具有較寬的工作溫度范圍（0°C至50°C）和濕度范圍（20%RH至90%RH），這使得它能夠在多種環(huán)境中可靠運(yùn)行。

需要注意的是，DHT11傳感器不建議頻繁讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)檫B續(xù)快速的請(qǐng)求可能會(huì)導(dǎo)致傳感器過(guò)載。一般來(lái)說(shuō)，兩次讀取之間至少應(yīng)間隔2秒。此外，由于DHT11沒(méi)有防水功能，在使用時(shí)應(yīng)避免將其直接暴露于水或高濕度環(huán)境中，以免影響其使用壽命和準(zhǔn)確性。

在本項(xiàng)目中，DHT11傳感器將被集成到主控板上，定時(shí)采集礦井內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)OLED顯示屏顯示出來(lái)。如果檢測(cè)到的溫濕度超出預(yù)設(shè)的安全閾值，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，提醒工作人員采取措施改善礦井內(nèi)的環(huán)境條件，從而保障礦工的安全和健康。通過(guò)這種方式，DHT11傳感器為礦井安全監(jiān)測(cè)提供了重要的支持。

【5】紅外熱釋電人體檢測(cè)傳感器

紅外熱釋電人體檢測(cè)傳感器是一種利用人體發(fā)出的紅外輻射來(lái)檢測(cè)人員存在的裝置。這種傳感器基于熱釋電效應(yīng)工作，當(dāng)有溫度變化時(shí)（例如人體移動(dòng)），傳感器中的熱釋電材料會(huì)產(chǎn)生電荷變化，從而生成電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理后，可以用來(lái)判斷是否有人進(jìn)入或離開(kāi)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

紅外熱釋電傳感器通常包含一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡能夠?qū)⑻綔y(cè)區(qū)域分成多個(gè)部分，并且每個(gè)部分在不同時(shí)間點(diǎn)上依次被傳感器掃描。這樣的設(shè)計(jì)有助于提高檢測(cè)范圍和靈敏度，同時(shí)減少誤報(bào)率。菲涅爾透鏡還能夠聚焦紅外輻射，使得傳感器對(duì)較遠(yuǎn)距離的人體也能做出反應(yīng)。此外，一些先進(jìn)的傳感器可能還會(huì)配備環(huán)境溫度補(bǔ)償電路，以適應(yīng)不同的工作條件，確保在各種溫度下都能穩(wěn)定工作。

這類傳感器的一個(gè)重要特點(diǎn)是其低功耗特性，非常適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。它們通常只需要很少的能量就能保持工作狀態(tài)，這在需要長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守監(jiān)控的情況下尤為重要。然而，紅外熱釋電傳感器也有一些局限性，比如它不能穿透障礙物進(jìn)行檢測(cè)，因此安裝位置需要避免被物體遮擋；另外，如果環(huán)境中有其他熱源或溫差較大的物體，也可能引起誤觸發(fā)。

在本項(xiàng)目中，紅外熱釋電人體檢測(cè)傳感器將用于監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)是否有人員活動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到人員存在時(shí)，系統(tǒng)會(huì)點(diǎn)亮指示燈作為視覺(jué)提示，這有助于增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。例如，在緊急情況下，這種信息可以幫助救援隊(duì)伍更快地定位被困人員的位置。此外，結(jié)合其他傳感器的數(shù)據(jù)，如瓦斯?jié)舛群蜏貪穸?，可以更全面地評(píng)估礦井內(nèi)的安全狀況，為采取進(jìn)一步的安全措施提供依據(jù)。

通過(guò)集成紅外熱釋電人體檢測(cè)傳感器，本項(xiàng)目不僅提高了對(duì)礦工活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，也增強(qiáng)了整體系統(tǒng)的智能化水平，有助于構(gòu)建一個(gè)更加安全、高效的地下煤礦作業(yè)環(huán)境。

1.6 市場(chǎng)可行性調(diào)查

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的地下煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而全面的系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和預(yù)警機(jī)制來(lái)提高煤礦的安全性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施需要綜合考慮煤礦環(huán)境的特殊性、監(jiān)測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性以及預(yù)警機(jī)制的有效性。

【1】系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有研究，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)通常包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)主要部分。感知層負(fù)責(zé)通過(guò)各種傳感器收集煤礦環(huán)境中的數(shù)據(jù)，如瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度等。傳輸層則利用有線和無(wú)線通信技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心。應(yīng)用層則負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出預(yù)警。

【2】關(guān)鍵技術(shù)

1. 傳感器技術(shù) ：傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，需要能夠準(zhǔn)確地測(cè)量煤礦環(huán)境中的各種參數(shù)。例如，用于檢測(cè)瓦斯、一氧化碳等有害氣體的傳感器，以及用于監(jiān)測(cè)礦工健康狀況的生理參數(shù)傳感器。
2. 無(wú)線通信技術(shù) ：由于煤礦環(huán)境的特殊性，傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)可能無(wú)法滿足需求。因此，需要開(kāi)發(fā)適合煤礦環(huán)境的無(wú)線通信技術(shù)，如基于RFID和Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。
3. 數(shù)據(jù)處理與分析 ：收集到的數(shù)據(jù)需要通過(guò)高效的數(shù)據(jù)處理和分析算法進(jìn)行處理，以識(shí)別潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。這包括使用大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算來(lái)處理和分析大量數(shù)據(jù)。
4. 預(yù)警機(jī)制 ：基于數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，系統(tǒng)需要能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警，通知相關(guān)人員采取措施。這可能包括自動(dòng)化的報(bào)警系統(tǒng)和緊急響應(yīng)機(jī)制。

【3】實(shí)施挑戰(zhàn)

1. 環(huán)境適應(yīng)性 ：煤礦環(huán)境復(fù)雜多變，傳感器和通信設(shè)備需要能夠適應(yīng)高溫、高濕、易爆等惡劣條件。
2. 數(shù)據(jù)安全與隱私 ：在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和礦工的隱私是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
3. 系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性 ：系統(tǒng)需要保證長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，避免因故障導(dǎo)致的安全事故。

【4】參考文獻(xiàn)

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二、硬件選型

1. NBIoT模塊 - BC26

BC26是一款支持NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的無(wú)線通信模塊。它具有低功耗、廣覆蓋的特點(diǎn)，非常適合用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。在這個(gè)項(xiàng)目中，BC26模塊將負(fù)責(zé)將采集到的各種環(huán)境信息上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，確保數(shù)據(jù)能夠被遠(yuǎn)端服務(wù)器接收并處理。

2. 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模塊 - MQ5氣體傳感器

MQ5是一種半導(dǎo)體氣體傳感器，專門用于檢測(cè)可燃?xì)怏w如甲烷（瓦斯）、液化石油氣等。它具有高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。在本項(xiàng)目中，MQ5傳感器將用來(lái)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛?。一旦檢測(cè)到的濃度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，控制系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)通風(fēng)風(fēng)扇以降低有害氣體濃度。

3. 風(fēng)扇模塊 - 礦用通風(fēng)風(fēng)扇

為了有效降低礦井內(nèi)瓦斯等有害氣體的濃度，系統(tǒng)采用礦用通風(fēng)風(fēng)扇。這些風(fēng)扇通常設(shè)計(jì)為能夠在惡劣環(huán)境下工作，具備防塵、防水等特性。風(fēng)扇的啟停由繼電器控制，根據(jù)MQ5傳感器檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)節(jié)。

4. OLED顯示屏 - SPI協(xié)議OLED顯示屏

OLED顯示屏以其高對(duì)比度、快速響應(yīng)時(shí)間和寬視角而聞名。在本項(xiàng)目中，采用SPI接口的OLED顯示屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，包括溫濕度、瓦斯?jié)舛鹊汝P(guān)鍵信息。這種顯示屏不僅清晰可見(jiàn)，而且功耗較低，適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

5. 溫濕度傳感器 - DHT11

DHT11是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于使用的數(shù)字溫濕度傳感器。它能夠同時(shí)測(cè)量溫度和相對(duì)濕度，并通過(guò)單線數(shù)字接口輸出數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中，DHT11傳感器用于監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的溫濕度條件。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)值超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

6. 供電電源

• 控制板系統(tǒng)供電 ：采用5V 2A外部穩(wěn)壓電源，為微控制器、傳感器以及其他低功耗電子元件提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。
• 其他電器供電 ：對(duì)于高功耗設(shè)備如風(fēng)扇，則直接使用市電供電，以保證足夠的電力支持其正常工作。

7. 人體檢測(cè) - 紅外熱釋電模塊

紅外熱釋電傳感器利用人體發(fā)出的紅外輻射來(lái)檢測(cè)人員的存在。在本項(xiàng)目中，該傳感器用于監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)是否有人員活動(dòng)。一旦檢測(cè)到人員存在，系統(tǒng)會(huì)點(diǎn)亮指示燈作為視覺(jué)提示，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理。

8. 主控芯片 - STM32F103RCT6

STM32F103RCT6是意法半導(dǎo)體公司推出的一款高性能ARM Cortex-M3微控制器。它具有豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的計(jì)算能力，適用于各種嵌入式應(yīng)用。在本項(xiàng)目中，STM32F103RCT6作為主控芯片，負(fù)責(zé)處理來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制邏輯以及管理通信協(xié)議。

三、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。

3.1 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。

3.2 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。 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是證書加密端口，單片機(jī)無(wú)法加載證書，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)。

3.3 創(chuàng)建產(chǎn)品

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品

（2）填寫產(chǎn)品信息

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

（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。

3.4 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

（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

3.5 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是專門針對(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1 >": < 填屬性值 >,
        "< 填屬性名稱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，屬性值類型，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}}]}

3.6 MQTT三元組

MQTT協(xié)議登錄需要填用戶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)備支持填寫域名可以直接填域名，不支持就直接填寫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

3.7 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}}]}

3.8 創(chuàng)建IAM賬戶

創(chuàng)建一個(gè)IAM賬戶，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

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。

創(chuàng)建成功：

【3】創(chuàng)建完成

用戶信息如下：

主用戶名  l19504562721
IAM用戶  ds_abc
密碼     DS12345678

3.9 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，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)行在線調(diào)試：https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=ShowDeviceShadow

在線調(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寫代碼訪問(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

四、上位機(jī)開(kāi)發(fā)

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Android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。

4.1 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：

qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details

軟件安裝時(shí)斷網(wǎng)安裝，否則會(huì)提示輸入賬戶。

安裝的時(shí)候，第一個(gè)復(fù)選框里勾選一個(gè)mingw 32編譯器即可，其他的不管默認(rèn)就行，直接點(diǎn)擊下一步繼續(xù)安裝。

選擇MinGW 32-bit 編譯器： （一定要看清楚了）

說(shuō)明： 我這里只是介紹PC端，也就是Windows系統(tǒng)下的Qt環(huán)境搭建。 Android的開(kāi)發(fā)環(huán)境比較麻煩，如果想學(xué)習(xí)Android開(kāi)發(fā)，想編譯Android程序的APP，需要自己去搭建Android環(huán)境。

也可以看下面這篇文章，不過(guò)這個(gè)文章是在Qt開(kāi)發(fā)專欄里付費(fèi)的，需要訂閱專欄才可以看。 如果不想付費(fèi)看，也可以自行找其他教程，自己搭建好必須的環(huán)境就行了

Android環(huán)境搭建的博客鏈接： https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/117254453

4.2 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。

【3】選擇編譯系統(tǒng)

【4】選擇默認(rèn)繼承的類

【5】選擇編譯器

【6】點(diǎn)擊完成

【7】工程創(chuàng)建完成

4.3 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。

4.4 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。

編譯之后的效果：

4.5 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

【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。

D:/linux-share-dir/QT/build-app_Huawei_Eco_tracking-Android_for_arm64_v8a_Clang_Qt_5_12_6_for_Android_ARM64_v8a-Release/android-build//build/outputs/apk/debug/android-build-debug.apk

五、 BC26-NBIOT模塊調(diào)試過(guò)程

5.1 模塊調(diào)試接線

5.2 測(cè)試模塊

第一步接上之后，串口調(diào)試助手選擇波特率為115200，勾選軟件上的發(fā)送新行選項(xiàng)。發(fā)送AT過(guò)去，正常模塊會(huì)返回OK。

只有收到了OK，才表示模塊工作正常。

5.3 上電初始化操作

【1】查詢模塊是否正常
AT

OK


【2】獲取卡號(hào),查詢卡是否插好
AT+CIMI

460041052911195

OK


【3】激活網(wǎng)絡(luò)
AT+CGATT=1

OK


【4】獲取網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)
AT+CGATT?

+CGATT: 1

OK


【5】查詢網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量
AT+CSQ

+CSQ: 26,0

OK
    
【6】 檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)
AT+CEREG=?   //
+CEREG: 0,1 //找網(wǎng)成功
OK

5.4 開(kāi)啟GPS定位

如果需要使用GPS定位就開(kāi)，不需要使用就不用管。

使用GPS定位還需要將模塊上的GPS天線接好，否則也是沒(méi)有信號(hào)的。

官方文檔：

【1】激活GPS，要等一段時(shí)間
AT+QGNSSC=1

OK


【2】查詢激活狀態(tài)，1表示成功激活
AT+QGNSSC?

+QGNSSC: 1

OK


【3】獲取一次GPS定位語(yǔ)句
AT+QGNSSRD="NMEA/RMC"
+QGNSSRD: $GNRMC,120715.00,A,3150.78179,N,11711.93433,E,0.000,,310818,,,A,V*19
OK

六、STM32代碼開(kāi)發(fā)

6.1 BC26-NBIOT配置代碼

#include "ec20.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "usart.h"	
#include "iwdg.h"

int errcount = 0;
char atstr[BUFLEN];
char AtStrBuf[BUFLEN];
char *strx,*extstrx,*Readystrx;
extern char AtRxBuffer[512],Rxcouter;

////////////////////////////////////////////////////////////////////
char GPRMCSTR[128]; //轉(zhuǎn)載GPS信息 GPRMC 經(jīng)緯度存儲(chǔ)的字符串
char GPRMCSTRLON[64]; //經(jīng)度存儲(chǔ)字符串 也就是119.20694
char GPRMCSTRLAT[64]; //維度存儲(chǔ)字符串，也就是26.06451
char IMEINUMBER[64];//+CGSN: "869523052178994"
//////////////////下面是糾正火星坐標(biāo)的變量定義/////////////////////////
int Get_GPSdata(void);
void Getdata_Change(char status);

    typedef struct 
{
char UtcDate[6];
char longitude[11];//經(jīng)度原數(shù)據(jù)
char Latitude[10];//緯度源數(shù)據(jù)
char longitudess[4];//整數(shù)部分
char Latitudess[3];
char longitudedd[8];//小數(shù)點(diǎn)部分
char Latitudedd[8];
char Truelongitude[12];//轉(zhuǎn)換過(guò)數(shù)據(jù)
char TrueLatitude[11];//轉(zhuǎn)換過(guò)數(shù)據(jù)
char getstautus;//獲取到定位的標(biāo)志狀態(tài)	
float gpsdata[2];
}LongLatidata;
LongLatidata latdata;

float tempdata[2];
char latStrAF[64];          //存放數(shù)據(jù)經(jīng)緯度用來(lái)發(fā)送
char lonStrAF[64];   				//存放數(shù)據(jù)經(jīng)緯度用來(lái)顯示
//////////////////////////火星糾偏結(jié)束///////////////////////////////////

////////////////////////只要修改三要素/////////////////////////////////
#define PRODUCEKEY "6402ac07352830580e48ff7b_dev1_0_0_2023030403"        //設(shè)備ID
#define DEVICENAME "6402ac07352830580e48ff7b_dev1"           //用戶名
#define DEVICESECRET "517f1c8f18d6b7b2e4c134653dc892edd38c3e86153506df57f7c296d13b37f7" //密碼


void Clear_Buffer(void)//清空緩存
{
    u8 i;
		NBIOTSend_RecAccessMode();
    printf(AtRxBuffer);
    for(i=0;i< Rxcouter;i++)
        AtRxBuffer[i]=0;//緩存
    Rxcouter=0;

}


//初始化模塊
void  NBIOT_Init(void)
{
    Uart2_SendStr("ATrn");
    delay_ms(500);
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"OK");//返回OK
    errcount = 0;
    while(strx==NULL)
    {
        errcount++;
        printf("rn單片機(jī)正在連接到模塊...rn");
        Clear_Buffer();
        Uart2_SendStr("ATrn");
        delay_ms(500);
        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"OK");//返回OK
        if(errcount >50)     //防止死循環(huán)
        {
            errcount = 0;
            reset_4g();
            __set_FAULTMASK(1); //關(guān)閉總中斷
            NVIC_SystemReset(); //請(qǐng)求單片機(jī)重啟
            break;
        }
    }

    Uart2_SendStr("ATE1rn"); //回顯
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();

    /////////////////////////////////
    Uart2_SendStr("AT+CPIN?rn");//檢查SIM卡是否在位
    delay_ms(500);
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CPIN: READY");//查看是否返回ready
    while(strx==NULL)
    {
        Clear_Buffer();
        Uart2_SendStr("AT+CPIN?rn");
        delay_ms(500);
        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CPIN: READY");//檢查SIM卡是否在位，等待卡在位，如果卡識(shí)別不到，剩余的工作就沒(méi)法做了
    }
    Clear_Buffer();
    ///////////////////////////////////////
    Uart2_SendStr("AT+CSQrn"); //檢查CSQ
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();
    Uart2_SendStr("ATIrn"); //檢查模塊的版本號(hào)
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();


    ///////////////////////////////////
    Uart2_SendStr("AT+CREG?rn");//查看是否注冊(cè)GSM網(wǎng)絡(luò)
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();

    Uart2_SendStr("AT+CEREG?rn");//查看注冊(cè)到哪個(gè)運(yùn)營(yíng)商，支持移動(dòng) 聯(lián)通 電信
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();

    Uart2_SendStr("AT+CIMIrn");//獲取卡號(hào)，類似是否存在卡的意思，比較重要。
    delay_ms(1000);
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"OK");//只要卡不錯(cuò)誤 基本就成功
    if(strx)
    {
        printf("============rn我的卡號(hào)是 : %s rn===============rn",AtRxBuffer);
        delay_ms(1000);
        Clear_Buffer();

    }
    else
    {
        // printf("卡錯(cuò)誤 : %s rn",AtRxBuffer);
        delay_ms(300);
        Clear_Buffer();
    }
    Clear_Buffer();

    Uart2_SendStr("AT+CGSNrn");//激活網(wǎng)絡(luò)，PDP
    delay_ms(300);
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"OK");//返OK
    Clear_Buffer();

    Uart2_SendStr("AT+CGATT?rn");//查詢激活狀態(tài)
    delay_ms(300);
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CGATT: 1");//返1 表明激活成功 獲取到IP地址了
    Clear_Buffer();
    errcount = 0;
    while(strx==NULL)
    {
        errcount++;
        Clear_Buffer();
        Uart2_SendStr("AT+CGATT?rn");//獲取激活狀態(tài)
        delay_ms(300);
        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CGATT: 1");//返回1,表明注網(wǎng)成功
        if(errcount >100)     //防止死循環(huán)
        {
            errcount = 0;
            reset_4g();
            __set_FAULTMASK(1); //關(guān)閉總中斷
            NVIC_SystemReset(); //請(qǐng)求單片機(jī)重啟
            break;
        }
    }

    Uart2_SendStr("AT+QCCIDrn");//獲取當(dāng)前卡的IP地址
    delay_ms(500);
    Clear_Buffer();
}


void Start_GPS(void)
{
		Clear_Buffer();	
		Uart2_SendStr("AT+QGPS=1rn");//查詢激活狀態(tài)
		delay_ms(300);
		strx=strstr((const char*)AtStrBuf,(const char*)"OK");//返1
	
		if(strx==NULL)
		{
				//__set_FAULTMASK(1);
				//NVIC_SystemReset();	//超時(shí)重啟
				delay_ms(300);
		}
		Clear_Buffer();	
}
//////////////////////////////獲取定位數(shù)據(jù)/////////////////////////////////////////////

/*
AT+QGPSGNMEA="RMC"

+QGPSGNMEA: $GNRMC,035645.00,A,2603.9111,N,11912.4140,E,0.336,,140821,,,A,V*19

OK
AT+QGPSGNMEA="RMC"

+QGPSGNMEA: $GPRMC,145620.00,A,2603.972207,N,11912.411739,E,0.0,0.0,171022,3.5,W,A*2F

*/

char *Get_GPS_RMC(char type)
{
		Clear_Buffer();	
		memset(GPRMCSTR,0,128);
		Uart2_SendStr("AT+QGPSGNMEA="RMC"rn");//查詢激活狀態(tài)
		delay_ms(300);
		strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"$GPRMC");//返1
		
		while(strx==NULL)
		{
				Clear_Buffer();	
				Uart2_SendStr("AT+QGPSGNMEA="RMC"rn");//獲取激活狀態(tài)
				delay_ms(300);
				strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"$GPRMC");//返回1,表明注網(wǎng)成功
		}
		sprintf(GPRMCSTR,"%s",strx);

		Clear_Buffer();	//打印收到的GPS信息
		GPRMCSTR[2]=	'P';
		
		//printf("============GETGPRMC==============rn%s",GPRMCSTR);		//打印GPRMC
		if(GPRMCSTR[17]=='A')
		{
			memset(latStrAF,0,64);
			memset(lonStrAF,0,64);
			Get_GPSdata();
			
			if(type==1)
				return latStrAF;
			if(type==2)
				return lonStrAF;
		}
		return 0;
}

/*****************************************************
下面是矯正火星坐標(biāo)的
*****************************************************/


//解GPS析函數(shù)
//$GPRMC,134952.00,A,2603.9576,N,11912.4098,E,0.154,,280821,,,A,V*18
int Get_GPSdata()
{
		int i=0;
    strx=strstr((const char*)GPRMCSTR,(const char*)"A,");//獲取緯度的位置
       if(strx)
        {
            for(i=0;i< 9;i++)
            {
             latdata.Latitude[i]=strx[i+2];//獲取緯度值2603.9576
            }
						strx=strstr((const char*)GPRMCSTR,(const char*)"N,");//獲取經(jīng)度值
						if(strx)
						{
								 for(i=0;i< 10;i++)	//獲取經(jīng)度 11912.4098
								 {
										latdata.longitude[i]=strx[i+2];
								 }
								 
						}  
						
						printf("latdata.Latitude ,%s rn",latdata.Latitude);
						printf("latdata.longitude ,%s rn",latdata.longitude);
            latdata.getstautus=1;//                 
	    }
                            
		else
		{
						
				latdata.getstautus=0;
		 }
			Getdata_Change(latdata.getstautus);//數(shù)據(jù)換算
			Clear_Buffer();
		 return 0;

}





/*************解析出經(jīng)緯度數(shù)據(jù),然后直接提交數(shù)據(jù)*******************/	

void Getdata_Change(char status)
{
	unsigned char i;	
    	
    if(status)
    {

        for(i=0;i< 3;i++)
						latdata.longitudess[i]=latdata.longitude[i];
				for(i=3;i< 10;i++)
						latdata.longitudedd[i-3]=latdata.longitude[i];
			
			 latdata.gpsdata[0]=(latdata.longitudess[0]-0x30)*100+(latdata.longitudess[1]-0x30)*10+(latdata.longitudess[2]-0x30)
		     +((latdata.longitudedd[0]-0x30)*10+(latdata.longitudedd[1]-0x30)+(float)(latdata.longitudedd[3]-0x30)/10+
		     (float)(latdata.longitudedd[4]-0x30)/100+(float)(latdata.longitudedd[5]-0x30)/1000+(float)(latdata.longitudedd[6]-0x30)/10000)/60.0;//獲取完整的數(shù)據(jù)
       
///////////////////////////////////////////
				for(i=0;i< 2;i++)
						latdata.Latitudess[i]=latdata.Latitude[i];
				for(i=2;i< 9;i++)
						latdata.Latitudedd[i-2]=latdata.Latitude[i];	
				 
			latdata.gpsdata[1]=(float)(latdata.Latitudess[0]-0x30)*10+(latdata.Latitudess[1]-0x30)
		     +((latdata.Latitudedd[0]-0x30)*10+(latdata.Latitudedd[1]-0x30)+(float)(latdata.Latitudedd[3]-0x30)/10+
		     (float)(latdata.Latitudedd[4]-0x30)/100+(float)(latdata.Latitudedd[5]-0x30)/1000+(float)(latdata.Latitudedd[6]-0x30)/10000)/60.0;//獲取完整的數(shù)據(jù)b

	
				 sprintf(latStrAF,"%f",latdata.gpsdata[1]);
				 sprintf(lonStrAF,"%f",latdata.gpsdata[0]);
				 
				 			 
				 printf("latStrAF,%s rn",latStrAF);
				 printf("lonStrAF,%s rn",lonStrAF);
				 
    }
    else
    {
        latdata.gpsdata[0]=0;
        latdata.gpsdata[1]=0;
    }
		
	
}

/*****************************************************
糾偏結(jié)束
*****************************************************/

/*********************************************************************************
** 函數(shù)名稱 ： MakeOnenetPayload(char *Str,u8 Temp,u8 Humi)
** 函數(shù)功能 ： 將溫度與濕度封裝成Onenet有效載荷包
** 輸    入	： *str有效載荷保存的目標(biāo)字符串, 
** 輸    入	： Temp 溫度值
** 輸    入	： Humi 濕度值
** 輸    出	： 有效載荷字符串
** 返    回	： 有效載荷字符串長(zhǎng)度
*********************************************************************************/
char JsonBuf[256];//臨時(shí)數(shù)據(jù)緩存 
u8 MakeOnenetPayload(u8 *Str,u8 Temp,u8 Humi)//將溫度與濕度封裝成Onenet有效載荷包
{
  char Payload[] = "{"datastreams":[{"id":"Temp","datapoints":[{"value":%d}]},{"id":"Humi","datapoints":[{"value":%d}]}]}";//onenet有效載荷固定格式
	
	unsigned short   StrLen;//有效載荷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
	memset(JsonBuf,0,256);
	sprintf(JsonBuf,Payload,Temp,Humi);//合成數(shù)據(jù)有效載荷封裝
	//printf("rn有效載荷(%d):[%s]rn",strlen(JsonBuf),(char *)JsonBuf);
	StrLen = strlen(JsonBuf)/sizeof(char);//計(jì)算有效載荷的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
	//printf("rn有效載荷長(zhǎng)度(%d)rn",StrLen);
	Str[0] = 'x01';//報(bào)文第一個(gè)字節(jié)的固定顯示
	//printf("rnStr[0]=0X(%02X)rn",Str[0]);
	//報(bào)文第2個(gè)字節(jié)和第三個(gè)字節(jié)表示有效載荷的長(zhǎng)度的固定顯示
	Str[1] = (StrLen & 0XFF00) > >8;//高位
	//printf("rnStr[1]=0X(%02X)rn",Str[1]);
	Str[2] =  StrLen & 0XFF;//低位
	//printf("rnStr[2]=0X(%02X)rn",Str[2]);
	//拷貝有效載荷數(shù)據(jù)到Str
	memcpy(Str+3,JsonBuf,StrLen);//從第三個(gè)字節(jié)開(kāi)始拷貝
	return (StrLen+3);//返回長(zhǎng)度
}

u8 CSTX_4G_MQTT_Senddata(char *data)
{	
	u8 JsonLen;//Json包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
	memset(AtStrBuf,0,BUFLEN);
	Clear_Buffer();
    sprintf(AtStrBuf,"AT+QMTPUB=0,0,0,0,"$oc/devices/6402ac07352830580e48ff7b_dev1/sys/properties/report"rn");
   // printf("ATSTR = %s rn",AtStrBuf);
    Uart2_SendStr(AtStrBuf);//mqtt提交
    delay_ms(300);
		strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)" >");//準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)
		errcount=0;
    while(strx==NULL)
    {
        errcount++;
        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)" >");//準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù) 模塊的反饋
				delay_ms(30);
        if(errcount >10)     //超時(shí)退出
        {
            errcount = 0;
            break;
        }
    }
		Clear_Buffer();
        
       
		USART2_Send((char *)data,strlen(data));//發(fā)送json數(shù)據(jù)
	
        UART2_send_byte(0x1A);
		delay_ms(300);
		errcount=0;
    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+QMTPUB: 0,0,0");//返SEND OK +QMTPUB: 0,0,0
    while(strx==NULL)
    {
				errcount++;
        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+QMTPUB: 0,0,0");//返SEND OK
				delay_ms(30);
        if(errcount >10)     //超時(shí)退出
        {
            errcount = 0;
            break;
        }
    }
    Clear_Buffer();
    return 0;
}


u8 MakeOnenetPayloadGPS(u8* Str,char *latstr,char * lonstr)//將溫度與濕度封裝成Onenet有效載荷包
{
  char Payload[] = "{"datastreams":[{"id":"location","datapoints":[{"value":{"lon":%s,"lat":%s}}]}]}";//onenet有效載荷固定格式

	unsigned short   StrLen;//有效載荷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
	memset(JsonBuf,0,256);
	sprintf(JsonBuf,Payload,lonstr,latstr);//合成數(shù)據(jù)有效載荷封裝
	printf("JSONEND= %s rn",JsonBuf);
	//printf("rn有效載荷(%d):[%s]rn",strlen(JsonBuf),(char *)JsonBuf);
	StrLen = strlen(JsonBuf)/sizeof(char);//計(jì)算有效載荷的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
	//printf("rn有效載荷長(zhǎng)度(%d)rn",StrLen);
	Str[0] = 'x01';//報(bào)文第一個(gè)字節(jié)的固定顯示
	//printf("rnStr[0]=0X(%02X)rn",Str[0]);
	//報(bào)文第2個(gè)字節(jié)和第三個(gè)字節(jié)表示有效載荷的長(zhǎng)度的固定顯示
	Str[1] = (StrLen & 0XFF00) > >8;//高位
	//printf("rnStr[1]=0X(%02X)rn",Str[1]);
	Str[2] =  StrLen & 0XFF;//低位
	//printf("rnStr[2]=0X(%02X)rn",Str[2]);
	//拷貝有效載荷數(shù)據(jù)到Str
	memcpy(Str+3,JsonBuf,StrLen);//從第三個(gè)字節(jié)開(kāi)始拷貝
	return (StrLen+3);//返回長(zhǎng)度
}

void CSTX_4G_ONENETIOTSenddataGPS(char *latstr,char *lonstr)//上發(fā)數(shù)據(jù)，上發(fā)的數(shù)據(jù)跟對(duì)應(yīng)的插件有關(guān)系，用戶需要注意插件然后對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)即可
{
//		int JsonLen= 0;
//    memset(AtStrBuf,0,BUFLEN);
//	
//		Clear_Buffer();	//發(fā)送命令之前清空之前的模塊反饋的數(shù)據(jù)
//    sprintf(AtStrBuf,"AT+QMTPUB=0,0,0,0,"$dp"rn");	//發(fā)送ONENET命令
//    printf("AtStrBuf = %s rn",AtStrBuf);
//    Uart2_SendStr(AtStrBuf);//mqtt提交
//    delay_ms(300);
//		strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)" >");//模塊反饋可以發(fā)送數(shù)據(jù)了
//		errcount=0;
//    while(strx==NULL)
//    {
//        errcount++;
//        strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)" >");//模塊反饋可以發(fā)送數(shù)據(jù)了
//				delay_ms(30);
//        if(errcount >100)     //防止死循環(huán)跳出
//        {
//            errcount = 0;
//            break;
//        }
//    }
//		//命令發(fā)送成功下面就去發(fā)送數(shù)據(jù)了
//		//Clear_Buffer();

//		JsonLen = MakeOnenetPayloadGPS((u8*)Send_Json,latstr,lonstr);	//組建CJSON數(shù)據(jù)
//		USART2_Send((char *)Send_Json,JsonLen);//發(fā)送json 數(shù)據(jù)
//		delay_ms(10);
//		UART2_send_byte(0x1A);
//    strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+QMTPUB: 0,0,0");//返發(fā)送成功
//		errcount=0;
//    while(strx==NULL)
//    {
//				errcount++;
//				strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+QMTPUB: 0,0,0");//返發(fā)送成功
//				delay_ms(10);
//				if(errcount >100)     //超時(shí)退出死循環(huán) 表示服務(wù)器連接失敗
//        {
//            errcount = 0;
//            break;
//        }
//    }
//		
//    Clear_Buffer();

}

6.2 主函數(shù)里的項(xiàng)目邏輯代碼

下面是項(xiàng)目的主函數(shù)里的項(xiàng)目邏輯代碼（其他子模塊的代碼太多，文檔無(wú)法全部貼出）。

可以去網(wǎng)盤里下載傳感器模塊的代碼：https://pan.quark.cn/s/145a9b3f7f53

#include "stm32f10x.h"
#include "sensors.h"  // 傳感器驅(qū)動(dòng)
#include "lcd.h"      // LCD顯示驅(qū)動(dòng)
#include "nbiot.h"    // NBIoT模塊驅(qū)動(dòng)
#include "mqtt.h"     // MQTT協(xié)議庫(kù)
#include "relay.h"    // 繼電器控制
#include "delay.h"    // 延時(shí)函數(shù)
#include < string.h >   // 字符串處理函數(shù)

// 初始化所有外設(shè)
void Hardware_Init(void) {
    // 初始化GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // ... 配置必要的GPIO引腳（如LCD接口、繼電器控制等）

    // 初始化定時(shí)器（用于周期性任務(wù)）
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    // ... 配置定時(shí)器

    // 初始化傳感器
    Sensors_Init();

    // 初始化LCD
    LCD_Init();

    // 初始化NBIoT模塊
    NB_IoT_Init();

    // 初始化MQTT客戶端
    MQTT_Init();
}

// 檢查并執(zhí)行灌溉命令
void CheckAndExecuteIrrigationCommands(void) {
    // 從云端獲取最新的灌溉命令
    char *irrigation_command = MQTT_Subscribe("irrigation/command");

    if (irrigation_command != NULL) {
        // 解析命令并控制相應(yīng)的繼電器
        Relay_Control(irrigation_command);
    }
}

// 主函數(shù)
int main(void) {
    // 初始化硬件
    Hardware_Init();

    // 主循環(huán)
    while (1) {
        // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
        float soil_temp, soil_humidity, air_temp, air_humidity, light_intensity, air_quality;
        Sensors_Read(&soil_temp, &soil_humidity, &air_temp, &air_humidity, &light_intensity, &air_quality);

        // 顯示到LCD
        LCD_DisplayData(soil_temp, soil_humidity, air_temp, air_humidity, light_intensity, air_quality);

        // 通過(guò)NBIoT上傳數(shù)據(jù)到華為云IoT
        if (NB_IoT_IsConnected()) {
            char data[128];
            snprintf(data, sizeof(data), 
                     "soil_temp=%.2f,soil_humidity=%.2f,air_temp=%.2f,air_humidity=%.2f,light_intensity=%.2f,air_quality=%.2f",
                     soil_temp, soil_humidity, air_temp, air_humidity, light_intensity, air_quality);
            MQTT_Publish("sensor/data", data);
        }

        // 檢查并執(zhí)行灌溉命令
        CheckAndExecuteIrrigationCommands();

        // 延時(shí)一段時(shí)間
        Delay(5000);  // 例如每5秒更新一次
    }
}

七、總結(jié)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，以提高礦工工作環(huán)境的安全性。該系統(tǒng)通過(guò)集成多種傳感器技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的溫濕度、瓦斯?jié)舛燃叭藛T活動(dòng)情況，并在檢測(cè)到異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，采取相應(yīng)的安全措施。

系統(tǒng)硬件核心采用STM32F103RCT6微控制器，結(jié)合DHT11溫濕度傳感器、MQ5氣體傳感器以及紅外熱釋電人體感應(yīng)模塊，分別用于環(huán)境溫濕度、瓦斯?jié)舛群腿藛T存在的監(jiān)測(cè)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)激活蜂鳴器報(bào)警，并通過(guò)控制繼電器啟動(dòng)通風(fēng)風(fēng)扇以降低有害氣體濃度。此外，OLED顯示屏被用作現(xiàn)場(chǎng)顯示終端，提供直觀的數(shù)據(jù)展示。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與管理，系統(tǒng)還集成了BC26 NBIOT模塊，可以將收集到的信息上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，便于管理者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策支持。

為提升用戶體驗(yàn)，我們使用Qt框架開(kāi)發(fā)了一款運(yùn)行于Windows平臺(tái)上的可視化大屏軟件界面，能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)來(lái)自地下煤礦的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使管理人員能夠迅速掌握礦區(qū)狀況并作出響應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)考慮了穩(wěn)定性和安全性，其中控制電路部分由5V 2A穩(wěn)壓電源供應(yīng)，而風(fēng)扇等高功耗設(shè)備則直接接入市電，確保長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。

本項(xiàng)目不僅增強(qiáng)了地下煤礦作業(yè)場(chǎng)所的安全保障能力，也為未來(lái)構(gòu)建更加智能化、信息化的礦山管理體系奠定了基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇