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(東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110819)

引　言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化應(yīng)用技術(shù)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)一般通過有線方式組建并且通過PC控制，這種控制方式不僅增加使用者的學(xué)習(xí)成本，同時(shí)降低了設(shè)備的便攜性。而WiFi作為全球應(yīng)用最為廣泛的WLAN通信技術(shù)，其具有功耗較低，組網(wǎng)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合在智能家居系統(tǒng)中使用[2]。

1　系統(tǒng)總體概述

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的基于WiFi的嵌入式智能控制系統(tǒng)，嵌入式智能控制系統(tǒng)服務(wù)端通過WiFi技術(shù)和TCP/IP協(xié)議將系統(tǒng)資源接入到局域網(wǎng)，用戶可以通過Android智能手機(jī)連上局域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的控制。

該系統(tǒng)集實(shí)時(shí)控制、文件傳輸和多媒體于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)控制、對室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和處理、對音頻播放的控制并支持音頻文件從客戶端上傳到服務(wù)端，同時(shí)擁有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。

圖1　嵌入式智能控制系統(tǒng)

2　系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

嵌入式智能控制系統(tǒng)由基于Android平臺的控制終端APP、承擔(dān)信息處理的STM32F103ZET6芯片、WiFi通信模塊、設(shè)備和傳感器以及起輔助作用的SD卡模塊和OLED顯示模塊組成[3-4]。系統(tǒng)中各個(gè)模塊構(gòu)成及其功能分別進(jìn)行介紹。

2.1　中央處理單元

中央處理單元是嵌入式智能控制系統(tǒng)的信息處理、設(shè)備控制以及數(shù)據(jù)采集的中心。負(fù)責(zé)處理來自傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行加工，然后反饋到Android控制終端，而對于一些緊急事件，處理中心會觸發(fā)蜂鳴器以達(dá)到提醒用戶的作用；其次，中央處理單元響應(yīng)來自Android控制終端請求，例如對LED的開斷；此外中央處理單元在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)重新復(fù)位系統(tǒng)，并記錄異常到SD卡。

2.2　WiFi通信模塊

WiFi通信模塊在中央處理單元的配置下有STA和AP兩種工作模式，建立兩種Android客戶端接入方式。WiFi通信模塊是服務(wù)端和客戶端的通信橋梁，負(fù)責(zé)完成WiFi信號同電信號的相互轉(zhuǎn)換，以及實(shí)現(xiàn)服務(wù)端同客戶端的連接。

2.3　輔助模塊

SD卡模塊作為嵌入式智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，支持中央處理單元的讀寫操作，在本文SD卡也是家庭云盤的抽象，存儲一些個(gè)人重要信息等(例如播放SD卡內(nèi)的音頻文件、存儲Android控制終端上傳的音頻文件顯示系統(tǒng)異常信息)。OLED顯示模塊負(fù)責(zé)時(shí)鐘和一些重要信息的顯示。

2.4　設(shè)備和傳感器

溫濕度傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的溫度和濕度，通過單總線采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。LED作為室內(nèi)燈具的抽象，以此來替代燈具，在本文中它作為控制對象存在。繼電器作為室內(nèi)開關(guān)器件的抽象，通過控制它來替代對室內(nèi)具有開關(guān)特性設(shè)備的控制。音頻播放模塊則用于對音頻文件的播放。

3　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1　硬件設(shè)計(jì)

嵌入式智能控制系統(tǒng)服務(wù)端的硬件部分由中央處理單元、WiFi通信模塊、SD卡模塊、OLED顯示模塊、音頻播放模塊，以及其它控制設(shè)備和傳感器組成[5]。圖2為嵌入式智能控制系統(tǒng)服務(wù)端硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2　嵌入式智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2　軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)端應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)依賴μC/OS Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線程技術(shù)和文件系統(tǒng)，考慮到串口通信不定時(shí)地接收到客戶端的信息，音頻播放模塊能夠一直播放音頻，同時(shí)傳感器一直向中央處理器發(fā)送溫濕度信息，本文對應(yīng)用程序做如下設(shè)計(jì)：

① 使用串口中斷完成對客戶端信息的監(jiān)控。

② 實(shí)現(xiàn)3個(gè)線程，數(shù)據(jù)解析線程主要完成串口中斷發(fā)來的一幀數(shù)據(jù)的解析，以及一些不占用CPU資源的任務(wù)；音頻播放線程主要完成音頻文件的播放控制；OLED顯示線程主要完成時(shí)間的顯示以及一些重要操作的顯示。

③ 使用μC/OS III的消息隊(duì)列完成線程間的通信。

④ 使用FATFS文件系統(tǒng)，簡化對SD卡讀寫的操作。整體軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　服務(wù)端程序結(jié)構(gòu)模型

3.3　系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)

嵌入式智能控制系統(tǒng)的客戶端是一款基于Android平臺的操作簡潔、可視化軟件。嵌入式智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，Android控制終端能夠自動(dòng)感知同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的嵌入式智能控制系統(tǒng)，并能夠自動(dòng)連接[6-7]。用戶可以通過Android控制終端查看連接到智能控制系統(tǒng)上的設(shè)備以及傳感器等狀態(tài)信息。Android控制終端還具有溫濕度自動(dòng)更新功能，不需要用戶繁瑣地進(jìn)行狀態(tài)查詢操作。此外，Android控制終端支持對系統(tǒng)所存儲音樂的播放，也可以根據(jù)自己的需求將Android手機(jī)內(nèi)的音樂等文件上傳到嵌入式控制系統(tǒng)所管理的SD卡。在設(shè)備連接方面，嵌入式智能控制系統(tǒng)支持多用戶同時(shí)連接并發(fā)出請求等功能。圖4為客戶端設(shè)備管理界面。

圖4　設(shè)備管理界面

圖5為嵌入式智能控制系統(tǒng)客戶端的程序結(jié)構(gòu)圖，本系統(tǒng)由用戶界面和后臺處理模塊兩部分組成。用戶界面負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互工作；后臺處理模塊包括用戶界面交互接口、數(shù)據(jù)解析和分發(fā)模塊、數(shù)據(jù)封裝處理模塊、連接控制模塊、消息接收模塊、消息發(fā)送模塊、WiFi通信模塊、嵌入式智能控制系統(tǒng)掃描模塊[8]。

3.4　系統(tǒng)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

在嵌入式智能控制系統(tǒng)中，Android控制終端需要完成和中央處理單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，由于連接到STM32的設(shè)備和傳感器種類眾多，通信時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也不盡相同，因此設(shè)計(jì)一種傳輸協(xié)議用于解決嵌入式智能控制系統(tǒng)內(nèi)客戶端與服務(wù)端之間的通信問題是十分必要的[9]?；谝陨夏康模竟?jié)設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)傳輸協(xié)議，如表1所列。

圖5　嵌入式智能控制系統(tǒng)客戶端程序結(jié)構(gòu)圖

幀頭數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)擴(kuò)展位校驗(yàn)位0xFE1byte2byte0～65536byte1byte1byte

傳輸協(xié)議中各字段的含義如下：

① 幀頭：用以標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)開始，其內(nèi)容為0xFE。當(dāng)接收方收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，首先對數(shù)據(jù)幀頭進(jìn)行判斷，以確定數(shù)據(jù)的合法性。

② 數(shù)據(jù)類型：標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的類型。

③ 數(shù)據(jù)長度：表示一幀數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

④ 數(shù)據(jù)位：表示一幀數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，例如控制命令、響應(yīng)消息等。

⑤ 擴(kuò)展位：在控制方面，該擴(kuò)展位用于對數(shù)據(jù)類型位補(bǔ)充，在數(shù)據(jù)傳輸方面，該擴(kuò)展位用來標(biāo)識當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的ID。

⑥ 校驗(yàn)位：存儲一幀數(shù)據(jù)的CRC-8校驗(yàn)值，用于接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

結(jié)　語