收稿日期：2021-02-04
基金项目：2017年福建省中青年教师教育科研项目《基于Zig-Bee的分布式智能门禁系统》（JAT170838）；2020-2021学年厦门大学嘉庚学院大学生创新创业训练计划项目《基于UWB定位技术的工厂事故预防统》。
第一作者简介：邱义（1984—），男，湖南浏阳人，毕业于浙江大学，硕士，讲师，研究方向物联网技术、工业机器人、机器视觉等。通信作者：郭一晶（1980—），男，福建莆田人，毕业于厦门大学，硕士，副教授，研究方向大数据分析、操作系统等。DOI:10.16525/jki.14-1362/n.2021.04.21
总第202期2021年第4期Total of202 No.4，2021
工业设计
现代工业经济和信息化
Modern Industrial Economy and Informationization
基于阿里云IOT的机房环境监测系统设计与实现
邱义，郭一晶，李舜
（厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院，福建漳州363105）
摘要：设计了一款基于阿里云物联网的机房环境监测系统，该系统下层采集节点通过传感器模块采集环境数据并利用Paho MQTT Client协议栈接入阿里云物联网平台，采集数据经阿里云物联网平台转发至用户服务器；上层服务器应用程序采用前后端分离架构设计，Java后端从阿里云物联网获取数据并存储至本地MySQL 数据库，而JavaScript前端以图形化形式实时展示机房环境数据。该系统可广泛应用于各种室内场景，并且可根据用户的需求进行二次开发以增强系统实用性。
关键词：STM32；阿里云；MQTT；环境监测；物联网
中图分类号：TP368.2文献标识码：A文章编号：2095-0748（2021）04-0049-03
引言
随着互联网的发展，云服务器、云数据库、对象存储、云计算以及云通信平台等各类云服务产品不断涌现，相应的计算机和网络设备也持续增加，各厂商和公司的机房规模不断扩大。为保障设备的正常运行，机房温湿度的监控预警机制愈加重要。机房作为数据中心，其温湿度必须保持在适宜范围内，如果机房温湿度长期处于正常范围之外，计算机设备就有可能发生异常，轻则性能下降，重则器件损坏，温度过高时甚至可能引发火灾。室内温湿度的传统监测方案是使用环境参数传感器模块采集数据并通过有
线网络进行传输，应用场景多是在工业现场环境，这种方式灵活性较差、精度低、占地空间大，难以适应现代机房的发展需求[1]。
基于上述情况，在具体产品设计中必须考虑传输距离、传输速率、功耗和成本等因素。随着信息科学技术的迅速发展，无线通信技术已广泛应用于各类网络通信实施方案中，而新型无线通信技术将作为核心技术在未来新兴技术的发展中发挥巨大的力量和作用。为了满足日益增长的需要，论文设计了基于阿里云物联网平台的机房环境监测系统用以服务广大机房，实时监测室内温湿度。具体实现为采用温湿度传感器对温湿度环境参数进行监测并将采集数据通过Wi-Fi无线通信技术传输到阿里云物联网平台，物联网平台转发采集数据至用户Web应用端进行可视化展示与预警。
1总体设计
文中设计的机房环境监测系统基于Paho MQTT Client协议栈接入阿里云物联网平台实现数据全链路通信，按物联网体系结构总共分为三层，即应用层、平台层以及感知网络层。应用层采用前后端分离架构实现，前端采用React+Umi+Dva框架，后端采用Spring Boot框架和MySQL数据库实现；平台层使用阿里云物联网平台接收与转发数据；网络层和感知层通过STM32开发板、Wi-Fi无线通信模块以及传感器Sensor模块完成数据采集和传输。各层之间采用MQTT、HTTP/2或HTTP等协议进行通信，系统总体架构设计如图1所示。
传感器节点将实时采集到的数据上传至Web 端后，Web端应用以图形化方式展示温湿度数据当前值以及历史曲线图。通过浏览器还可以设置温度报警阈值，当环境参数超出正常范围时自动发出警报信息，同时在机房现场以LED灯指示当前室内环
wispring是什么意思Web端应用
阿里云物联网平台
STM32+Wi-Fi模块+Sensor模块
应用层
平台层
感知网络层
HTTP
MQTT
图1环境监测系统总体结构图
第11卷现代工业经济和信息化
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境异常情况。
2感知网络层设计
感知网络层主要实现温湿度的采集与传输，包括以下功能。
1）感知节点每5s采集一次温湿度值，并通过Wi-Fi无线通信发送到阿里云物联网平台，同时闪烁绿灯代表当前通信正常。
2）阿里IOT平台转发采集数据至用户服务器，存储到用户自建数据库MySQL中，同时在服务器前端的页面显示温湿度当前值以及历史数据曲线。
3）当节点端温度超过设置的阈值后，报警红灯常亮并向阿里云物联网平台上报温度超限的报警信息，同时报警信息也会被物联网平台转发到用户服务器上。用户可以从Web控制台解除警报并可派维护人员检查机房工作现场，同时节点收到解除报警信息后红灯从常亮状态变成闪烁状态，直到温度恢复到阈值以下，红灯状态才会切换回熄灭。
4）如果上报温度超限10s内未收到解除警报信息，节点会重复上报。维护人员根据机房感知节点绿灯和红灯的状态可以知道当前温湿度环境状态。
感知节点的中央处理芯片采用意法半导体公司NUCLEO-L4R5ZI开发板，选用该款开发板的原因在于其超低功耗，可通过Arduino接口外接其他功能扩展板，并且板载STLINK调试接口以及支持USB供电等特性。Sensor传感器模块采用X-NU-CLEO-IKS01A2环境传感器扩展板，该扩展板搭载了多种环境传感器（温湿度、压力）和运动传感器（加速度、陀螺仪）等各种常用传感器。Wi-Fi通信采用EXT-AT3080无线模块开发板，该板搭载Wi-Fi模块和天线连线扩展板[2]、感知网络节点硬件模块如图2所示。
STM32L4R5ZI核心板采用I2C通信方式与X-NUCLEO-IKS01A2传感器扩展板连接并读取传感器采集到的温湿度数据；通过串口UART与Wi-Fi扩展板EXT-AT3080进行通信，配置Wi-Fi 连接后节点能正常发送温湿度数据和接收阿里云IOT转发的控制命令[3,4]；通过串口连接STLINK，可以与PC端的串口工具进行通信，在系统开发阶段实现运行信息的显示以方便开发人员进行开发调试；同时开发板还集成了二个LED状态指示灯以及一个控制按钮，用以指示程序运行的状态以及报警提示。系统主控芯片STM32外接模块各引脚定义和功能介绍如表1所示。
感知网络层根据系统设计其软件架构如图3所示，由应用层、中间件和驱动层组成。
1）应用层：包括了阿里云MQTT连接适配层和节点端的业务程序。根据阿里云物联网平台的要求，阿里
云MQTT连接适配层需要用户提供三元组信息构建相应的MQTT连接参数和主题，再调用Paho MQTT底层提供的API进行MQTT连接和通信。
2）中间件：包括了Paho MQTT协议栈和mbedTLS 协议栈，系统设计时只用到了其中的HMAC-SHA1模块以及ST的网络接口抽象层，网络接口抽象层对底层的网络驱动函数进行封装，向上提供统一的网络接口函数，从而将应用层的代码与底层物理网络结构分开。因此以太网、Wi-Fi、2G或3G等不同连接方式切换时候不会影响到应用代码，系统设计采用Paho MQTT通过网络抽象层向下调用对应的Wi-Fi 驱动来完成网络数据的发送和接收。
3）驱动层：包括STM32L4Cube HAL硬件抽象层、传感器驱动以及Wi-Fi模块。HAL硬件抽象层向上层软件提供了各个外设的接口函数，包括通用
按键LED STLINK
GPI0
GPI0
UART
Timer
Systick
UART
I2C
EXT-AT3080
X-NUCLEO-IKS01A2
STM32L4R5Z1
图2感知网络节点硬件模块图
表1STM32L4R5ZI引脚分配表
引脚类型连接设备功能
PD8、PD9UART Wi-Fi模块串口USART3通信，Wi-Fi无线连接
PB8、PB9I2C温湿度模块I2C通信方式，获取温湿度数据
PG7、PG8UART STLINK
连接到STLINK USB虚拟串口，系统
调试
PC13GPIO用户按键GPIO外部中断，系统配置控制按键
PC7GPIO LED（绿灯）温湿度数据上传指示
PB14GPIO LED（红灯）报警指示
应用层
中间件
驱动层
感知节点业务程序
阿里云MQTT连接适配层
PahoMQTT
Em bedded C
mbedTLS（HM AC SHA1）
网络接口的抽象
传感器驱动
Wi-Fi模块驱动
STM32L5Cube
HAL硬件抽象层
图3感知网络节点软件架构
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2021年第4期的或者是扩展属性的API 。中间件程序可以通过调用这些API 函数来操作外设，这样便不
会导致上层软件依赖于某个特定的MCU ，使得程序更具有复用性，并且容易移植到其他的MCU 系列上。STM32L4Cube HAL 抽象驱动层和传感器驱动都可以通过STM32CubeMX 工具进行图形化的配置自动生成相关代码。
3Web 应用服务器设计
传统Web 应用开发模式采用前端代码和后端代码耦合方式，容易导致代码混乱不堪，极大降低了项目的可维护性，增加了维护成本。同时开发人员在开发过程中不仅要设计后端架构还要兼顾前端展示，造成开发效率低下、开发周期拖延[5]。因此论文设计的机房温湿度监测系统其Web 应用层采用前后端分离架构实现，在开发过程中使用EC-MAScript 6标准组织代码，应用当前最为流行的框架构建设计所需要的Web 应用。前端采用Re-act+Umi+Dva 框架，后端采用Spring Boot 框架+MySQL 数据库实现。
Web 应用前端使用ReactJS 、DvaJS 、UmiJS 、Bizchart 以及Ant Desing 技术，ReactJS 是一个用于构建用户界面的JavaScript 库；UmiJS 是一个可插拔的企业级React 应用框架，提供路由功能；Ant De-sign 为UI 库；DvaJS 实现组件的数据管理；Bizchart 绘制温湿度时间曲线。Web 应用服务后端基于阿里云物联网平台HTTP/2SDK 开发，采用订阅方式获取采集数据，使用以Java 语言实现的Spring-Boot+Mybatis 轻量级框架开发服务端程序，并利用MySQL 结构化数据库存储设备数据，前后端通过HTTP 协议的API 接口实现数据交互。
Web 应用服务主要实现功能包括：用户可以使用浏览器查看当前温湿度数值、近期历史数据曲线以及报警状态等，同时也可以从网页端设置温湿度阈值以及解除警报。针对应用系统的安全性考虑，需要设计用户管理功能，保证相关人员才能登陆该系统，即只有授权用户才能对所维护的感知层节点进行监控和操作，不同的用户权限能查看和控制感知节点是不同的，重要的系统功能仅高级管理员用户使用。为实现应用系统功能，数据库设计如下。
1）设备信息表：存储感知节点的基础信息。可供管理者查看设备当前信息，及时了解设备当前状态。该表有感知节点名称、当前温度值、当前湿度值、温度报警阈值、报警状态、最近一次报警时间、最近一次上线时间、在线状态以及数据更新时间。
2）监控历史记录表：存储感知节点监控的历史记录数据，可供管理者查看历史信息，以便分析感知节点所处机房的运行状态。该表有感知节点名称、温度值、湿度值、记录时间。
3）设备报警历史记录表：存储报警的历史记录数据，可供管理者查看报警历史信息，更好地排查不稳定因素，保障室内环境的安全。该表有感知节点名称、报警时温度值、报警时温度阈值、报警时间。
4）公告记录表：存储系统具有详细记录情况的公告数据，可供不同的管理者及时相互告知监测情况、设备报警情况等，公告保留每次记录并且不能删除。该表有公告的发布者、主题、内容、创建时间。
5）用户信息表：存储系统用户的信息数据。该表有用户的编号、姓名、、角、备注、账号创建时间、账号、密码以及最后一次登录时间。
利用浏览器访问Web 服务端，其环境数据展示如图4所示。
在完成机房温湿度监测系统设计方案和程序开发后，测试其实际应用以验证分析系统的功能和性能，系统按照预期目标成功运行并且功能正常。测试过程如下：设计的节点端设备放在室内环境中进行温湿度数监测，并将所测到的温湿度数值与传统温湿度检测仪表所测数据进行对比分析，对比结果发现监测系统测得温度误差低于±2℃，湿度（RH ）误差低于±5%。结果表明机房温湿度监测系统具有良好的精确度以及稳定性，可以满足实际的室内机房温湿度监测需求。4结论
论文设计的基于阿里云物联网平台以及STM32L4R5ZI 处理芯片的机房温湿度监测系统经过实践和验证功能和性能满足设计需求，系统能够实时对机房温湿度进行精确稳定的监测，同时远程服务器可长时间记录历史数据，并实现用户的管理以及权限的控制保障数据的隐私及系统的安全。该系统在机房的智能化管理方面实践上具有一定的实际意
图4机房环境监测系统界面展示
设备当前状态
设备在线状态
设备报警状态
设备实时温度
设备实时测量
最新一次上报时间：2020-06-2322:09
最近上线时间
2020-06-2322：09最近报警时间
2020-06-2322:09
温度报警阈道
26℃
湿度传感器DH11传感器
在线
报警
27℃
70%
设备历史状态
设备历史报警
选择查询时间100%80%60%40%20%
0%
27℃26.8℃26.6℃26.4℃26.2℃26℃
温度报警阈值：26℃
2020-06-2322:07
2020-06-2322:08
06-0100:00:00~06-2322:08:29修改温度阈值26.5℃
邱义，郭一晶，李舜：基于阿里云IOT 的机房环境监测系统设计与实现
（下转第54页）
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第11卷
现代工业经济和信息化
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义，可广泛应用于各种室内场景，同时具有良好的拓展性，并且可根据用户的需求定制化进行二次开发增强实用性。
参考文献
[1]王宇晴，霍佳楹，张恩萌，等.基于物联网的室内环境感知系统设计[J].电脑知识与技术,2019,15（22）：97-98.
[2]
金恩曼，陈培余.一种智能大棚的温湿度检测系统[J].数字技术与应用，2019，37（7）：85-87.
[3]张晶.基于单片机的室内环境监测设计[J].电子技术与软件工程，2019（13）：243.
[4]吴演驰.基于C 语言的交叉通讯系统的设计[J].电脑知识与技术，2010（7）：1598-1599；1611.
[5]
柳海燕.基于WordPress 的多语言企业信息门户网站开发[J].电脑编程技巧与维护，2017（11）：28-30.
（编辑：刘楠）
Design and Implementation of Indoor Environment Monitoring
System Based on Aliyun IOT Platform
Qiu Yi,Guo Yijing,Li Shun
(School of Information Science &Technology,Xiamen University Tan Kah Kee College,
Zhangzhou Fujian 363105)
Abstract:This paper introduces a kind of environment monitoring system based on aliyun IOT platform,which con-sists of collection nodes,IOT platform and web application.The collection nodes gather environmental data by the sen-sors,and send the data to the aliyun IOT platform through the Paho MQTT Client protocol stack.The web application obtains data from IOT platform,and displays the data in graphical mode.This system could be applicated widely in various indoor scenes,and it also can be customized for user requirements.Key words:STM32;aliyun;MQTT;environment monitoring;IOT
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参考文献
[1]刘军青.10千伏配电网规划和建设管理模式研究[J].百科论坛电子杂志，2018（23）：454.
[2]刘立成，谭畅.配电网运行、规划信息分析与软件设计[J].消费导刊，2018（29）：256.
[3]刘子卉.探索10千伏配电线路降损优化途径[J].中国电力企业管理，2019（20）：41.
[4]
练刚.10kV 配网输电线路规划设计初探[J].中国新技术新产品，2017（24）：70-71.
[5]徐永林.10kV 配电网线路的建设与改造分析[J].百科论坛电子杂志，2019（7）：358.
[6]陈玉.基于配电网自动化系统的10千伏线路继电保护整定计算分析[J].数字化用户，2019（25）：245.
[7]赵汉忠.电力系统10千伏配电线路安全运行维护措施分析[J].数码设计（上），2019（10）：150.
[8]
徐啸.10千伏配电线路常见故障原因及运检管理分析[J].数码设计（上），2019（12）：91-92.
（编辑：刘楠）
Analysis of 10kV Distribution Line Planning and Design in Power
Enterprises
Wu Qiang,Wang Jianyu
(Quzhou Guangming Electric Power Design Co.,Ltd.,Quzhou Zhejiang 324000)
Abstract:Under the premise of the continuous improvement of social requirements for power quality,the construction of distribution lines also needs further development.Based on this,this paper studies and analyzes the 10kV distribu-tion line planning and design of power enterprises,in order to reduce the possibility of related distribution line fault.Key words:electric power enterprise;10kV distribution line;planning and design;analysis
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