蓋文東， 劉 杰， 張 寧， 曲承志， 張 婧

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島 266590)

為幫助自動化專業(yè)的學生掌握好網(wǎng)絡通信技術，筆者設計了一個無線安燈實驗系統(tǒng)，以便學生掌握相關知識，提高實踐動手能力[1-3]。

安燈系統(tǒng)是一種現(xiàn)代企業(yè)的信息管理工具，主要用于收集生產(chǎn)線上物料、設備、異常等信息，送入信息管理系統(tǒng)服務器進行統(tǒng)計、分析和處理，從而實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息透明化[4-5]。該系統(tǒng)采用有線和無線兩種方式實現(xiàn)信息收集，其中無線方式減少了現(xiàn)場布線，在使用中更為靈活、方便[6]。

目前，很多現(xiàn)代制造企業(yè)都建立了基于Wi-Fi的廠區(qū)無線通信網(wǎng)絡[7-11]，無線射頻等技術也得到廣泛應用，這為建立無線安燈系統(tǒng)提供了必要條件。文獻[12]給出一種基于Wi-Fi的安燈系統(tǒng)設計方案，但并未給出具體設計；文獻[13]給出了一種基于單片機的車位檢測實驗系統(tǒng)設計，包括具體軟硬件設計，但使用的STC89C52單片機內(nèi)存、串口等資源較少，功能簡單，不便于進行軟硬件的擴展；文獻[14]給出一種基于MF-RC500的射頻交通卡讀卡器設計，給出了射頻模塊的硬件設計，但未給出軟件方面的設計。

筆者針對安燈系統(tǒng)的實際應用，完成基于STM32單片機的無線安燈實驗系統(tǒng)的硬件、軟件設計，實現(xiàn)基于Wi-Fi網(wǎng)絡環(huán)境的信息傳輸。

1 實驗系統(tǒng)方案設計

基于STM32單片機的無線安燈實驗系統(tǒng)的主要組成部分包括:(1)按鈕和刷卡模塊輸入；(2)STM32單片機及其外圍電路；(3)Wi-Fi無線通信；(4)繼電器輸出；(5)PC端上位機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理是:故障提報人通過刷卡模塊確認“身份有效”后，通過按鈕將錯誤信息提報給單片機；單片機通過輸出通道控制三色燈亮滅。在這一過程中，STM32單片機通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)與PC端通信。

2 實驗系統(tǒng)硬件設計

本實驗系統(tǒng)的主要硬件設計包括RFID刷卡部分、數(shù)字量I/O部分、Wi-Fi無線通信部分和系統(tǒng)電源部分的硬件設計。

2.1 RFID刷卡部分硬件設計

本實驗系統(tǒng)使用RFID-RD522射頻模塊。RFID-RD522是一種非接觸式讀取IC卡的刷卡模塊[15]，該模塊由控制單元、EEPROM存儲單元、高速RF接口和繞線線圈天線組成。

刷卡部分的工作原理是:讀寫器向IC卡發(fā)1組固定頻率的電磁波，在電磁波的激勵下，IC卡將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。

RFID-RD522與STM32單片機之間采用SPI通信協(xié)議。RFID-RD522的接口電路設計如圖2所示。其中接口1—接口4與STM32的SPI2的4個數(shù)據(jù)接口NSS、SCK、MOSI、MISO相連接。

圖2 RFID-RD522刷卡模塊接口電路

2.2 數(shù)字量I/O部分硬件設計

I/O口輸入部分主要指按鈕信息的輸入。本實驗系統(tǒng)用到5個按鈕，電路設計的任務是將每個按鈕“按下”的信息轉(zhuǎn)化為電平信號，并通過I/O口傳給STM32單片機以便進行下一步操作。本實驗系統(tǒng)按鈕輸入部分的硬件電路如圖3所示。

圖3 按鈕輸入部分硬件電路設計

在數(shù)字量輸出接口硬件設計中，用3個繼電器的通斷分別控制三色燈的亮滅。而繼電器的通斷由STM32單片機I/O口輸出的電平信號來控制。其中控制紅燈亮滅的數(shù)字量輸出接口電路如圖4所示。

圖4 控制紅燈亮滅的數(shù)字量輸出接口電路

圖4中的OP5為達林頓輸出光耦TLP127，需滿足輸出端電流IC與輸入端電流IF之比IC/IF≥5。已知IC max=150 mA(滿足繼電器電流驅(qū)動條件)，則IF≤30 mA。取輸入IF=10 mA時，TLP127輸入端固有電阻R=115 Ω。輸入端根據(jù)歐姆定律得到如下不等式:

求得:R24≥215 Ω，這里取R24=1 kΩ。

2.3 Wi-Fi無線通信部分硬件設計

本實驗系統(tǒng)使用ESP8266實現(xiàn)Wi-Fi通信功能。該模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)與單片機之間的通信。ESP8266模塊支持STA、AP和STA+AP等3種工作模式，本實驗系統(tǒng)選用STA工作模式。

在STA模式下，ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制，其接口的設計如圖5所示。圖5中接口3與STM32單片機串口3的RX相連，接口4與STM32單片機串口3的TX相連。

圖5 Wi-Fi模塊接口電路

2.4 系統(tǒng)電源部分設計

電源部分的設計采用兩個原則:(1)減少電源輸出電壓波動，避免給工作模塊帶來干擾；(2)輸出的電量能滿足各個模塊的用電需要。本實驗系統(tǒng)采用電源隔離來減少干擾:電源部分采用隔離電源模塊，輸入輸出部分采用光耦來進行電源隔離。

電源隔離后向刷卡模塊、Wi-Fi模塊和STM32單片機供電，需要的電壓均為3.3 V，工作時能達到的峰值電流分別為30 mA、200 mA和150 mA。要使所有的模塊正常工作，供電電流至少為所需要電流的2倍，即電源模塊至少能輸出760 mA的電流。本實驗系統(tǒng)采用12 V轉(zhuǎn)3.3 V的隔離穩(wěn)壓模塊，其功率為5 W，輸出電流為1.5 A，滿足上述要求。電源部分電路設計如圖6所示。

圖6 電源部分電路圖

使用Altium Designer對每部分硬件電路進行原理圖設計，并將原理圖導入成PCB圖，經(jīng)過布板、布線并進行覆銅后在3D視圖下查看效果，如圖7示。

圖7 安燈系統(tǒng)PCB板

3 實驗系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計使用結(jié)構(gòu)化C語言編程，主要包括:RFID刷卡部分、Wi-Fi無線通信部分。整個系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)工作流程圖

3.1 RFID刷卡部分軟件設計

刷卡模塊與STM32單片機之間采用SPI通信，因此在模塊初始化時要進行SPI的初始化，然后進行模塊的軟件復位，之后刷卡模塊會掃描感應區(qū)內(nèi)所有符合14443A標準的卡。

當刷卡模塊掃描到有效IC卡時，會返回字符串“MI_OK”，進而進行下一步讀取卡號的操作，將讀取的卡號進行奇偶校驗，校驗成功后刷卡模塊會將卡號通過SPI通信傳給單片機，單片機通過串口通信傳給Wi-Fi模塊，通過Wi-Fi模塊發(fā)送卡號。RFID刷卡部分軟件設計的流程如圖9所示。

圖9 RFID刷卡部分軟件設計流程圖

3.2 Wi-Fi無線通信部分軟件設計

先進行Wi-Fi模塊的初始化和串口3的初始化，然后STM32單片機通過串口檢測Wi-Fi模塊是否在線。確認Wi-Fi模塊在線后，使用“AT”指令將Wi-Fi模塊設置為“Wi-Fi STA”模式，并將傳輸方式設置為透傳方式。同樣用“AT”指令，將模塊復位，設置要連接目標路由器的IP地址和密碼。Wi-Fi模塊與目標路由器連接成功后，可進行下一步操作。Wi-Fi無線通信部分的流程如圖10所示。

圖10 Wi-Fi無線通信部分流程圖

無線傳輸就緒后，單片機通過串口將數(shù)據(jù)幀傳給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊再通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)幀傳給服務器。反向傳輸同理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括幀頭、設備號、指令碼和狀態(tài)碼4部分，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀舉例

4 實驗結(jié)果

使用裝有網(wǎng)絡調(diào)試助手的PC機作為服務器，測試安燈實驗系統(tǒng)的有效性。無線傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)為幀頭A10011，設備編號01-99，狀態(tài)信息，亮燈信息，故障信息等，可以根據(jù)需要擴展。

表1中第一條指令是服務器發(fā)送握手指令，幀頭為A100011，設備號為05，指令碼05表示設備上電與服務器握手交互狀態(tài)。

第二條指令是服務器收到設備的握手指令返回給設備的信息803，803表示此時服務器希望亮起綠燈。

第三條指令設備號“05”后面表示卡號，設備讀取卡號將此條信息上傳給服務器。然后服務器校驗卡號通過后，提報人可以按下按鈕。

下一條指令為設備將第一個按鈕按下的信息上傳給服務器。再后面的指令信息分別是服務器命令設備依次亮起紅燈、黃燈、綠燈的信息。圖11為網(wǎng)絡調(diào)試助手指令傳輸界面。圖12為設備亮起綠燈的實物圖。

圖11 安燈系統(tǒng)網(wǎng)絡調(diào)試助手界面

圖12 安燈系統(tǒng)實物圖

5 結(jié)語

基于STM32單片機設計的無線安燈實驗系統(tǒng)已在創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)中應用，在山東科技大學自動化專業(yè)實施，使學生既掌握了新知識，又綜合應用了微機原理與接口技術、計算機控制技術等課程的相關知識，達到了培養(yǎng)學生實踐能力的目的。

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