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基于合宙Air700E的4G环境监测节点（温湿度、气压等数据）
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简介
基于合宙Air700E的4G环境监测节点（温度、湿度、气压等数据），通过MQTT上传阿里云物联网平台。同时ESP32C3通过WiFi连接MQTT服务器订阅数据并显示在LCD上。
简介：基于合宙Air700E的4G环境监测节点（温度、湿度、气压等数据），通过MQTT上传阿里云物联网平台。同时ESP32C3通过WiFi连接MQTT服务器订阅数据并显示在LCD上。开源协议
：CC BY-NC-SA 4.0
(未经作者授权，禁止转载)创建时间：2023-10-17 11:11:45更新时间：2024-07-30 14:13:33
描述
基于合宙Air700E的4G环境监测节点（温度、湿度、气压等数据），通过MQTT上传阿里云物联网平台。
介绍
合宙Air700E 4G模块读取传感器（温度、湿度、气压等）数据并通过MQTT协议上传阿里云物联网平台，数据也会同时显示在0.96寸的OLED屏幕上，使用了U8g2图形库。
ESP32C3 WiFi模块通过MQTT协议订阅4G节点上传的数据并显示在LCD屏上，使用了LVGL图形库。
这是我的一个课程设计，随便做做的，不是很完善。
题目要求：设计并制作无线通信系统，结合上学期所学知识，将本地采集的温、湿度/超声波测量距离通过无线收发的方式，发送到主机/接收端，并在接收端利用 LCD显示相关信息，具体要求如下：
⑴ 蓝牙无线传输系统设计实现
⑵ WiFi 无线传输系统设计及实现
⑶ ZigBee 无线传输系统设计及实现
⑷ GPRS/GSM 无线传输系统设计及实现
(5) 4G 无线传输系统设计及实现
(6) NBIoT/LoRa 无线传输系统设计及实现
提示：可用 8/16/32 处理器作为主控制器，按照本小组选定的综合部分内容来进行选型，至少完成 2 个小项，其中（1）（2）（3）选 1 个完成，（4）（5）（6）选 1 个完成。
Air700E和ESP32C3我都是使用LuatOS系统+Lua脚本的开发方式来开发的。
LuatOS固件是我使用合宙的云编译生成的。
ESP32C3上自带的4MByte的flash被我换成了8MByte的了，固件也是大于4MB的，因为加了LVGL图形库以及几种字体。
阿里云学生优惠地址：https://www.aliyun.com/daily-act/ecs/activity_share?userCode=jdjc69nf
注意： 由于阿里云物联网平台不同设备间不能订阅对方的主题，只能订阅本设备的主题，所以需要在 消息转发→云产品流转 那里添加一条规则，将4G节点设备的发布的消息转发到WiFi节点设备的一个主题。
电子/单片机技术交流QQ群：820537762
实物图
演示视频： https://www.bilibili.com/video/BV1MH4y1B7Df/
整体图
4G节点
WiFi节点
WiFi连接时：
连接上WiFi后开始连接MQTT服务器和NTP时间同步：
显示4G节点采集到的数据：
显示温湿度变化曲线：
物联网平台
阿里云物联网平台上显示的数据：
代码
具体怎么下载代码我就不细说了，自行查看官方文档。
Air700E文档：https://doc.openluat.com/wiki/44?wiki_page_id=4730
LVGL for LuatOS 手册：https://url.zeruns.tech/7z7fN
ESP32-C3文档：https://url.zeruns.tech/497AP
Lua教程：https://url.zeruns.tech/Pc4PA
4G节点
固件下载地址：https://url.zeruns.tech/2G3K7
main.lua文件：
-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "环境监测节点"
VERSION = "1.1.0"
-- 引入必要的库文件(lua编写), 内部库不需要require
sys = require("sys")
aht10 = require "aht10"
bmx = require "bmx"
--添加硬狗防止程序卡死
if wdt then
wdt.init(9000)--初始化watchdog设置为9s
sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end
print(_VERSION)
log.info(mobile.ipv6(true)) --开启ipv6
local ProductKey= "xxxxxx" --产品key
local DeviceName= "xxxxxx" --改为你自己的设备名
local DeviceSecret = "xxxxxx" --改为你自己的设备密钥
local client_id, user_name, password = iotauth.aliyun(ProductKey, DeviceName ,DeviceSecret) --生成MQTT三元组
log.info("MQTT参数", client_id, user_name, password)
local softI2C = i2c.createSoft(29, 31, 2) --初始化软件I2C
local aht10_data,bmx_data
local RH,Temp,Press,High,distance,BAT_Voltage,CPU_T = 0,0,0,0,0,0,0 --平均值,湿度、温度、气压、海拔、距离、电池电压、CPU温度
local RH_C,Temp_C,Press_C,High_C,distance_C,BAT_Voltage_C,CPU_T_C = 0,0,0,0,0,0,0 --当前值
local AHT10_flag,BMP180_flag,US100_flag,BAT_Voltage_flag,CPU_T_flag = false,false,false,false,false
all_data = {params = {CurrentVoltage = 0,CurrentTemperature = 0, CurrentHumidity = 0,Atmosphere = 0, Altitude = 0,DetectDistance = 0,CPUTemperature = 0}}
function US_100() --US-100超声波测距模块读取数据
uart.write(1, string.char(0x55)) --发送16进制0x55
sys.wait(50) --延时50毫秒
local hData,lData = string.byte(uart.read(1, 2),1,2) --串口接收2字节
uart.rxClear(1) --清空接收缓存
if hData and lData then --判断是否接收到数据
local Distance_mm = tonumber((hData * 256 ) + lData) --将高8位左移8位后和低8位数据相加
if Distance_mm > 4500 then --判断是否超出测量范围
Distance_mm = 4500
end
--log.info("超声波："..Distance_mm.."mm") --日志输出距离
return (Distance_mm / 10) --算出cm并返回
end
end
-- https://blog.zeruns.tech
sys.taskInit(function() -- 创建一个线程，读取各个传感器数据
sys.wait(500) -- 延时500毫秒
aht10.init(softI2C) -- 初始化AHT10,传入i2c_id
bmx.init(softI2C) -- 初始化BMP180,传入i2c_id
uart.setup(1, 9600, 8, 1, uart.NONE) --初始化串口1
adc.open(0) -- 打开adc通道0,并读取
adc.open(adc.CH_CPU)-- 打开ADC通道-CPU内部温度通道
--adc.setRange(adc.ADC_RANGE_3_8) -- 开启ADC0,1分压电阻，范围0~3.8V
sys.wait(500) -- 延时500毫秒
local RH_sum, Temp_sum, Press_sum, High_sum, distance_sum,BAT_Voltage_sum,CPU_T_sum = 0,0,0,0,0,0,0 --总和，求平均值用
local avg_count, avg_count2,avg_count3,avg_count4,avg_count5 = 0,0,0,0,0
while 1 do
aht10_data = aht10.get_data() --读取AHT10的数据
bmx_data = bmx.get_data() --读取BMP10的数据
distance_C = US_100() --读取US-100的数据
-- 电池电压采样，分压电阻比例：4.7K/10K
BAT_Voltage_C = ((adc.get(0) / 1000 / 1007) * 1473) -- 读取AD0电压值，计算电池电压
CPU_T_C = adc.get(adc.CH_CPU) / 1000 -- 读取CPU温度
-- AHT10温湿度平均值计算
if aht10_data.RH and aht10_data.T then --判断AHT10是否读取到数据
all_data.params.CurrentTemperature = aht10_data.T
all_data.params.CurrentHumidity = aht10_data.RH*100
if avg_count < 6 then --判断是否小于3，累加计平均值
RH_C,Temp_C = aht10_data.RH*100, aht10_data.T --读取温度和湿度的当前值
RH_sum = RH_C + RH_sum
Temp_sum = Temp_C + Temp_sum
avg_count = avg_count + 1
elseif avg_count == 6 then
RH = RH_sum / 6 -- 算出湿度平均值
Temp = Temp_sum / 6 -- 算出温度平均值
log.info("AHT10_data.RH: "..(string.format("%.2f", RH)).." %"," AHT10_data.T: "..(string.format("%.2f", Temp)).." ℃") --日志输出
AHT10_flag = true -- 标志位置位，数据采集完毕
sys.publish("MQTT_P") -- 发布消息，数据采集计算完毕，MQTT可以上报了
avg_count,RH_sum,Temp_sum = 0,0,0 --计数值和总和清零
end
end
--BMP180气压和高度平均值计算
if bmx_data.press and bmx_data.high then
all_data.params.Atmosphere = bmx_data.press
all_data.params.Altitude = bmx_data.high
if avg_count2 < 10 then --判断是否小于10，累加计平均值
Press_C,High_C = bmx_data.press, bmx_data.high --读取气压和高度的当前值
Press_sum = Press_C + Press_sum
High_sum = High_C + High_sum
avg_count2 = avg_count2 + 1
elseif avg_count2 == 10 then
Press = Press_sum / 10
High = High_sum / 10
log.info("BMP180_data.press: "..(string.format("%.2f", Press)).." hPa"," BMP180_data.high: "..(string.format("%.2f", High)).." m")
BMP180_flag = true
sys.publish("MQTT_P")
avg_count2,Press_sum,High_sum=0,0,0
end
end
-- US-100超声波测距 距离平均值计算
if distance_C then --判断是否读取到数据
all_data.params.DetectDistance = distance_C
if avg_count3 < 3 then
distance_sum = distance_C + distance_sum
avg_count3 = avg_count3 + 1
elseif avg_count3 == 3 then
distance = distance_sum / 3
log.info("US-100: "..(string.format("%.1f", distance)).." cm")
US100_flag = true
sys.publish("MQTT_P")
avg_count3,distance_sum = 0,0
end
end
-- 电池电压
if BAT_Voltage_C then --判断是否读取到数据
all_data.params.CurrentVoltage = BAT_Voltage_C
if avg_count4 < 20 then
BAT_Voltage_sum = BAT_Voltage_C + BAT_Voltage_sum
avg_count4 = avg_count4 + 1
elseif avg_count4 == 20 then
BAT_Voltage = BAT_Voltage_sum / 20
log.info("BAT_Voltage: "..(string.format("%.2f", BAT_Voltage)).." V")
BAT_Voltage_flag = true
sys.publish("MQTT_P")
avg_count4,BAT_Voltage_sum = 0,0
end
end
-- CPU温度
if CPU_T_C then --判断是否读取到数据
all_data.params.CPUTemperature = CPU_T_C
if avg_count5 < 20 then
CPU_T_sum = CPU_T_C + CPU_T_sum
avg_count5 = avg_count4 + 1
elseif avg_count5 == 20 then
CPU_T = CPU_T_sum / 20
log.info("CPU_T: "..(string.format("%.2f", CPU_T)).." ℃")
CPU_T_flag = true
sys.publish("MQTT_P")
avg_count5,CPU_T_sum = 0,0
end
end
sys.wait(500)
end
end)
--[[sys.taskInit(function() --创建一个任务，超声波测距，1.5秒一次
uart.setup(1, 9600, 8, 1, uart.NONE) --初始化串口1
sys.wait(1000)
while 1 do
distance = US_100() --读取US-100的数据
if distance then --判断是否读取到数据
log.info("US-100: "..(string.format("%.1f", distance)).." cm")
US100_flag = true
sys.publish("MQTT_P")
end
sys.wait(1500)
end
end)]]
sys.taskInit(function() --创建一个线程，MQTT初始化和数据上报
mqttc = mqtt.create(nil, "a1sJbDQiEqr.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com", 1883,true,true)
mqttc:auth(client_id, user_name, password)
mqttc:keepalive(120) -- 默认值240s
mqttc:autoreconn(true, 3000) -- 自动重连机制
mqttc:on(function(mqtt_client, event, data, payload)
if event == "conack" then
sys.publish("mqtt_conack")
log.info("mqtt", "mqtt已连接")
mqtt_client:subscribe("/sys/"..ProductKey.."/"..DeviceName.."/thing/service/property/set")
elseif event == "recv" then
log.info("mqtt", "收到消息", data, payload)
local mqtt_date = json.decode(payload)
elseif event == "sent" then
log.info("mqtt", "sent", "pkgid", data)
end
end)
mqttc:connect()
while true do
sys.waitUntil("MQTT_P", 3000)
if AHT10_flag then
local json_str = json.encode({params = {CurrentTemperature = Temp, CurrentHumidity = RH}}, "2f") -- 数据改成JSON格式，保留2位小数
mqttc:publish("/sys/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/thing/event/property/post", json_str) -- MQTT上报属性
mqttc:publish("/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/user/update", json.encode(all_data,"2f")) -- MQTT上报属性
AHT10_flag = false
end
if BMP180_flag then
local json_str = json.encode({params = {Atmosphere = Press, Altitude = High}}, "2f") -- 数据改成JSON格式，保留2位小数
mqttc:publish("/sys/"..ProductKey.."/"..DeviceName.."/thing/event/property/post", json_str) -- MQTT上报属性
mqttc:publish("/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/user/update", json.encode(all_data,"2f")) -- MQTT上报属性
BMP180_flag = false
end
if US100_flag then
local json_str = json.encode({params = {DetectDistance = distance}}, "1f") -- 数据改成JSON格式，保留2位小数
mqttc:publish("/sys/"..ProductKey.."/"..DeviceName.."/thing/event/property/post", json_str) -- MQTT上报属性
mqttc:publish("/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/user/update", json.encode(all_data,"2f")) -- MQTT上报属性
US100_flag = false
end
if BAT_Voltage_flag then
local json_str = json.encode({params = {CurrentVoltage = BAT_Voltage}}, "2f") -- 数据改成JSON格式，保留2位小数
mqttc:publish("/sys/"..ProductKey.."/"..DeviceName.."/thing/event/property/post", json_str) -- MQTT上报属性
mqttc:publish("/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/user/update", json.encode(all_data,"2f")) -- MQTT上报属性
BAT_Voltage_flag = false
end
if CPU_T_flag then
local json_str = json.encode({params = {CPUTemperature = CPU_T}}, "2f") -- 数据改成JSON格式
mqttc:publish("/sys/"..ProductKey.."/"..DeviceName.."/thing/event/property/post", json_str) -- MQTT上报属性
mqttc:publish("/"..ProductKey.."/".. DeviceName.."/user/update", json.encode(all_data,"2f")) -- MQTT上报属性
CPU_T_flag = false
end
end
end)
-- https://blog.zeruns.tech
sys.taskInit(function()
u8g2.begin({ic = "ssd1306",direction = 0,mode="i2c_hw",i2c_id=1,i2c_speed = i2c.FAST}) -- direction 可选0 90 180 270
u8g2.ClearBuffer() --清屏
u8g2.SetFont(u8g2.font_opposansm10) --切换字体
u8g2.DrawUTF8("IMEI:", 0, 16)
u8g2.DrawUTF8(mobile.imei(), 0, 32)
u8g2.SendBuffer()
--ntp同步时间
--socket.sntp()
socket.sntp({"ntp.aliyun.com","ntp1.aliyun.com","ntp2.aliyun.com"}) --sntp自定义服务器地址
--socket.sntp(nil, socket.ETH0) --sntp自定义适配器序号
sys.subscribe("NTP_UPDATE", function()
log.info("sntp", "time", os.date())
sys.publish("NTP_OK")
end)
sys.subscribe("NTP_ERROR", function()
log.info("socket", "sntp error")
socket.sntp()
end)
sys.wait(1000)
sys.waitUntil("NTP_OK", 3000)
u8g2.ClearBuffer() --清屏
u8g2.SetFont(u8g2.font_opposansm10) --切换字体
u8g2.DrawUTF8(os.date("%Y-%m-%d"), 0, 16) --显示时间
u8g2.DrawUTF8(os.date("%H:%M:%S"), 0, 32) --显示时间
local IP = socket.localIP() --显示IP地址
if IP then
u8g2.DrawUTF8("IP:"..IP, 0, 63)
end
u8g2.SendBuffer()
sys.wait(2500)
while true do
u8g2.ClearBuffer() --清屏
u8g2.SetFont(u8g2.font_sarasa_m10_ascii)
if Temp_C then
u8g2.DrawUTF8("T:"..(string.format("%.2f", Temp_C)).."°C", 0, 16)
end
if RH_C then
u8g2.DrawUTF8("RH:"..(string.format("%.2f", RH_C)).."%", 0, 32)
end
if Press_C then
u8g2.DrawUTF8("P:"..(string.format("%.2f", Press_C)).."hPa", 0, 48)
end
if distance_C then
u8g2.DrawUTF8("D:"..(string.format("%.1f", distance_C)).."cm", 0, 63)
end
if High_C then
u8g2.DrawUTF8("H:"..(string.format("%.2f", High_C)).."m", 61, 16)
end
if BAT_Voltage_C then
u8g2.DrawUTF8("B:"..(string.format("%.2f", BAT_Voltage_C)).."V", 66, 32)
end
if CPU_T_C then
u8g2.DrawUTF8("CPUT:"..(string.format("%d", CPU_T_C)).."°C", 63, 63)
end
u8g2.SendBuffer() --显示数据更新到屏幕
sys.wait(200)
end
end)
sys.taskInit(function() --创建一个线程，500毫秒闪一次LED
gpio.setup(27, 0) -- 设置gpio27为输出,且初始化电平为低,使用硬件默认上下拉配置
while true do
gpio.toggle(27) --gpio翻转电平
sys.wait(500)
end
end)
--[[
支持字体
["unifont_t_symbols","open_iconic_weather_6x_t","opposansm8","opposansm10","opposansm12","opposansm16","opposansm20",
"opposansm24","opposansm32","sarasa_m8_ascii","sarasa_m10_ascii","sarasa_m12_ascii","sarasa_m14_ascii",
"sarasa_m16_ascii","sarasa_m18_ascii","sarasa_m20_ascii","sarasa_m22_ascii"]
]]
-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!
WiFi节点
固件下载地址：https://url.zeruns.tech/a7eXJ
main.lua文件：
由于描述超字数限制了，请到这篇文章看：https://blog.zeruns.tech/archives/747.html
用到的硬件
用到的硬件模块和购买地址：
- 4G模块：Air700E，https://s.click.taobao.com/gMXE14u
- WiFi模块：ESP32-C3，https://s.click.taobao.com/VU6E14u
- 温湿度传感器：AHT10，https://s.click.taobao.com/0bmD14u
- 气压传感器：BMP180，https://s.click.taobao.com/lj5E14u
- 超声波测距模块：US-100（用串口通信模式），https://s.click.taobao.com/K0o5X3u
- LCD屏幕：1.47寸的ST7789，分辨率172*320，https://s.click.taobao.com/qalD14u
- OLED屏幕：0.96寸的SSD1306，I2C接口，https://s.click.taobao.com/otWD14u
- 电池充放电芯片：IP5306-CK（注意要买CK版本的，普通版本的放电电流太小时会自动关断输出，不适合单片机用），https://s.click.taobao.com/eu85X3u
- 电池：亿纬35V-18650，3500mAh，https://s.click.taobao.com/uUc5X3u
元器件购买推荐立创商城，优惠注册链接：https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
板上所有元器件都可以在立创商城买到，在开源链接里的BOM表那点立即到立创商城下单可将用到的元器件一键导入到购物车。
物联网平台设置说明
具体看教程：https://blog.zeruns.tech/archives/747.html
其他开源项目推荐
- STM32F030C8T6最小系统板和流水灯（原理图和PCB）：https://blog.zeruns.tech/archives/715.html
- 画了个 MSP430F149的最小系统板 开源出来了：https://blog.zeruns.tech/archives/713.html
- 2007年电赛电源题：30到36V可调升压DCDC模块（UC3843）：https://oshwhub.com/zeruns/36v-sheng-ya-dcdc-mo-kuai-uc3842
- STC12C5A60S2最小系统板/51单片机温度显示和温度控制风扇：https://blog.zeruns.tech/archives/721.html
- 移植好U8g2图形库的STM32F407标准库工程模板：https://blog.zeruns.tech/archives/722.html
- 沁恒CH32V307VCT6最小系统板开源：https://blog.zeruns.tech/archives/726.html
- LM25118自动升降压可调DCDC电源模块：https://blog.zeruns.tech/archives/727.html
- EG1164大功率同步整流升压模块开源，最高效率97%：https://blog.zeruns.tech/archives/730.html
设计图
未生成预览图，请在编辑器重新保存一次BOM
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