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尽一份孝心，为家人做一个老人防摔报警系统

 1 year ago
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摘要：基于STM32+华为云IoT设计的老人防摔倒报警系统。

本文分享自华为云社区《​ ​基于STM32+华为云IOT设计的老人防摔倒报警系统【玩转华为云】​​》，作者： DS小龙哥 。

我国独生子女，以及人口老龄化等问题，正逐渐成为一个重大的社会问题，老年人机体能力的下降，摔倒引起的安全和危害愈来愈突出，国家和社会越来越关注老年人的健康和安全，开发一个能够实时检测出老年人是否摔倒，并且能及时告知监护人的摔倒检测以及报警系统具有重要的现实意义。本系统包括检测摔倒模块、GPS定位模块和通信模块三部分，通过检测老年人日常状态，可以得知老年人的状态，如果监测到老年人摔倒了，此时会通过网络把检测结果上传到物联网云平台，获得老年人摔倒地点的GPS定位，并且通过GPRS通讯发短信给预设的监护人。

2. 设计需求

（1）采用STM32单片机作为主控芯片，配合其他模块完成功能设计

（2）通信模块采用SIM800C，支持上传采集的GPS经纬度数据到云端服务器，云端采用华为云物联网平台。

（3）老人摔倒检测采用MPU6050陀螺仪检测，当检测到老人摔倒之后，会通过SIM800C发送短信到紧急联系人，设备上的蜂鸣器会发出警报声，周围行人听到也可以进行帮助；并且会将GPS数据上传到云端，通过地图显示老人的位置，家人通过短信知道老人摔倒后，通过云端地图显示的位置，可以快速赶到老人身边，或者报警求助，报告位置。

（4）老人摔倒后，如果自己能行动，没有大问题，可以自己按下设备上的按键取消蜂鸣器报警，并且通过SIM800C向家人发送一条短信，报平安。

3. 设计的实物效果

为了快速验证方案的可行性，这里采用现成的模块采用杜邦线连接完成整个预想的功能设计。

下面就是硬件连接好之后的效果图，选用的硬件型号在第4章节已经全部贴出来了；为了方便户外测试，这里的供电电源采用了充电宝，也可以采用电池盒供电。

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可以设置电子围栏，坐标超出之后进行提示。

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4. 硬件选型

主控芯片采用STM32RCT6，通信模块采用SIM800C，GPS采集使用ATGM336北斗BDS+GPS双模模块，老人摔倒检测模块采用MPU6050陀螺仪。

这些都是采用现成的成品模块，都是在淘宝上买的，下面都贴出了模块的型号，模块的实物截图，如果自己想做一个，可以在淘宝上找到一样的模块型号购买。

4.1 SIM800C

SIM800C模块是一款高性能高性价比工业级的GSM/GPRS模块。本模块采用SIMCOM公司的工业级四频850/900/ 1800/1900MHz SM800芯片，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。

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模块特点：

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模块特点：

1、支持极限DC5V-18V宽电压输入

2、有电源使能开关引脚EN

3、支持锂电池供电接口VBAT3.5-4.5V

4、输入支持移动和联通手机卡Micro SIM卡

5、送51/STM32/ARDUINO驱动例程

6、DC 5V-18V电源输入，推荐使用DC 9V

7、电源开始使能引脚默认使能

8、电源地

9、GSM模块的TXD引脚接其它模块的RXD

10、GSM模块的RXD引脚接其它模块的TXD

11、数据终端准备

12、内核音频输出引脚

13、内核音频输出引脚

14、锂电池输入引脚，DC 3.5 - 4.5V

15、电源地

16、启动引脚和GND短路可实现开机自启动

17、电源地

18、RTC外置电池引脚

19、内核振铃提示引脚

20、内合音频输入引脚

21、内核音频输入引脚

加粗的引脚一般都用到。

建议使用V_IN单独供电DC5-18V输入（推荐使用9V)，或者VBAT供电锂电池两种供电方式这两种供电方式最稳定。如果只是简单调试，也可使用USB-TTL或者开发板的5V直接给模块供电。不过一般电脑或者开发板的功率有限，可能会不稳定。请根据具体情况自己取舍选择合适电源。

总结：

模块本身支持自适应波特率，可以自动根据发送过去的指令计算对应的波特率，一般使用115200即可。

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模块调试总结：

（1）供电电压5V也可以，采用电脑USB供电（直接插电脑USB口）。正常供电之后，模块上有电源指示灯。

（2）SIM800C的TX脚接单片机的RX脚

（3）SIM800C的RX脚接单片机的TX脚

（4）SIM800C的第11个引脚（PWK）和12个引脚（GND）短接接在一起，才可以开机。

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电源正常后，右上角有一个黄色的电源灯。

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通过串口发送AT指令过去测试模块效果。

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4.2 STM32F103C8T6开发板

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4.3 GPS模块

GPS模块正常定位后，模块上的LED灯会按照1秒钟闪烁一次。

返回的字段里GNRMC字段。

第一次启动GPS模块，定位差不多要几分钟时间，定位成功后，第二次启动定位就很快，最好是在室外，室内信号差，定位时间更久。

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4.4 MPU6050陀螺仪

陀螺仪选择的是正点原子的模块，比较稳定，质量较好。

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4.5 蜂鸣器

蜂鸣器选择的高电平触发。

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5. 创建云端物联网服务器

为了方便查看老人摔倒之后的位置，需要通过SIM800C将设备采集的GPS数据上传到云平台服务器保存，就算老人没有跌倒，也可以实时关注老人的位置，在地图上绘制出轨迹线路，方便家人随时联系，了解老人的情况。

这里物联网的平台选择是华为云物联网平台，目前是免费使用的，在云端创建产品等信息后，设备再通过MQTT协议连接云平台上传GPS数据。目前华为云的拖拽试网页开发页面已经下架，目前要开发对应的上位机，可以采用最近主推的低代码开发平台或者自己通过云平台的应用侧开发接口自己开发上位机，我这里是自己开发的上位机，通过QT编写的上位机APP，支持windows、Android、Linux等多个平台运行，跨平台使用还是比较方便。

下面接着就介绍如何登陆官网创建产品、设备、完成云端的产品部署。

5.1 创建产品

官网地址: ​ ​https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html​​打开官网后没有华为云账号需要先注册账号，这些步骤就不多说了，接下来就直接介绍如何创建产品、设备、配置属性、完成数据上传交互的流程。

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点击免费使用进去页面。

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点击左边产品选项，点击右上角创建产品按钮，弹出参数填充对话框。

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根据自己的设备情况填入信息之后保存。

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产品创建成功，点击查看详细信息。

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5.2 创建模型文件

在现在的详情页面往下翻，可以看到模型创建的选项。
点击自定义模型选项，创建模型。
这里的模型就是设备上传的数据属性。

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添加服务ID。

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点击创建属性，这里选择JSON类型的数据，上传的GPS有经纬度两个数据，方便保存。

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创建成功。

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5.3 创建设备

产品是一个大框架的模型，下面可以创建很多具体的设备，目前我这里只有一个硬件设备，就创建一个设备就行了。设备可以手动创建，也支持自动创建，就像现在市面上的智能设备产品，拿到设备后，扫描设备上二维码再通手机APP就可以完成产品的创建，设备的添加。 目前我这里设备就只有一个，而且还要演示整个流程，就在网页上完成整个设备的创建。

链接地址: ​ ​https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/device/all-device​​

点击左边的设备选项，再点击右上角的注册设备。

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填充好信息之后，点击确定。

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创建后保存设备的数据。

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{
    "device_id" "GPS1",
    "secret" "12345678"
}



创建成功，目前设备处于未激活状态。



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5.4 获取MQTT登录参数



目前产品、设备创建好之后就需要通过设备连接上来上传数据，要完成这个步骤，还需要知道一些前提的流程。



【A】华为云服务器IP地址、域名、端口号
【B】主题订阅的格式、主题发布的格式
【C】MQTT协议登录的三元组信息



充分了解了这3个信息之后就可以编写设备端代码了。下面就详细介绍这些信息怎么得到。



【1】华为云的服务器地址信息



在这里查看: ​ ​https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/instance/detail?id=8fe87243-d97d-4c1e-bb34-186a60ca2d14&type=public​​



华为云物联网平台的域名是 161a58a78.iotmqtts.cnnorth4.myhuaweicloud.com
华为云物联网平台的IP地址是121.36.42.100
端口号是1883



【2】主题订阅的格式、主题发布的格式



主题订阅上报的格式在产品的详情页面可以看到。



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主题发布官方的详细介绍在这里:
​ ​https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html#ZH-CN_TOPIC_0240834853__zh-cn_topic_0251997880_li365284516112​​



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主题上报的属性格式说明文档地址:
​ ​https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html​​



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根据当前设备的信息总结，得到的信息如下：



//订阅主题: 平台下发消息给设备
$ocdevicesGPS1sysmessagesdown
//设备上报数据
$ocdevicesGPS1syspropertiesreport
//上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
{"services" [{"service_id" "GPS","properties"{"GPS"{"lon"106.53,"lat"29.46}}}]}



【3】MQTT协议登录的三元组信息
华为云提供了MQTT协议参数的生成工具，非常方便，根据提示填入参数一键生成三元组。



MQTT设备登陆密匙生成地址: ​ ​https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/​​



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得到的三元组如下：



ClientId  GPS1_0_0_2022060716
Username  GPS1
Password  27a2d2dd716fac29a0041beec1d7cf5f5b529fac65cc815c7eed9adb04d7364b



5.5 采用MQTT客户工具登录测试



为了方便验证服务器的配置以及主题、属性这些是否OK，可以先使用MQTT客户端模拟真实设备登录测试。下面这个MQTT工具是我自己开发的，为了方便测试对接物联网平台，使用QT写了这么一个工具软件。
工具软件的名称: ​​MQTT客户端_v2.5(协议3.1.1).exe​​ 我已经上传到CSDN的资源库里了，可以直接去CSDN里搜索就能找到软件的下载地址，下面的文章的附件里我也会上传一份。



在软件左边根据提示填入对应的参数，依次点击登录，订阅主题，发布主题即可。



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这时打开网页可以看到设备已经在线了。



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在设备影子页面上可以看到上传的数据内容。



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启动消息跟踪，可以了解通信的过程。



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6. STM32硬件设备端程序设计



在第5章完成了物联网云平台的构建，接下来的第6章节，就编写STM32设备端代码。



STM32设备端开发环境采用keil5进行开发，编程风格采用寄存器风格形式，不管使用库函数，还是寄存器，还是HAL库，本身都一样，没有太大区别，我编写STM32代码习惯了寄存器开发，主要是寄存器的代码比较简洁，工程文件精简。



关于keil5软件的下载流程、安装流程、基本使用办法这里就不在详细介绍，相应看这篇文章的​​道友​​应该这些会这些基操，这里主要是以项目为导向，介绍比较核心的知识点。



6.1 硬件接线



下面是介绍使用的硬件模块与STM32开发板之间的硬件连线。



SIM800C接线说明
GNDGND
PA2SIM800C_RXD
PA3SIM800C_TXD

CH340模块接线说明
GNDGND
RXPA9

GPS接线说明 (波特率需要根据GPS模块实际情况进行修改)
GNDGND
VCC3.3V
PB11GPS_TX
蜂鸣器模块：  高电平响
BEEPPB8

板载LED灯
LED1PC13  低电平亮
板载按键 
KEY1PA0  按下为高电平
外接按键：
KEY1 PB3 按下是低电平
KEY2 PB2 按下是低电平
外接LED灯模块：
LED1PB4 低电平亮
LED2PB5 低电平亮
硬件接线：
1 VCC 3.3V5V 电源输入     接3.3V
2 GND 地线                  接GND
3 IIC_SDA IIC 通信数据线     PB6
4 IIC_SCL IIC 通信时钟线      PB7
5 MPU_INT 中断输出引脚       未接
6 MPU_AD0 IIC 从机地址设置引脚PA15
      AD0引脚说明：ID0X68(悬空接 GND) ID0X69(接 VCC)
注意：陀螺仪初始化的时候，必须正常摆放才可以初始化成功



这是通过杜邦线接好模块后的效果图：



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6.2 keil工程截图



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6.3 原理图



下面是绘制的原理图。



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6.4 MQTT协议实现代码以及MQTT参数



SIM800C本身没有内置MQTT协议指令，只有TCP通信的指令，需要自己封装MQTT协议，然后通过TCP通信的相关指令完成云端服务器连接，实现数据交互。



下面这份代码是MQTT协议的参数定义，程序里为了方便修改，采用宏定义方式赋值这些参数。



//华为物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "GPS1_0_0_2022060716"
#define MQTT_UserName "GPS1"
#define MQTT_PassWord "27a2d2dd716fac29a0041beec1d7cf5f5b529fac65cc815c7eed9adb04d7364b"

//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/GPS1/sys/messages/down"  //订阅
#define POST_TOPIC "$oc/devices/GPS1/sys/properties/report"  //发布



这是封装的几个MQTT协议核心函数:



/*
函数功能: 登录服务器
函数返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 MQTT_Connect(char ClientID,char Username,char Password)
{
    u8 i,j;
    int ClientIDLen  strlen(ClientID);
    int UsernameLen  strlen(Username);
    int PasswordLen  strlen(Password);
    int DataLen;
    mqtt_txlen0;
    //可变报头+Payload  每个字段包含两个字节的长度标识
    DataLen  10  (ClientIDLen2)  (UsernameLen2)  (PasswordLen2);

//固定报头
    //控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  0x10;       //MQTT Message Type CONNECT
    //剩余长度(不包括固定头部)
    do
    {
        u8 encodedByte  DataLen  128;
        DataLen  DataLen  128;
        // if there are more data to encode, set the top bit of this byte
        if ( DataLen  0 )
            encodedByte  encodedByte  128;
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  encodedByte;
    }while ( DataLen  0 );

//可变报头
    //协议名
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  0;          // Protocol Name Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  4;           // Protocol Name Length LSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  'M';            // ASCII Code for M    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  'Q';            // ASCII Code for Q    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  'T';            // ASCII Code for T    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  'T';            // ASCII Code for T    
    //协议级别
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  4;              // MQTT Protocol version = 4   对于 3.1.1 版协议，协议级别字段的值是 4(0x04)   
    //连接标志
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  0xc2;           // conn flags 
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  0;              // Keep-alive Time Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  100;            // Keep-alive Time Length LSB  100S心跳包    保活时间

mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB      
    memcpy(mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
    mqtt_txlen  ClientIDLen;

if(UsernameLen  0)
    {   
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE1(UsernameLen);     //username length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE0(UsernameLen);     //username length LSB    
        memcpy(mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
        mqtt_txlen  UsernameLen;
    }

if(PasswordLen  0)
    {    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE1(PasswordLen);     //password length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen]  BYTE0(PasswordLen);     //password length LSB  
        memcpy(mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
        mqtt_txlen  PasswordLen; 
    }
    memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
    MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    return 1;
}



6.5 MPU6050.c代码



这是MPU6050陀螺仪的核心驱动代码，方便检测老人的姿态，判断是否摔倒。
因为文章发表的字数限制问题，无法贴出代码，代码后面整理了通过附件上传。



6.6 GPS.c代码



接收GPS数据之后进行解析，得到经纬度，方便上传到物联网云平台。



#include "gps.h"

/*
函数功能：从buf里面得到第cnt个逗号所在的位置
返 回 值：0~254,代表逗号所在位置的偏移.
255,代表不存在第cnt个逗号
*/
u8 GPS_GetCommaOffset(char buf,u8 cnt)
{
    char pbuf;
    while(cnt)
    {
        if(buf'*'buf' 'buf'z')return 255;//遇到'*'或者非法字符,则不存在第cx个逗号
        if(buf',')cnt;
        buf;
    }
    return bufp; //计算偏移量
}
/*
函数功能: 获取GPS经纬度数据值
函数参数:
        double *Longitude  :经度
        double *latitude   :纬度
返回值: 0表示定位成功,1表示定位失败

说明: 解析$GPRMC命令，得到经纬度
$GNRMC,023705.000,A,2842.4164,N,11549.5713,E,1.73,91.65,150319,,,A*41

转换公式示例:
经度： dddmm.mmmm 东经 11408.4790 114+(08.4790/60)=114.141317
纬度： ddmm.mmmm 北纬 2236.9453 22+(36.9453/60)= 22.615755

中科微返回的数据
$GNRMC,144435.000,A,2942.1201,N,10636.6466,E,1.50,64.42,190422,,,A*40
*/
u8 GPS_GPRMC_Decoding(u8 gps_buffer,double Longitude,double latitude)
{
    u8 Offset;
    u32 int_data;
    double s_Longitude,s_latitude;
    char p;

/*1. 确定下定位是否成功*/
    pstrstr((char)gps_buffer,"$GNRMC");
    if(p)return 1;

OffsetGPS_GetCommaOffset(p,2);
    if(Offset255)return 2;
    if((pOffset)'A')return 3; //定位不准确

/*2. 得到纬度*/
    OffsetGPS_GetCommaOffset(p,3);
    if(Offset255)return 4;
    sscanf(pOffset,"%lf",s_latitude);
    s_latitudes_latitude100;
    int_datas_latitude;//得到纬度整数部分
    s_latitudes_latitudeint_data;//得到纬度小数部分
    s_latitude(s_latitude)100;
    latitudeint_data(s_latitude60.0); //得到转换后的值

/*3. 得到经度*/
    OffsetGPS_GetCommaOffset(p,5);
    if(Offset255)return 5;
    sscanf(pOffset,"%lf",s_Longitude);    
    s_Longitudes_Longitude100;
    int_datas_Longitude;//得到经度整数部分
    s_Longitudes_Longitudeint_data; //得到经度小数部分
    s_Longitudes_Longitude100;
    Longitudeint_data(s_Longitude60.0);   
    return 0;
}



7. 上位机APP开发



为了方便查看地图位置，轨迹等信息，当前采用QT编写了一个配套的上位机，通过华为云IOT的应用侧开发接口，获取设备的影子数据，然后再调用百度地图进行显示目标位置。



接下来就介绍上位机软件的开发流程。



7.1 安装Qt开发环境



Qt是个跨平台的C++开发框架，一份代码支持在不同系统平台编译运行。支持Android、IOS、Windows、Linux等平台。
目前我使用的开发环境是：QT 5.12.6 ,其他版本也可以的。



QT5.12.6的下载地址：
​ ​https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/​​



打开下载链接后选择下面的版本进行下载：



qtopensourcewindowsx865.12.6.exe 13Nov2019 0728 3.7G Details



软件安装时断网安装，否则会提示输入账户。安装的时候，第一个复选框里勾选一个mingw 32编译器即可，其他的不管默认就行，直接点击下一步继续安装。



如果只是在windows下开发，最简单的安装就只选择 MinGW编译器即可，其他的编译器不用勾选。



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7.2 应用侧开发接口文档



帮助文档地址: ​ ​https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_01_0045.html​​​当前我这个应用主要是读取设备上传的GPS数据即可，要得到数据有两种方式：



【1】读取设备影子数据，也就是获取设备上传到服务器之后的历史数据（非实时数据）就是设备最后一次传上来的数据，获取影子数据，不需要关心设备是否在线都可以获取。



我这里GPS获取是获取的影子设备数据，也就是得到设备最后一次上传的数据。
地址：​​ ​https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0079.html​​​



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【2】（查询设备属性）读取实时数据，如果需要设备立即发布当前的数据上来，可以发送同步指令给设备，设备端需要编写解析指令的代码，收到指令后设备根据格式回应数据回来。这种同步实时数据需要设备保持在线才可以响应指令。 具体的使用场景可以根据自己需求设计。



通过查询属性的接口，可以主动请求获取设备详细属性。



流程是：应用层调用这个API接口---->请求服务器----->请求客户端设备------>返回给服务器----->返回给应用层调用处。



文档地址：​ ​https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html​​



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7.3 创建IAM账户



这一步很重要，在开发上位机时，需要调用应用侧的一些接口，这些接口都需要带上token登录密匙。而token登录密匙的生成需要IAM账户才获取。



地址：​ ​https://console.huaweicloud.com/iam/?region=cn-north-4#/iam/users​​



（1）创建用户



尽一份孝心，为家人做一个老人防摔报警系统_华为云_48



（2）填充参数



尽一份孝心，为家人做一个老人防摔报警系统_华为云_49



（3）完成创建



尽一份孝心，为家人做一个老人防摔报警系统_STM32_50



7.4 实现代码



下面贴出请求接口的核心代码。



/*
功能: 获取token
*/
void WidgetGetToken()
{
    //表示获取token
    function_select3;

QString requestUrl;
    QNetworkRequest request;

//设置请求地址
    QUrl url;

//获取token请求地址
    requestUrl  QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
                 .arg(SERVER_ID);

//自己创建的TCP服务器,测试用
    //requestUrl="http://10.0.0.6:8080";

//设置数据提交格式
    request.setHeader(QNetworkRequestContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));

//构造请求
    url.setUrl(requestUrl);

request.setUrl(url);

QString text QString("{\"auth\":{\"identity\":{\"methods\":[\"password\"],\"password\":"
    "{\"user\":{\"domain\": {"
    "\"name\":\"%1\"},\"name\": \"%2\",\"password\": \"%3\"}}},"
    "\"scope\":{\"project\":{\"name\":\"%4\"}}}}")
            .arg(MAIN_USER)
            .arg(IAM_USER)
            .arg(IAM_PASSWORD)
            .arg(SERVER_ID);

//发送请求
    managerpost(request, text.toUtf8());
}
//获取影子设备数据
void Widgeton_pushButton_addr_clicked()
{
    //表示影子设备数据获取
    function_select0;

QString requestUrl;
    QNetworkRequest request;

//设置请求地址
    QUrl url;

//获取token请求地址
    requestUrl  QString("https://iotda.%1.myhuaweicloud.com/v5/iot/%2/devices/%3/shadow")
                 .arg(SERVER_ID)
            .arg(PROJECT_ID)
            .arg(Device_id);

//自己创建的TCP服务器,测试用
    //requestUrl="http://10.0.0.6:8080";

//设置数据提交格式
    request.setHeader(QNetworkRequestContentTypeHeader, QVariant("application/json"));

//设置token
    request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);

//构造请求
    url.setUrl(requestUrl);

request.setUrl(url);

//发送请求
    managerget(request);
}



主要贴出2个比较重要的函数，一个获取token，一个查询设备影子数据。



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