如何从嵌入式开发/云平台开发/Android端来实现一个物联网应用开发?

  这是我的物联网开发系列文章，将介绍如何从嵌入式开发、云平台开发、Android端开发来实现一个简单的物联网应用开发，体验物联网全栈开发的过程，积累开发的经验。
本篇文章为系列文章的第一篇，主要介绍该系统的实现目标，硬件、软件环境，使用的协议，系统的基本框架等内容。
接下来是暑假，争取系列文章每周更新一到两篇。

一、关于物联网应用

1.物联网应用的典型架构

• 物联网设备：物联网的终端感知设备；
  
• 网关：物联网设备通常通过无线方式接入互联网。网关通过无线接收数据，并通过有线将数据传输到物联网云平台；
  
• 物联网云平台：功能主要包括存储物联网感知数据，提供相应的数据查询、分析、处理、展示；物联网终端、网关设备的接入和管理；设备间通信支持；多重安全防护保障等；
  
• 客户端：应用开发者开发的各类用户端应用。
  
  

2.物联网应用的分层架构

上述的物联网的典型架构实际上也可以简化为一种三层的层次架构——感知控制层、网络层、应用层。

• 感知控制层：指物联网终端设备，包括传感设备（如温度传感器）和控制设备（如电机），是获取物联网数据的起点，同时也对某些量（如温度）进行控制的实现终端。
  
• 网络层：主要指网关、物联网云平台以及相关的通信协议（如：MQTT、TCP/IP、WiFi），负责网络通信和数据的操作和存储。
  
• 应用层：指Web网页、手机APP、小程序等用户端的应用程序，向用户提供管理设备、查看数据等服务。
  
  

二、关于MQTT协议

1.MQTT协议的简介

MQTT(消息队列遥测传输) 是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族上。
MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。1
2.MQTT协议的特点

MQTT协议具有以下主要的几项特性：

• 使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；
  
• 对负载内容屏蔽的消息传输；
  
• 使用 TCP/IP 提供网络连接；
  
• 有三种消息发布服务质量（QoS）：
  
  

• “至多一次”（QoS0），消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
  
• “至少一次”（QoS1），确保消息到达，但消息重复可能会发生。
  
• “只有一次”（QoS2），确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。
  
  

• 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；
  
• 使用 Last Will （遗嘱）和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
  
  

三、系统实现目标

1.设备端

• 设备端能够通过传感器获取温度、湿度和亮度的数据；
  
• 设备端能够根据预设的条件（如：温度达到某个数值）自动开启LED或者风扇；
  
• 设备端能够通过OLED屏幕显示当时的数据和时间；
  
• 设备端能通过蜂鸣器提供声音反馈（例如：故障）；
  
• 设备端通过WiFi协议、MQTT协议等网络通信协议接入云端，实现上报数据、获取云端数据的功能；
  
• 设备端能够通过按键进入近场WiFi连接模式，提供热点与手机连接，并在APP端中可以获取设备信息、设置WiFi参数；
  
• 设备端能够通过阿里云物联网平台的NTP服务联网获取unix时间。
  
  

2.网页端

• 基于阿里云物联网平台的IoT Studio开发出网页端，能够实现远程控制设备、查看设备数据和状态、查看云端历史数据；
  
• 网页端能够通过域名进行外部访问。
  
  

注：阿里云物联网平台的IoT Studio开发的Web网页需要通过绑定外部域名才能实现外部访问，否则只能通过阿里云平台进行访问。
3.APP端

• APP端通过阿里云的API获取云端的数据；
  
• APP端能够远程控制设备、查看设备的数据；
  
• APP端能够通过连接设备端的热点获取设备信息、控制设备。
  
  

注：由于目前阿里云物联网平台IoT Studio的移动应用可视化开发功能没有对所有用户开放，所以我这里只能在Android Studio通过阿里云的API实现APP的相关的功能。
四、硬件选择和软件环境

1.硬件

1.1设备端

[tr]项目型号用途图片[/tr]

单片机	STM32F103C8T6	作为设备端的主控模块
温湿度模块	DHT11	获取温湿度的数据
亮度模块	光敏电阻传感器（4针）	获取亮度的数据
通信模块	ESP-12S模块（ESP8266)	通过串口AT指令进行WiFi通信
显示模块	0.96寸OLED显示屏（SPI IIC 7针）	显示设备状态和当前的数据
声音模块	有源蜂鸣器（高电平触发）	当进行某些操作或者设备故障时提供一定的声音反馈
电机模块	130电机马达+继电器模块	风扇降温功能（文章首发时此处电机模块使用的是28BYJ-48步进电机，后来发现手头还有个130电机，所以电机模块就换成了130电机）
电源模块	3.3V、5V、12V输出DC输入模块+带DC头的电池盒	提供多种电源电压

1.2辅助硬件

[tr]项目型号用途图片[/tr]

下载调试器	STLink V2	为STM32提供下载调试程序的功能
USB转TTL模块	CH340	作为串口通信调试使用
ESP-12S模块转接板		为ESP-12S模块提供转接功能（从安信可官方淘宝店购买的ESP-12S模块本身没有焊接排针，所以需要自己焊接相关器件）
杜邦线	母对母、公对公、公对母	连接各个模块的引脚	略
面包板		方便一些线路（如：VCC、GND）的共享使用	略
面包板专用跳线		用于面包板上的线路连接	略
焊接工具	电烙铁、松香、焊锡、镊子等	用于焊接排针等	略

2.软件平台

2.1云平台

• 阿里云物联网平台：阿里云官网链接
  
• 阿里云域名、CDN、云解析DNS等业务
  注：以上业务仅仅用于域名的注册、备案、解析等业务，如果不需要在Web端使用域名的话可以不开通此类业务。
  
  

2.2开发软件

[tr]软件版本下载链接/安装教程[/tr]

Keil μVision5（MDK5）	V5.18.0	链接
STM32CubeMX	5.6.1	链接
Android Studio	4.0	链接
安信可串口调试助手	v1.2.3	链接
ESP Flash下载工具	v3.8.5	链接
字模软件	PCtoLCD2002	链接
阿里云物联平台配置软件	v1.0.0	链接