王愿祥 程悅琪 孫先松

摘 要：文中主要研究通過微控制器ARM結(jié)合WiFi技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作一套微型測控終端系統(tǒng)模型，利用STM32F103主控芯片控制WiFi模塊ESP8266，結(jié)合上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對家居節(jié)能燈、窗簾的無線控制，以及對室內(nèi)溫度濕度的采集和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多節(jié)點(diǎn)無線智能測控的問題，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體工作的基本原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)簡易實(shí)物模型的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：WiFi；STM32F103；ESP8266；無線控制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

現(xiàn)代科技越來越廣泛地影響著人們的學(xué)習(xí)、生活和娛樂。同時，物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展使得智能家居成為研究熱點(diǎn)[1]。而WiFi技術(shù)的應(yīng)用則起著舉足輕重的作用，WiFi技術(shù)越來越成熟，使用WiFi技術(shù)對智能設(shè)備進(jìn)行無線控制更加符合實(shí)際需要。同時，測控系統(tǒng)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為了適應(yīng)測控環(huán)境的多樣性、多變性和復(fù)雜性，將有線與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合是測控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢?；跓o線測控終端應(yīng)用的巨大市場空間與WiFi技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一個可以進(jìn)行無線測量與控制，測量精度高，可實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮喴字悄芗揖酉到y(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM系列單片機(jī)STM32F103為主控芯片，通過繼電器控制室內(nèi)節(jié)能燈的亮滅，從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動窗簾的拉開與閉合；使用溫濕度傳感器DHT11采集室內(nèi)的溫度和濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ESP8266無線模塊實(shí)時傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的同時監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)的簡單智能

控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)分散布局，集中控制。系統(tǒng)下位機(jī)由WiFi無線通信模塊ESP8266和微控制器STM32F103以及外接設(shè)備構(gòu)成，相應(yīng)的傳感器（DHT11或DS18b20）與執(zhí)行設(shè)備（繼電器、步進(jìn)電機(jī)）等均安裝在STM32處理器模塊上。處理器上搭載的多種傳感器實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光線等）的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至手機(jī)客戶端。同時，也可將手機(jī)作為控制端，將控制指令通過WiFi下傳至處理器模塊的執(zhí)行設(shè)備，控制室內(nèi)燈的亮滅、窗簾的開合等，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控與控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、無線傳輸模塊、溫濕度檢測模塊、繼電器LED燈模塊。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的控制部分，該部分以單片機(jī)STM32F103為核心處理器，內(nèi)核為ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz。其外設(shè)電路分別由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、JTAG下載調(diào)試電路組成。該芯片是一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動、應(yīng)用控制、警報系統(tǒng)。所以本文系統(tǒng)使用該芯片既能滿足要求，又降低了成本。

2.2 無線傳輸模塊

WiFi是一種基于IEEE 802.1Ib標(biāo)準(zhǔn)[2]的短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號（通常是2.4 GHz UHF或5 GHz SHF ISM射頻頻段），最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

WiFi模塊選用ESP8266模塊，該模塊是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，具有超高集成度（內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，PLL，穩(wěn)壓器和電源管理組件）、超低功耗（3.3 V低電平供電，轉(zhuǎn)TTL電平）、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于無線控制領(lǐng)域。該模塊是一款高性能的串口轉(zhuǎn)WiFi（UART-WiFi）模塊，ESP8266支持AP，STA，AP+STA三種模式。AP模式即無線接入點(diǎn)模式；STA模式通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.3 溫濕度檢測模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[3]是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)與溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件與一個NTC測溫元件，單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，體積小、功耗低，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。

2.4 繼電器LED燈模塊

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定階躍變化的一種電器。本文系統(tǒng)使用電磁繼電器，給線圈加一個電壓，產(chǎn)生一個磁場，該磁場使繼電器的觸點(diǎn)閉合，觸點(diǎn)的接通與斷開就能實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。設(shè)計(jì)中使用的型號為高/低電壓都支持的3.3 V繼電器模塊，因?yàn)橹骺匦酒碾妷簽?.3 V，

所以可直接用于驅(qū)動，簡單方便。

2.5 電動窗簾模塊

步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，實(shí)際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。本文系統(tǒng)使用五線四相制步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動電源為5 V，所以采用TPS7350電源管理芯片進(jìn)行5 V穩(wěn)壓輸出，亦同時使用L298N驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。如果換作12 V的電機(jī)，則利用MC34063電源管理芯片進(jìn)行升壓電路設(shè)計(jì)，從而使電路滿足電機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

首先對STM32F103內(nèi)部各硬件單元進(jìn)行系統(tǒng)初始化[4]，包括串口 USARTx_Config（），時鐘SysTick_Init（），LED燈： LED_Init （），Motor_Init （）等基本部件初始化，最重要的是ESP8266模塊ESP8266_Init（）初始化，溫濕度DHT11_Init （）傳感器模塊初始化，步進(jìn)電機(jī)初始化。初始化結(jié)束后根據(jù)ESP8266芯片的datasheet、模塊自帶的ESP8266_WiFi使用教程，利用主控芯片對模塊進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動。驅(qū)動的實(shí)質(zhì)為在相應(yīng)模式下合理使用AT指令。利用主控上的串口連接ESP8266的UTXD，URXD進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，在控制程序中將接收到APP的數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若相同，則執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。本文系統(tǒng)主要使ESP8266工作在AP模式。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)采集端軟件設(shè)計(jì)

溫濕度DHT11傳感器一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出，其數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和[5]。數(shù)據(jù)傳送正確時校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+ 8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。具體代碼[6]如下：

步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)為：采用L298n雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，包括4個三極管和1個電機(jī)，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的1對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。IN1，IN2，IN3，IN4接主控的4個管腳，用于給出脈沖； 五線四相制步進(jìn)電機(jī)中的橙、黃、粉、藍(lán)分別接L298n的OUT1，OUT2，OUT3，OUT4；+5 V接開發(fā)板的5 V；5 V驅(qū)動電源接外接電源；GND接外接電源GND； ENA，ENB，板載5 V等分別用跳接帽短接。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動時序如下述代碼：

本文系統(tǒng)使用8個節(jié)拍，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。在設(shè)計(jì)代碼時，可通過設(shè)置兩個脈沖之間的延時從而改變速度。如Delay_ms（N），通過改變N的大小改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.3 系統(tǒng)服務(wù)端程序設(shè)計(jì)

ESP8266模塊程序設(shè)計(jì)：AP模式為默認(rèn)模式，ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦對模塊的直接通信，并實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)[7]的搭建。ESP8266模塊的具體配置如圖4所示。

經(jīng)過上述配置后，模塊自身建立了局域網(wǎng)，在此局域網(wǎng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳以及命令的控制。模塊配置過程中的指令以及回應(yīng)可通過串口助手實(shí)時顯示，如圖5所示。

無線控制程序設(shè)計(jì)：手機(jī)APP發(fā)送的數(shù)據(jù)通過ESP8266傳給主控芯片進(jìn)行解析，解析后再進(jìn)行相應(yīng)的命令操作。具體解析代碼[8]如下：

APP端發(fā)送來的信息為"CMD_MOTORN_0""CMD_MOTORN_1""CMD_LED_1_0"等，通過程序?qū)ζ渲噶钸M(jìn)行解析。

系統(tǒng)上位機(jī)使用秉火物聯(lián)的APP，其界面如圖6所示。界面信息包括連接信息、燈控按鈕、溫濕度數(shù)據(jù)上傳顯示、蜂鳴器等。在界面左側(cè)可以自主添加控制信息，如本文系統(tǒng)中開關(guān)窗簾的控制等。上位機(jī)界面如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試與實(shí)物展示

為上述系統(tǒng)供電，進(jìn)行室內(nèi)測試。在供電5～8 s后，手機(jī)APP連接上ESP8266模塊發(fā)出的WiFi信號，WiFi名稱為"ESP8266_TEST"。同時，溫度與濕度數(shù)據(jù)也實(shí)時顯示在界面上，且比較穩(wěn)定。按下窗簾按鈕，窗簾（步進(jìn)電機(jī)啟動）拉動，再次按下窗簾按鈕，窗簾收合。按下LED1，板載LED燈點(diǎn)亮，按下LED2，外部220 V家居節(jié)能燈點(diǎn)亮。將微型智能家居系統(tǒng)逐步遠(yuǎn)離控制端APP，最遠(yuǎn)接收距離為十幾米，仍能夠滿足家庭的基本需要。后續(xù)會進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理，實(shí)現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了簡易的智能家居系統(tǒng)控制與測量，在主控芯片的控制下，順利實(shí)現(xiàn)了APP通過ESP8266構(gòu)建的局域網(wǎng)發(fā)送控制命令，接收數(shù)據(jù)，從而達(dá)到無線控制外部設(shè)備的目的，使家居用品更加智能化。同時，本文系統(tǒng)的原理可應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)管、無人操控，更有助于提高工作效率，極大程度上避免安全事故的發(fā)生。

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