江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 王 威 平曉靜 張 瑾 倪 星 葉 佳

1.引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)開源硬件平臺(tái)的呼聲也越來越高，現(xiàn)在市場上的開源硬件也可以實(shí)現(xiàn)一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的設(shè)計(jì)，以樹莓派、Arduino、BeagleBoard為主的開源硬件[1]由于其較高的造價(jià)及對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求，并不適合大規(guī)模應(yīng)用于學(xué)生的課程設(shè)計(jì)等類似科研實(shí)踐課程。本文介紹的開源物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可讓學(xué)生從底層設(shè)計(jì)中脫離出來，而更專注于應(yīng)用場景的設(shè)計(jì)，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課堂演示、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)中[2]，以其作為開源基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有入門門檻低、易擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，能有效地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)、自主學(xué)習(xí)的積極性，在快速掌握課程知識(shí)的同時(shí)切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

2.硬件組成及設(shè)計(jì)原理

基于STM 32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種開源物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成原理如圖1所示。平臺(tái)以STM 32單片機(jī)為控制器，搭載傳感器模塊，基于Wi-Fi通信協(xié)議的通信模塊，形成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)同時(shí)配有電池模塊，按鍵輸入模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊等。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

2.1 主控電路

本平臺(tái)選用ST公司[3]的STM 32L系列的STM 32L15R8T6A單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)采用Cortex M3內(nèi)核，是一款高性能，低成本，低功耗，專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的16位MCU，可滿足平臺(tái)功能的設(shè)計(jì)要求。主控電路由STM 32最小系統(tǒng)板進(jìn)行拓展，設(shè)置傳感器模塊，通信模塊，LED顯示屏等接口。單片機(jī)主控電路如圖2所示。

2.2 電源電路

該電路是一個(gè)LM 1117-33穩(wěn)壓芯片的應(yīng)用電路，采用+5V電壓供電，輸出為3.3V直流電壓，如圖3所示。在輸出端接有100uF電解電容，主要用于濾除低頻成分，同時(shí)接有0.1uF電容若干，主要用于濾除電源中的高于工頻數(shù)倍雜波。這些電容增大了電路輸出電壓能力以及輸出電壓的平滑性，除此之外，也增加了對(duì)Wi-Fi，RX8025時(shí)鐘芯片、傳感器模塊電路的電流抗沖擊能力。

圖2 主控電路

圖3 電源電路

2.3 通信電路

該電路采用Wi-Fi模塊ESP-07進(jìn)行單片機(jī)與服務(wù)器間的通信。整個(gè)通信過程采用AT指令進(jìn)行通信，基本流程[4]是：首先開啟ESP-07芯片的熱點(diǎn)；第二步服務(wù)器通過Wi-Fi接入ESP-07熱點(diǎn)；第三步單片機(jī)通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器；第四步服務(wù)器將控制命令通過Wi-Fi發(fā)送至ESP-07芯片；第五步 ESP-07芯片將Wi-Fi信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)并通過串口信號(hào)傳給單片機(jī)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的[5]。通信電路如圖4所示。

圖4 通信電路

3.平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)軟件部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序和單片機(jī)與服務(wù)器間通信程序兩大部分，如圖5所示。單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過OLED顯示屏進(jìn)行顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過Wi-Fi通信模塊發(fā)送至服務(wù)器，若服務(wù)器數(shù)據(jù)接收成功，則傳感器進(jìn)入下一次采集工作。

圖5 主程序流程圖

4.結(jié)論

本開源物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以基于STM 32L151R8T6A單片機(jī)的主控模塊為核心，遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，布局合理，上手容易，資料開源。由于主板上提供多種類型接口，因此可根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景對(duì)傳感器模塊等資源進(jìn)行擴(kuò)展。另外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為完全開源，可為使用者提供配套的軟件開發(fā)文檔與硬件產(chǎn)品說明書，并開源相關(guān)硬件設(shè)計(jì)圖與軟件例程。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建既是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)[6]教學(xué)實(shí)際開發(fā)出的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，又是提供給創(chuàng)客的易于上手的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)套件。

[1]靳祺楨.芻議樹莓派在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(11):19.

[2]唐敏,金一鳴.將開源硬件引入電子實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐的教改初探[J].求知導(dǎo)刊,2016(03):75-76.

[3]https://www.stmcu.com.cn/.

[4]曹振民,陳年生,馬強(qiáng),武凌,武婧.基于ESP8266的無線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017,30(01):68-69.

[5]林巧生,趙育林.基于開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,30(01):64-69.

[6]張雷,趙學(xué)健.開源硬件引入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2017,14(01):158-159.