基于STM32单片机远程采集数据监控系统的设计

基于STM32单片机远程采集数据监控系统的设计
摘要：随着网络的快速发展，我们即将进入大数据发展主流。在森林火灾、现代农业、家庭安全等各个方面上，远程采集数据监控系统将起到很大的作用。在现代农业上，能实时采集监控园区内的土壤温湿度变化、设备温度变化，在移动设备上能够实时查看与相关控制，以便发生突发情况时，工作人员能及时处理异常情况。基于STM32单片机远程采集数据监控系统包括四个部分：控制系统、数据采集、数据显示、数据传输。该系统采用STM32控制，具有灵活开放性，且能与移动平台、设备进行无缝连接，还能根据不同用户、场合要求，可接入不同的传感采集监控设备、设施，实现人们多样化要求。该系统还能远程控制设备，实现智能化，自动化，减少人力成本的投入，更精准的控制设备，降低人为出错概率。本文设计的远程采集监控系统，采用STM32作为核心，OLED进行实施显示，LORA传输采集数据，GPRS将数据发送到onenet平台上，能在移动设备上实时查看。
关键词：STM32单片机;LORA传输;OLED显示;onenet平台

Remote Acquisition Data Monitoring System Based on STM32 Microcontroller

Abstract: With the rapid development of the Internet, we are about to enter the mainstream of big data development. In various aspects such as forest fires, modern agriculture and home security, remote data acquisition and monitoring systems will play a significant role. In modern agriculture, real-time monitoring of changes in the temperature and humidity of the soil within the park, changes in the temperature of the equipment, and real-time visibility and related control on mobile devices can be performed so that when an emergency occurs, the staff can deal with the abnormal situation in a timely manner. Based on STM32 microcontroller remote acquisition data monitoring system consists of four parts: control system, data acquisition, data display, data transmission. The system adopts STM32 control, which is flexible and open. It can seamlessly connect with mobile platforms and equipment. It can also access different sensors, acquisition and monitoring equipment and facilities according to the requirements of different users and occasions, and realize people's diversified requirements. . The system can also remotely control equipment, achieve intelligent, automated, reduce labor costs, more accurate control of equipment, reduce human error probability. The remote acquisition monitoring system designed in this paper uses STM32 as the core, OLED performs the display, LORA transmits the collected data, GPRS sends the data to the onenet platform, and can be viewed on the mobile device in real time.
Keywords: STM32 microcontroller;LORA transmission; OLED display; onenet platform

目录
第一章 引言 1
1.1 概述 1
1.2 同类产品与技术情况的调查以及解决的问题 1
1.2.1国外同类产品调查 1
1.2.2国内同类产品的调查 2
1.2.3此类产品的发展趋势 3
1.3毕业论文研究的内容 3
第二章 总体设计方案 3
2.1 总体设计思路 3
2.2 方案论证与选择 4
2.2.1LORA技术 4
第三章 系统硬件方案 5
3.1 控制中心STM32 5
3.1.1STM32最小系统 6
3.2 温湿度采集模块 6
3.3 OLED显示模块 7
3.4 GPRS模块 7
3.5 LORA模块 8
3.5.1aithinker_lora模块 8
3.6 Onenet设备云平台 8
第四章 硬件设计 9
4.1 外围设备连线框图 9
4.2 数据采集模块 9
4.3 数据传输模块 12
4.4 微处理器模块 13
4.5 GPRS模块 14
4.6 显示模块 14
4.7 其他模块 16
第五章 软件设计 16
5.1 DHT11采集数据流程图 16
5.2 OLED显示屏显示流程图 17
5.3 LORA数据传输流程图 18
5.4 GPRS上传服务器流程图 19
第六章 系统功能调试 20
6.1 硬件调试 20
6.2 软件调试 21
6.3 遇到问题及解决方法 22
6.4 结果与分析 23
第七章 参考文献 24

第一章引言
1.1概述
随着人工智能、大数据时代的来临，人们工作、生活、科学中的各种数据将会更好的得到利用。而今，远程监控在各个领域发挥着巨大的作用，传统的采集数据监控随着发展越来越不能满足人们的需求了。采集数据且能进行实时监控将会是未来发展的趋势，远程采集数据监控系统将能给人们带来新的生活方式，新的变化。温度是工业领域中重要的需要控制参数，温度能影响生产元器件的质量。温度同样也是农业生产中的需要观察的重要参数，它能影响农作物的产量。如今温度控制系统、湿度控制系统等得到了广泛的应用，但是这些控制系统并不具有灵活开放性。而远程采集数据监控系统还能很好的弥补这些控制系统的不灵活性和不开放性，人们多样化的需求能够得到更好的满足。传统的采集数据监控系统是在监控区域内大量铺设有线设备，需要人力、物资资源较多，而且设备出现问题后，进行维护较为困难。而基于STM32单片机远程采集数据监控系统功耗、成本低，具有灵活开放性。本系统采用LORA技术传输数据，做到了远距离、低功耗、多节点、低成本传输，GPRS技术将数据发送到onenet平台上，人们能对数据进行实时监控，这与传统的数据采集监控系统相比较，它在相关数据采集与监控中能够更好的完成相关采集与监控。本文将以下面几个部分来介绍基于STM32单片机远程采集数据监控系统的研究：第一部分对国内外同类产品与技术情况的调查以及解决的问题和本次毕业论文研究的内容进行简要的阐述。第二部分主要介绍总体的设计方案、思路，方案的论证与选择，分析系统选用的主要模块技术。第三章节介绍了系统的思想框图及对相关模块的选择与分析。第四第五部分主要是对软件、硬件的描述。接下来是对调试过程以及出现过的问题进行总结。对整个采集数据监控系统进行总结，对该系统的发展价值与方向提出自己的观点。
远程采集数据监控系统实现了无线、低功耗、低成本的传输，对数据进行实时的监控。数据监控的灵活开放性，在现代农业、现代工业、家庭安防、交通管制、森林火灾监控等方面起到了相当重要的价值。本论文将重点写能在现代农业，丛林火警的温湿度的相关数据进行采集后还能够进行监控的系统。
1.2同类产品与技术情况的调查以及解决的问题
1.2.1国外同类产品调查
美国在20世纪50年代研究出来了一种能够运用在军事上的数据采集监控系统，该系统可以让不熟练的工作者在不依附有关测试文件的基础上进行操作，该系统能高速自动控制完成相关数据的采集和控制任务。具备高速性以及灵活性的这种数据采集系统，弥补了传统措施在50年代时不能够做到的数据采集。在60年代末期，国外的市场上能够有一整套的采集数据设备产品出现，在这个阶段生产研发出的产品仅仅用于在专业领域上解决相关问题，还不能够在日常生活中得到应用。20世纪90年代，因为集成电路的飞速发展，许多可靠性很高，性能也比较高的采集数据系统逐渐出现。在世界的某些技术比较发达的国家，采集数据系统在军事领域和航空电子设备上等很多技术领域上被广泛运用。在最近，国外研究出来的新型采集数据系统的相关产品都有如下几种特征：功能多样化、体积小、操作方式简单。不仅如此，它的特点还在如下几个方面得到反映：（1）它不仅能采集数据，还能进行数据状态分析，能够对倒谱、细化、包络谱、时频域进行分析解剖。（2）存储空间大，监控范畴处于低速到高速之间。（3）数据采集器的元器件做到高度集成，其显示屏采用LED背光显示，操作按键的数量得到降低，同时它具有高度的密封性，在很恶劣的场景下采集信息。随着科学技术的发展，如今在现代农业上已经有温湿度数据采集监控系统，它主要采集温室内部和外部的温度和湿度，并且用计算机计算分析温度差和湿度差，从而控制温室的自动卷帘，遮阴区域及浇灌区域。目前日本农业生产部门的温室设施能采集二氧化碳浓度、温度、湿度等，通过相关系统分析去控制温室内农作物的生长发育需要的养分。随着科学技术的发展，计算机和网络的普遍运用，采集数据监控系统得到了普及与使用，在温室种植上运用会越来越多。
1.2.2国内同类产品的调查
由于国内科学技术的研究相对于国外发展相对落后，在一些重要的元器件上，精确度、集成化程度不能做到像国外一样好。而我国领土面积大，森林覆盖面积广，人口基数大，农产品需求多。森林火灾发生不能很好的解决，温室农作物的生长发育在传统的采集数据监控下需要耗费的资金大。如今在各个领域上，对温湿度数据的监控要求非常严格，传统的监控建立在人工测量上，依靠人们的反复测量来记录数据。在这种方式下，需要大批的人力物力财力资源，并且效率不高，数据准确的也不高。目前国内类似的远程采集数据监控系统大多还是运用在军事、航空等高端领域，人们日常生活中运用的相关采集数据监控系统想要得到使用，价格都比较昂贵。在国内也有一些无线的远程采集数据监控系统的产品，传输数据大部分基于电话线传输的方式，它的不足之处是传输速率不快，一次性不能够传输大批量数据，还有一些采用的是zigbee、WiFi传输，但是传输距离有限，无法做到真正的远距离传输。
1.2.3此类产品的发展趋势
从上世纪90年代，互联网internet迅速发展，目前互联网的应用在我们生活的各个地方，我们从前的生活方式得到了很大的变化，全世界在逐渐步入信息化。在人们的学习、娱乐等领域上Internet提供了许多资源，人们的生活逐渐在向智能化的生活走近，在之前生活中的很多独立个体设备将会与Internet进行融合。只需要在目前拥有的网络基础设施上就能把数据传输出去，对于远程采集数据监控系统能够利用互联网进行更好的传输。正因为它能够存在大量的数据并且传送速度快。所以在基于互联网传输数据，能在移动设备上查看与操控，提高了灵活性，这类产品在未来将会运用在生活的各个方面。
1.3毕业论文研究的内容
采集数据监控系统是在计算机、控制技术于一体的技术上可以在需求的环境下采集数据并对数据信息进行保存于监控。现在已经拥有的采集数据监控系统的传输方式有：电话线路传输和网络传输以及嵌入式传输。未来数据采集监控系统应用互联网作为传输介质将来会正成为时代的主旋律。目前国内类似数据采集系统在灵活、多用性方面存在缺陷，且相关产品价格较为昂贵。随着工业、农业的日益发展，需要远程采集数据监控的需求越来越严格，数据采集监控开始向集成化、模块化发展。本论文主要研究基于STM32单片机采集数据监控系统，运用LORA传输温湿度模块采集的数据给STM32进行分析和处理，通过串口把数据传输到OLED上显示，GPRS把数据传给服务端，移动设备上查看与操作。本论文主要对LORA技术、GPRS技术在该系统的运用进行分析，onenet平台的了解。接下来将介绍该系统的软、硬件设计思路与框架，以及选用的模块进行分析比较，系统的调试及调试结果。
第二章总体设计方案
22.1总体设计思路
基于目前已有的采集数据监控系统，对应其缺陷也不足，设计了本论文的系统。AT89C52特点是可以通过串口直接烧写，使用简单，功能少，控制比较方便，在教学中大量采用，所以得到广泛使用。但毕竟是70年代设计出来的芯片，在设计资源上在如今的使用中已经远远不足。如果设计较为复杂的系统，使用AT89S52，它本身性能少，所以需要人们接很多外围原件，如果对电子不是很熟悉，容易出错。而STM32单片机编写程序的过程中是调用库程序的，其自身功能较AT89S52多，资源也多，有丰富的外围接口，接口相比较来说简单很多。所以本次设计选择了STM32作为这整个系统的控制中心。在未来的发展中，低功耗、低成本将是人们所追求的。所以选择了LORA技术对DHT11模块采集到的温湿度数据进行传输给STM32处理分析后，经过串口传送，数据会在OLED上显示。再通过GPRS模块把数据传送到服务端，最后使人们能在移动设备上能够实时查看数据及控制。采集温湿度模块可以根据运用的需求，换成其他传感器采集数据。相对于目前已有的采集数据监控系统，该系统能做到远距离传输与控制，并且具有多样性与灵活性、低成本、低功耗。在现代化农业生产、工业领域、生活、研讨等方面发挥着庞大的作用。
2.2方案论证与选择
2.2.1LORA技术
无线技术包能够组成局域网或广域网，而日常生活中常见的2G/3G/4G是指能够组成广域网的无线技术，而利用建筑物建筑高度或类似路由器由点进行圆周发射信号，组建局部区域网络不同于广域网的技术的非有线技术有：基于IEEE 802.11标准无线网络WiFi、蓝牙以及具有投入资金少、低复杂成度的Zigbee等。由此可知，远距离与低成本传输只能二者选其一。
（1）Zigbee技术是指传输距离不远且传送数据的速度很慢，不能够达到高效率的技术。但是它有耗损功率低及复杂程度不高和资金投入少等优点。因为Zigbee技术是一种双向无线通讯技术，所以它能够在各种电子设备之间进行数据传输。
（2）LORA技术是Semtech公司在2013年8月对业界公布一种基于1GHz以下的可以进行远距离传输、消耗功耗较低的新类型数据传输技术芯片。它与目前业界先进水平的芯片相比较，其灵敏度高、功耗极低。它因为具备一种非凡的扩频技术，不相同扩频序列的终端即便在利用同一频率时发送数据也不会彼此搅扰。LORA技术能节约许多多余的中继器本金，且能最大限度实现超远距离通讯及实现消耗功率少、可以多节点传输。
2.2.2GPRS技术
GPRS是允许GSM移动用户在信号基站辐射范围内使用的移动数据业务。它可以简单称它为通用分组无线服务技术，是第二代移动通讯中主要的数据传输技术。GPRS可以在GSM技术的基础上进行扩展。GPRS的传输方式是采用分组传输方式，不同于以往的连续信道传输方式。因此，用户的成本不是整个信道整个信道的成本。而是由传输材料单元计算的，这在理论上更便宜。GPRS的传输速率范围是在56~114Kbps之间，甚至有时能在这个范围内提升。GPRS的传输方式是进行分组交换的，而GSM是采纳电路交换形式，所以它们传输数据的方式就会明显不同。电路交换模式指在整个衔接过程中，无论用户能否传送数据，无线信道都会被单独占用。分组交换模式是指，使用者在进行点对点沟通，利用数字数据作为载体传递数据或使用拥有分组交换模式设备进行接收时将会占据该无线信道。在目前无线资源稀缺的条件下，使用分组交换模式意味着同一个无线信道可以给多个用户一同分享，从而提高数据传输效率与资源的利用率。分组交换能提供极速即时的连接，因为其接入时间短，在处理数据发送到服务器的过程中大大提高了效率。GPRS有时会出现丢包现象，这是因为GPRS比GSM在与服务器或移动设备上的衔接相对差一点。由于丢包现象相对来说还是比较少的，所以还是选择GPRS模块来传输数据到服务端。