基于PIC32的居室智能化平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張慶磊,王珍珍,王傳剛,楊亮

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安710071)

摘要系統(tǒng)以PIC32 單片機(jī)作為核心控制器,植入TCP/IP通信協(xié)議和文件系統(tǒng),通過(guò)WiFi模塊和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)在SD卡設(shè)備文件中的系統(tǒng)參數(shù)和傳感數(shù)據(jù),并能進(jìn)行參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的管理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理和控制。系統(tǒng)可通過(guò)個(gè)人電腦或手機(jī)進(jìn)行訪問(wèn),具有較好的人機(jī)交互功能,方便易用,功能可擴(kuò)展性強(qiáng),且設(shè)計(jì)運(yùn)行成本低。

關(guān)鍵詞PIC32;智能家居;WiFi;信息管理;數(shù)據(jù)庫(kù)

收稿日期:2015-01-26

作者簡(jiǎn)介:張慶磊(1990—),男,碩士研究生。研究方向:電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,嵌入式技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。E-mail:jangcingly@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.036

中圖分類號(hào)TP274

Information System for Smart Home Based on PIC32

ZHANG Qinglei,WANG Zhenzhen,WANG Chuangang,YANG Liang

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractThe designed system uses PIC32 MCU as the core controller with embedded TCP/IP communication protocols and file system.WiFi module can be used to access system parameters and sensors’ data stored in the SD card through a wireless network.The device parameters can be configured with data management for monitoring or control of the status of intelligent household system.The system can be conveniently accessed through personal computers or mobile phones.The system also has advantages of good scalability and low design and running cost.

KeywordsPIC32;smart home;WiFi;information management;database

隨著人們對(duì)智能居室系統(tǒng)要求的不斷提高,智能化系統(tǒng)正向著傳感節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、控制更加復(fù)雜的方向發(fā)展。針對(duì)具有復(fù)雜節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的管理顯得尤為重要。通常情況下,系統(tǒng)會(huì)配合專用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的管理。但對(duì)于小型的家居系統(tǒng)而言,整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行需使用專用的服務(wù)器來(lái)支撐,這通常是沒必要的,由此不僅增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本,還會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)行成本大幅增加,造成資源的浪費(fèi)。本文旨在通過(guò)架構(gòu)基于PIC32 微控制單元(Micro Control Unit,MCU)的嵌入式服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)潔實(shí)用的居室智能化系統(tǒng)。系統(tǒng)控制核心兼做數(shù)據(jù)服務(wù)處理器,大幅降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本,適合于中小型智能系統(tǒng)中的參數(shù)和數(shù)據(jù)的管理。另外,系統(tǒng)還可配合云端服務(wù)器進(jìn)行使用,完成數(shù)據(jù)的同步等任務(wù),更具有實(shí)際的設(shè)計(jì)價(jià)值。

1系統(tǒng)組成與原理

系統(tǒng)核心微處理器采用Microchip公司的PIC32MX695F512L[1]32位單片機(jī),其內(nèi)部資源豐富,具有圖形接口、USB控制器、CAN模塊、以太網(wǎng)接口、ADC模塊等,最高工作主頻可達(dá)80 MHz,適用于智能化系統(tǒng)中,不僅方便各種傳感數(shù)據(jù)的采集,人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn),也具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。WiFi模塊選用的是該公司的MRF24WG0MA[2],該模塊可通過(guò)SPI接口與PIC32 MCU進(jìn)行通信,通過(guò)該模塊使系統(tǒng)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以達(dá)到通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)的目的?？梢暬瘎?dòng)態(tài)Web交互界面主要采用HTML,JavaScript,Ajax,jQuery和CSS網(wǎng)絡(luò)前端設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),并將相應(yīng)Web服務(wù)端文件存儲(chǔ)在SD卡中,核心處理器解析到網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面或文件請(qǐng)求后,在SD卡中進(jìn)行相應(yīng)文件的查找,若文件存在,則對(duì)SD卡相應(yīng)文件進(jìn)行讀取,并將文件數(shù)據(jù)返回,以呈現(xiàn)在客戶端。若需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置或控制,則處理器通過(guò)解析相應(yīng)的請(qǐng)求和參數(shù),將相應(yīng)的信息寫入文件,或直接轉(zhuǎn)化為對(duì)設(shè)備的控制信號(hào)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的來(lái)源主要通過(guò)傳感器模塊進(jìn)行采集,而控制器指的是居室系統(tǒng)中的各種受控設(shè)備的控制驅(qū)動(dòng)電路。傳感器和控制器根據(jù)不同的系統(tǒng)會(huì)做出不同的調(diào)整,本文僅選擇單個(gè)節(jié)點(diǎn)用作測(cè)試。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成

2硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1　WiFi模塊

MRF24WG0MA是符合IEEE 802.11的低功耗 2.4 GHz 表面貼裝模塊,含有所有相關(guān)的 RF元件——晶振、帶集成MAC的旁路和無(wú)源偏置電路、基帶、RF 和功率放大器,以及支持 AES 和 TKIP(WEP、WPA 和 WPA2 安全性)的內(nèi)置硬件。支持802.11 b/g無(wú)線通信,最高傳輸速率可達(dá)54 Mbit·s-1[2]。

圖2　MRF24WG0MA與PIC32連接方式

MRF24WG0MA 模塊需要與 Microchip 的 TCP/IP軟件協(xié)議棧配合使用。該軟件協(xié)議棧集成有驅(qū)動(dòng)程序,其實(shí)現(xiàn)的 API 在模塊中用于命令和控制,以及管理和數(shù)據(jù)包通信。

2.2　SD卡模塊

SD數(shù)據(jù)存貯卡可分為SD和SPI兩種工作模式,SD模式是標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)模式,該模式下利用SD總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,位寬一般為4 bit,讀寫最高時(shí)鐘可達(dá)50 MHz,讀取速度能到達(dá)20 MByte·s-1以上,可充分發(fā)揮SD卡的性能。而SPI模式則是SD卡可選的第二種模式,該模式下利用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,位寬為1 bit,時(shí)鐘最高只能到25 MHz,讀取速度通常低于3 MByte·s-1,但該模式對(duì)硬件要求較低,可將設(shè)計(jì)花費(fèi)減到最小。鑒于本次設(shè)計(jì)對(duì)SD卡的讀寫速率要求不高,并需要能較好地與WiFi模塊通信帶寬和數(shù)據(jù)的處理速度進(jìn)行配合,采用SPI模式基本可滿足設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)采用Micro SD Card作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,器件引腳定義及典型SPI模式應(yīng)用電路如圖3所示[3-4]。

圖3　Micro SD Card SPI方式工作電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件部分,是在Microchip公司提供的TCP/IP協(xié)議棧和應(yīng)用層Http協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)的。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖4所示[5],其中用戶應(yīng)用層的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的核心工作。

圖4　系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

3.2　嵌入式服務(wù)器的設(shè)計(jì)

該平臺(tái)下嵌入式服務(wù)器,主要是基于PC端瀏覽器和移動(dòng)端APP進(jìn)行設(shè)計(jì)的。因此,僅采用HTTP協(xié)議即可滿足設(shè)計(jì)要求,HTTP協(xié)議是建立在TCP/IP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議,客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行格式化,因此只需在服務(wù)器端對(duì)報(bào)文格式進(jìn)行解析,提取相應(yīng)的控制信息和數(shù)據(jù)即可;返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)也需要將返回的內(nèi)容格式化成HTTP協(xié)議報(bào)文格式,以便被客戶機(jī)解析。TCP/IP連接建立過(guò)程和數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖5所示[5]。

圖5　TCP/IP連接的建立流程圖

首先服務(wù)器端需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作,包括打開套接字,綁定端口,建立偵聽等[6],最后將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“接受連接請(qǐng)求”;TCP是面向連結(jié)的傳輸機(jī)制,客戶端與其套接字建立連接前需要進(jìn)行3次“握手”確認(rèn)[6],才能通過(guò)建立連接的套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā),數(shù)據(jù)格式均采用HTTP協(xié)議,在HTTP報(bào)文解析部分,通過(guò)編寫的應(yīng)用程序,將HTTP請(qǐng)求的參數(shù)和數(shù)據(jù)解析出來(lái),根據(jù)實(shí)際應(yīng)用將服務(wù)器端狀態(tài)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)移,狀態(tài)機(jī)主要包括通過(guò)外設(shè)獲取信息,向I/O口發(fā)送控制信息,進(jìn)入文件系統(tǒng)讀取SD卡中的相應(yīng)文件并將數(shù)據(jù)返回,或者將提交的數(shù)據(jù)信息寫入文件或更新系統(tǒng)狀態(tài)等。套接字連接一旦建立將會(huì)一直保持[6],除非客戶端或服務(wù)器端主動(dòng)請(qǐng)求斷開,例如客戶端直接關(guān)閉應(yīng)用程序或服務(wù)器端長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)請(qǐng)求自動(dòng)斷開。

3.3　數(shù)據(jù)管理軟件的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理軟件部分是基于文件系統(tǒng)API進(jìn)行設(shè)計(jì)的。文件系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)API主要包括open(),close();read(),write(),seek()等接口函數(shù);而所需主要數(shù)據(jù)操作函數(shù)如表1所列。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件選擇普通的文本文件基本可滿足要求,但考慮到數(shù)據(jù)的增刪查改實(shí)際操作的需要,選擇標(biāo)簽語(yǔ)言文件XML格式更便于應(yīng)用程序的編寫,另外當(dāng)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)加載時(shí),通過(guò)MSXml2組件也能方便地直接加載數(shù)據(jù)。

表1　數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵函數(shù)和功能

考慮到人機(jī)交互的用戶體驗(yàn)以及PIC32 MCU的數(shù)據(jù)處理能力[7],文中將眾多運(yùn)算處理放在了前端文件中,前端文件一旦首次加載成功,便可在客戶機(jī)完成主要的人機(jī)交互操作,最終將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)部分提交的方式發(fā)送至服務(wù)器端,使用Ajax部分提交技術(shù)無(wú)需重載界面,提高微控制器的處理能力[8]。另外,由于大部分人機(jī)交互的工作可放在前端通過(guò)JavaScript腳本語(yǔ)言處理。因此,需提交的數(shù)據(jù)量也會(huì)大幅減小,PIC32的處理任務(wù)也會(huì)相應(yīng)減少,資源利用率也有所提高,能使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)比較好的運(yùn)行狀態(tài)。

在表1所列出的關(guān)鍵函數(shù)中,file_read_line()按行讀取文件內(nèi)容,多用于檢索數(shù)據(jù)。sys_config()實(shí)現(xiàn)的功能是更改指定標(biāo)簽后的設(shè)定值,主要用于進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置。read_config()用于讀取配置信息,即讀取指定標(biāo)簽后的設(shè)定值,多用于系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。modify_flag()用于修改固定格式數(shù)據(jù)條目中的指定數(shù)據(jù),例如讀取數(shù)據(jù)條目時(shí),若該條目已被讀取過(guò),則修改條目中相應(yīng)標(biāo)記為已讀取或修改為已被讀取的次數(shù)。read_next_schedule()按順序或條件讀取固定格式數(shù)據(jù),其更多地用于管理具有時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)。在智能居室系統(tǒng)多以時(shí)間為控制主線,很多數(shù)據(jù)都具有時(shí)間標(biāo)記,通常需要根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作,由于日期和時(shí)間數(shù)據(jù)的特殊性,在進(jìn)行具有時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)條目的讀寫前,進(jìn)行日期時(shí)間的計(jì)算是必須的,這在較多數(shù)據(jù)操作中均有體現(xiàn)。add_item()增加固定格式數(shù)據(jù)條目。del_line()按行刪除數(shù)據(jù),被調(diào)用時(shí)會(huì)先按照標(biāo)記如索引ID號(hào)查找該條目,然后刪除。clear_data()用于清除數(shù)據(jù)文件內(nèi)容,因?yàn)橛玫氖荴ML文件,所以實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)清除操作時(shí)應(yīng)保留文件頭。run_log()用于記錄系統(tǒng)運(yùn)行日志,設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變換都會(huì)被記錄下來(lái),這對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控和維護(hù)是非常必要的。通過(guò)以上基本的數(shù)據(jù)操作函數(shù),可以完成對(duì)數(shù)據(jù)的增、刪、查、改等操作,能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1　測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)采用Chipkit-WF32核心板與外圍設(shè)備擴(kuò)展板組成。Chipkit-WF32核心板集PIC32MX695F512L單片機(jī)、MRF24WG0MA WiFi模塊和Micro SD卡接口于一體,配合設(shè)計(jì)的用于連接各類傳感器、控制器和顯示設(shè)備的外設(shè)擴(kuò)展板構(gòu)成居室智能化系統(tǒng)硬件平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)硬件實(shí)物如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

4.2　測(cè)試結(jié)果

通過(guò)系統(tǒng)配置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行登陸訪問(wèn),系統(tǒng)參數(shù)配置以及通過(guò)傳感器(溫度)實(shí)時(shí)采集的信息實(shí)時(shí)更新到客戶機(jī)前端,通過(guò)配置界面或者控制界面也可對(duì)系統(tǒng)的配置進(jìn)行更改和外設(shè)模塊的控制。另外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以被記錄到系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)文件中,可單獨(dú)或批量調(diào)出,方便查看。系統(tǒng)的所有配置,數(shù)據(jù)詳情以及控制日志等數(shù)據(jù)均進(jìn)行相應(yīng)存儲(chǔ),并可進(jìn)行基本的管理。圖7為通過(guò)PC端IE瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)的部分結(jié)果。

圖7　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5結(jié)束語(yǔ)

采用PIC32 MCU移植TCP/IP協(xié)議和FAT32文件系統(tǒng),通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的居室智能化信息平臺(tái)可方便實(shí)現(xiàn)居室智能化系統(tǒng)本地?cái)?shù)據(jù)的管理及控制,也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)與云端同步,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。大幅降低了智能控制類家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本和運(yùn)行成本,也在一定程度上提高了系統(tǒng)的易用性和易維護(hù)性。

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