劉曉鑫，王 辰

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210023）

基于Wifi的無線寫字臺控制系統(tǒng)

劉曉鑫，王 辰

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210023）

為了給學(xué)生創(chuàng)造一個更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)更加輕松而充滿樂趣，提出了一種通過wifi來控制寫字臺的方案。該系統(tǒng)利用溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)wifi模塊發(fā)送給手機。同時，通過分析用戶需求，編寫相應(yīng)的APP軟件，安裝到手機上來顯示環(huán)境參數(shù)，并完成寫字臺抽屜的開關(guān)，上鎖，燈光亮度的調(diào)節(jié)功能，最終實現(xiàn)對寫字臺的智能控制。通過實驗驗證，定制的APP軟件能夠成功通過wifi來控制寫字臺，達到了改善學(xué)習(xí)環(huán)境，增加學(xué)習(xí)樂趣的效果。

Wifi；傳感器；APP；智能控制

智能家居是以家具為平臺，兼有自動化、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其目的是打造一個便利、安全、舒適、高高效的生活環(huán)境。軟件技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，推動著智能家居不斷智能化。

在這當(dāng)中，無線通信技術(shù)是設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)，為現(xiàn)代快節(jié)奏生活的人們提供了對家用設(shè)備的高效操作。在各種各樣的無線通信技術(shù)中，Wifi技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，智能設(shè)備，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，原因很簡單，通過Wifi技術(shù)組網(wǎng)方便，而且成本也比較低，傳輸數(shù)據(jù)可靠并且快速。文中就是基于Wifi技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了通過手機APP來控制寫字臺的一套系統(tǒng)。

1 Wifi通信技術(shù)

Wifi（Wireless Fidelity）技術(shù)和藍牙技術(shù)很類似，都是短距離通信技術(shù)，其工作頻段大致位于2.4 GHz，這個頻段暫時還沒得到權(quán)威部門的許可，目前Wifi技術(shù)主要使用兩個通信標(biāo)準(zhǔn)，分別是802.11b與802.11a。正是由于Wifi技術(shù)有著眾多優(yōu)勢和廣闊的前景，因此它被眾多ICT企業(yè)廣泛采用[1]。

第一個優(yōu)勢是：Wifi技術(shù)傳輸質(zhì)量和藍牙技術(shù)相比稍弱一些，但是其傳輸速度要比藍牙技術(shù)高出很多，最快傳輸可達到11 Mbps，另外Wifi的使用范圍要比藍牙廣一些，方便組網(wǎng)，這一點是讓藍牙技術(shù)汗顏的[2]。

第二個優(yōu)勢是：Wifi的覆蓋范圍要比藍牙技術(shù)廣，藍牙技術(shù)一般使用范圍在10米之內(nèi)，超過10米可能就會信號很弱，而Wifi技術(shù)覆蓋范圍竟然可以達到100 m距離，而且可以通過一定的技術(shù)增強Wifi信號，這就是為什么在一棟樓里可以使用一個Wifi了[3]。

第三個優(yōu)勢是：成本低廉，Wifi技術(shù)組網(wǎng)非常方便，只需要通過軟件進行一定的配置，就能讓眾多設(shè)備形成一個物聯(lián)網(wǎng)，而且更重要的是由于是無線通信，Wifi技術(shù)節(jié)省了不少電纜，對于有線傳輸來講，還是非常廉價的，還有比較好的是，Wifi的準(zhǔn)入門檻低，Wifi設(shè)備可以經(jīng)過簡單審核就能夠安裝在公共場所，例如車站，碼頭，餐廳等人口密集的地方[4]。

2 無線寫字臺控制系統(tǒng)整體框架

無線寫字臺控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由4個部分組成，分別是上位機 （手機或其他帶有Android系統(tǒng)設(shè)備），Wifi模塊，下位機，設(shè)備與傳感器。上位機與下位機加入同一個網(wǎng)絡(luò)，通過Wifi技術(shù)進行通信，上位機上安裝開發(fā)的APP應(yīng)用，通過一些按鍵操作，對下位機發(fā)送指令，從而搜集傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)或?qū)σ恍┩鈬O(shè)備進行相應(yīng)的動作。其中上位機（手機）的作用就是為所開發(fā)的APP應(yīng)用提供一個運行平臺，Wifi模塊的作用是作為通信的主要媒介，負責(zé)通信鏈路的建立與釋放，并規(guī)定了數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)范[5]。而下位機主要由STC51系列單片機構(gòu)成，其主要作用為初始化Wifi模塊以及外圍設(shè)備，負責(zé)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理等。設(shè)備與傳感器部分是最終本項目需要控制的部分。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

下位機的核心部分的MCU主要由STC89LE54RD芯片構(gòu)成，在構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)之后，分別構(gòu)成了溫濕度傳感模塊接口電路，電機驅(qū)動接口電路，繼電器接口電路，Wifi模塊電路，在這里重點介紹兩個模塊的主要電路，一是單片機最小系統(tǒng)電路，二是Wifi串口模塊電路[6]。

3.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示，該電路與平常51系列單片機最小系統(tǒng)一樣，需要輔助的晶振電路與復(fù)位電路，與傳統(tǒng)的51相比，該型號單片機多出了接口資源 P4，接口更加豐富，成本卻很低廉。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路圖

3.2 Wifi串口模塊電路

Wifi串口模塊本質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)換器，其目的是將單片機的串口信號轉(zhuǎn)換成無線Wifi信號，又名串口轉(zhuǎn)Wifi模塊，如圖3就是Wifi串口模塊電路原理圖，圖中有兩根線分別與單片機的P30與P31相連，它的工作原理是這樣的，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送--TCP數(shù)據(jù)=＞模塊=＞串口數(shù)據(jù)--單片機接收。反向亦如此，此模塊僅僅是數(shù)據(jù)的一個傳輸通道而已。Wifi串口模塊有兩種工作方式，第一種是命令模式，第一種就是透傳模式。在第二種模式中，Wifi模塊不對數(shù)據(jù)進行任何加工，直接封裝成數(shù)據(jù)幀就發(fā)送出去了。另外Wifi串口模塊從網(wǎng)絡(luò)邏輯上分，有兩種工作方式，第一種是AP，第一種是STA，AP就是熱點，就是將自身作為Wifi服務(wù)器輻射出去等待鏈接，STA其實就是客戶端模式，也就是像我們手機連接Wifi站點一樣，他相當(dāng)于手機的角色[7]。在本項目中，單片機與Wifi模塊構(gòu)成待鏈接的Wifi服務(wù)器，此時手機充當(dāng)客戶端，在Wifi串口模塊中固化了一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，我們無需感知，僅僅把他當(dāng)作數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€通道，會用簡單的命令配置他的工作模式即可，因此從邏輯上看，單片機與手機之間的通信也可以說是串口通信，Wifi串口模塊是通過識別單片機初始化的一些指令來敲定工作模式的。

圖3 Wifi串口模塊電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件包含兩個部分，一是單片機底層程序，另一是手機APP軟件編程，手機APP軟件開發(fā)涉及的知識和內(nèi)容比較多，不做過多介紹，本節(jié)重點闡述底層單片機程序設(shè)計，根據(jù)模塊化設(shè)計思想，溫度傳感器的驅(qū)動文件為temperature.c，同時也定義了一個temperature.h文件，以此類推濕度傳感器則為water_mes.c，同時有相應(yīng)的water_mes.h與之對應(yīng)，這樣電機模塊1的驅(qū)動為motor_1.c，其頭文件為motor_1.h，當(dāng)然電機2，電機3也可以生成對應(yīng)的驅(qū)動文件，這些驅(qū)動文件里面所含的內(nèi)容就是定義了設(shè)備的初始化，操作等。下面重點介紹單片機的主程序部分與電機驅(qū)動程序[8]。

4.1 單片機主程序部分

在主函數(shù)main.c內(nèi)，開頭需要定義好主控芯片型號，晶振大小，工程的功能描述，硬件接口，創(chuàng)建時間與創(chuàng)建人，隨后才能建立void main（）函數(shù)，在main函數(shù)內(nèi)最重要的函數(shù)就是串口部分，因為串口部分是跟Wifi模塊通信的橋梁，串口的初始化先從寄存器開始[9]：

SCON=0x50；//串口工作在方式1，共8位數(shù)據(jù)位，1位停止//位無較驗位

圖4 單片機主程序流程圖

串口的驅(qū)動不僅僅包含初始化部分，還有串口的收發(fā)函數(shù)也需要我們編寫，因為我們需要在接收到指令后輸出信息告知用戶我們接收到什么指令，我們正在執(zhí)行什么動作，這都需要串口發(fā)送數(shù)據(jù)到Wifi模塊，最終顯示在手機中的APP中。其發(fā)送程序如下[10]：

在這里就不再列寫單片機的串口接收程序了，本項目中的溫度傳感器與濕度傳感器的初始化，也不再列寫，根據(jù)設(shè)備的自身的特點，有相應(yīng)的程序模塊與之對應(yīng)。

4.2 電機驅(qū)動程序設(shè)計

步進電機是靠脈沖來運動的，脈沖來得快，就運轉(zhuǎn)的快，脈沖來得慢，就轉(zhuǎn)得慢，換而言之，每個脈沖的間隔時間決定了電機的運動快慢，也就是說電機走完一步之后，我們的延時長短決定了它走的快慢。那我們怎么把LED的閃爍跟步進電機的速度結(jié)合起來，如果電機走完一步之后我們再來亮滅一次，那樣會引起電機運轉(zhuǎn)的不流暢[11]。會引起卡頓，電機邊運動，LED邊按不同的頻率閃爍，這對于單線程的主控來說，又是無法實現(xiàn)的，所以最終，我們決定在電機走完一步之后的那個延時時間之后去對LED進行取反，這樣的LED閃爍頻率就是電機當(dāng)前的運轉(zhuǎn)頻率了。電機驅(qū)動是四相八拍的，定義電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的兩個數(shù)組分別為U8 code P_MOVE[8]與U8 code P_MOVE，另外來定義了一個全局變量Speed，來控制電機的轉(zhuǎn)速。同時讓LED1來指示電機的正向轉(zhuǎn)動，LED2來指示電機的反轉(zhuǎn)。電機的正向轉(zhuǎn)動代碼如下[12]：

電機的反向轉(zhuǎn)動代碼不再列舉，與電機正向轉(zhuǎn)動代碼相似。當(dāng)然電機的加速，減速代碼也很簡單，在這里就不贅述了，最后把編譯好的MotorLED.HEX文件燒寫到單片機中，進行調(diào)試即可[13]。

5 測試應(yīng)用

軟件部分不僅僅是單片機底層代碼，更重要的是上位機的APP代碼，其中涉及到了界面設(shè)計，android網(wǎng)絡(luò)編程，前提已經(jīng)提到過，手機與單片機的通信模式是客戶端與服務(wù)器模式，通過編寫相應(yīng)的APP應(yīng)用[14]，其界面如圖5即為寫字臺的控制APP的測試應(yīng)用，共有7個測試應(yīng)用。

圖5 APP測試應(yīng)用界面

在這里面一共包含了7個測試應(yīng)用模塊，溫度與濕度采集是單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，無需通過APP向底層發(fā)送指令進行索要數(shù)據(jù)，繼電器可以模擬臺燈的開和關(guān)，也可以模擬抽屜的鎖和開，最中間的方向按鈕是控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，還有電機的加速和減速，加上一定的機械，可以模擬柜門的開和關(guān)，在這個大的按鈕上其實共有5個按鍵，因此最多可以疊加5個功能[15]。本APP也有遠程鬧鐘功能，實現(xiàn)了學(xué)習(xí)一段時間休息提醒。數(shù)模轉(zhuǎn)換可以模擬加在燈泡上的電壓，對燈的亮度實現(xiàn)調(diào)節(jié)。本APP是一款可以定制的應(yīng)用軟件，根據(jù)自己的需求可以添加或刪除[16]。

6 結(jié)束語

寫字臺本是一個平常的家居，但是如果配上傳感器，MCU，那么它就成了一個智能設(shè)備，如果這個智能再加入無線網(wǎng)，那么它就成了一個智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。無線寫字臺控制系統(tǒng)是基于Wifi技術(shù)的系統(tǒng)，上位機通過編寫APP軟件完成控制，下位機也就是單片機部分，通過編寫底層C語言程序，完成對設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)采集。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠反映外界溫度與濕度參數(shù)，并能夠很好的完成對抽屜的開關(guān)，柜子的開關(guān)，燈泡亮度的控制等功能，具有一定的實用性。

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Control system of desk based on Wifi

LIU Xiao-xin，WANG Chen
（NanJing Vocational Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China）

In order to create a better learning environment for students and make learning easier and funny，a program through the Wifi to control the desk is proposed.The data is collected by using temperature and humidity sensor and being transferred to the mobile phone.At the same time，through the analysis of user demand，writing corresponding app software and being installed to the mobile phone display environment parameters，the function of adjusting the brightness of the light，the lock of the writing desk is realized.The desk is finally under intelligent control.Through the experimental verification，customized APP software can successfully control the writing desk through Wifi，to improve the learning environment and increase the effect of learning fun.

Wifi；sensor；APP；intelligent control

TN92

：A

：1674－6236（2017）03-0080-05

2016-03-08稿件編號：201603094

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劉曉鑫（1988—），男，江蘇南京人，碩士研究生，助教。研究方向：嵌入式系統(tǒng)信號與信息處理。