侯昌華 包敬海 梁燕葵 陸民飛 楊祥 覃紹勝

摘 要：設計基于ARM Cortex M4 （STM32F407ZGT6）的微型控制器，完成對設備端傳感器（溫度、濕度、光強、煙霧等）輸入信號的采集（模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量算法、條件組數(shù)字量濾波算法）與機械設備（門、窗、燈）的輸出控制，并通過SIM-GPRS網(wǎng)關與騰訊云端主機建立網(wǎng)絡連接;Android APP完成對客戶端用戶登錄、信息查看以及對下控制交互頁面，且通過HTTP網(wǎng)絡通信與騰訊云主機上Tomcat7服務器承載的自定義Java Web服務程序?qū)崿F(xiàn)訪問，采用C/S架構，使客戶端程序與服務器數(shù)據(jù)庫直接建立連接，實現(xiàn)對智能設備端遠程數(shù)據(jù)的查看與向下控制。

關鍵詞：Cortex M4;遠程網(wǎng)絡;環(huán)境監(jiān)控;Android APP;濾波算法;Tomcat7

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-03

0 引 言

隨著信息智能化的迅速發(fā)展與應用管理水平的不斷提高，人們對智能一體化設備以及自身安全信息管理平臺的需求與關注度日趨增長[1]，智能且安全的應用系統(tǒng)的需求日益增強。近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)領域涌現(xiàn)出一批具有影響力的企業(yè)和團隊，研發(fā)出一系列應用產(chǎn)品，主要涵蓋智能家居、車載電子、農(nóng)林養(yǎng)殖及消費類電子等，在通信協(xié)議層主要采用藍牙，WiFi，ZigBee，Z-wave，VESP等方案[2-3]。

然而，集成度較高的智能家居系統(tǒng)成本太高，而簡單的控制系統(tǒng)難以滿足遠程控制的需求。為此，本文基于Cortex M4與Android APP設計一個遠端家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[4]，利用ARM處理器對家居中的環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，并通過SIM900A網(wǎng)關設備與云端進行通信。同時，為方便用戶使用，通過Android Studio設計APP應用軟件程序。

1 系統(tǒng)組成框架

系統(tǒng)在正常網(wǎng)絡設備的基礎上可實現(xiàn)全天候、無季節(jié)、遠距離的監(jiān)測與控制，完成對設備端、云端以及客戶端系統(tǒng)設備的搭建與數(shù)據(jù)通信關聯(lián)。整體功能系統(tǒng)包括傳感器輸入、處理器輸入輸出、網(wǎng)絡通信傳輸、基站中轉(zhuǎn)、云端服務器、移動客戶端Android APP，可用于對遠端家庭環(huán)境室內(nèi)安全信息傳感器數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光強、煙霧等）的檢測及對機械設備（門、窗、燈）的控制。整體框架可分為設備端、云端、客戶端三部分，具體如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

2.1 設備端系統(tǒng)實現(xiàn)

基于ARM Cortex M4 STM32F407ZGT6處理器，通過使用VC/C++計算機程序語言，在Keil MDK5嵌入式集成開發(fā)工具上實現(xiàn)對處理器邏輯應用I/O驅(qū)動程序的開發(fā)[5-7]。程序總體結(jié)構可分為硬件設備初始化塊、多任務創(chuàng)建塊、觸摸屏響應塊、圖形化界面顯示塊、傳感器數(shù)據(jù)更新塊、網(wǎng)絡通信塊等。設備端系統(tǒng)軟件程序設計采用模塊化面向功能函數(shù)編程的設計，同時加入了多任務實時操作系統(tǒng)μC/OS-III與圖形化界面庫STemWin。

（1）初始化程序完成對硬件設備寄存器驅(qū)動、GUI庫、μC/OS-III實時操作系統(tǒng)[8]的初始配置。

（2）Touch任務函數(shù)是μC/OS-III多任務系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務函數(shù)，調(diào)用STemWin接口API，對觸摸屏觸摸輸入的有效命令進行檢測與響應。

（3）EmWin任務函數(shù)是μC/OS-III多任務系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務函數(shù)，調(diào)用STemWin接口API實現(xiàn)LCD的界面顯示，包括鼠標游標、主體界面（窗口、Logo圖片、傳感實時數(shù)據(jù)文本、觸摸控鍵Button圖片）的顯示。

（4）Test任務函數(shù)是μC/OS-III多任務系統(tǒng)下創(chuàng)建的子任務函數(shù)，調(diào)用自定義的邏輯接口API函數(shù)實現(xiàn)對底層的控制訪問，包括傳感器數(shù)據(jù)的輸入更新、機械設備的輸出控制及網(wǎng)絡服務的通信傳輸。

設備端系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示。

2.2 云端服務器系統(tǒng)實現(xiàn)

騰訊云Windows Server 2012R2主機搭載Tomcat7服務器，通過Java Web技術實現(xiàn)云端應用服務程序，并完成對智能設備端設備及客戶端應用的網(wǎng)絡請求、響應服務，以及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、交互。網(wǎng)絡端通信遵循HTTP協(xié)議，采用輕量級的“名值對”集合JSON數(shù)據(jù)格式封裝、存儲數(shù)據(jù)流[9-10]。云端系統(tǒng)軟件程序框架如圖3所示。

2.3 客戶端系統(tǒng)實現(xiàn)

基于Android系統(tǒng)配置集成開發(fā)的移動應用軟件，其UI界面設計與組件設置融合成型[11-12]。應用軟件實現(xiàn)用戶登錄，獲取傳感器數(shù)據(jù)，利用控制命令進入個人信息頁面。首先程序開啟進入Logo登錄界面，等待用戶輸入賬號、密碼并點擊登錄，后臺服務程序獲取用戶賬號、密碼文本字符傳送云端服務器數(shù)據(jù)庫匹配校驗，用戶賬號、密碼由開發(fā)者在云端MySQL數(shù)據(jù)庫自定義存入，用戶無權更改。校驗到用戶存在后，云端服務器回饋登錄成功代碼，登錄成功后進入默認界面（信息頁面），底部控件欄可切換、選擇查看頁面。進入信息頁面：定時更新及顯示從云端服務器程序獲取到的傳感器數(shù)據(jù)信號量。進入控制頁面：圖形狀態(tài)可由控鍵顯示，并將當前狀態(tài)傳送至云端服務器程序。進入個人頁面：靜態(tài)文本字符顯示用戶個人信息?？蛻舳讼到y(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

3 設計與研究

3.1 直流電源

利用LM2596和AMS1117核心器件組合成典型的穩(wěn)壓電路，調(diào)制出5 V/3.3 V的直流穩(wěn)壓電源供給設備系統(tǒng)的各個子模塊。

3.2 傳感器

系統(tǒng)采用接觸式測溫器件DS18B20測量溫度，經(jīng)測試分析，溫度示數(shù)取決于器件表面感應到的熱量。采用電阻式感濕器件DHT11測量濕度，采集到的數(shù)據(jù)信息量與空氣濕潤度成正比關系。采用數(shù)字集成器件BH1750測量光照強度。采用表面電離子式N型半導體氣體敏感器件MQ-2測量煙霧濃度，從而進行模擬量輸出。傳感器指標數(shù)據(jù)見表1所列。

3.3 TFT LCD模組

設備端交互界面選用4.3寸觸摸顯示一體LCD電容屏顯示，采用控制驅(qū)動屏數(shù)據(jù)/命令總線FSMC，通過調(diào)用STemWin GUI庫，實現(xiàn)交互界面的主體框架窗口、位圖、文本顯示和觸摸點擊響應。

3.4 網(wǎng)絡通信

設備端網(wǎng)絡通信網(wǎng)關選用SIM900A（GSM/GPRS）模塊（串口（RXD/TXD）），需提供12 V工作電源。插入有數(shù)據(jù)流量支持GPRS通信的SIM卡（物聯(lián)卡/普通電話卡），通過配套的AT指令集配置SIM900A模塊為HTTP通信模式，使本地設備與公網(wǎng)IP云主機服務器建立網(wǎng)絡訪問，最終實現(xiàn)設備端數(shù)據(jù)的遠程網(wǎng)絡傳輸。

3.5 云服務器

遠程在線操作公網(wǎng)IP的騰訊云主機，安裝并配置Tomcat7服務器與MyEclipse 集成開發(fā)工具，將Tomcat7配置綁定于MyEclipse，由MyEclipse工具操縱Tomcat7。啟動Tomcat7服務器后，在PC瀏覽器輸入云主機Tomcat7 服務器的URL參數(shù)（IP+端口），測試并驗證服務器通網(wǎng)訪問是否成功。使用MyEclipse環(huán)境創(chuàng)建Java Web 工程，通過HttpServlet實現(xiàn)客戶端與服務器、設備端與服務器的交互[13-14]。

3.6 Android APP

在PC機上使用Android Studio 3.0集成開發(fā)工具與Android 6.0版智能手機開發(fā)者模式進行USB通信ADB在線調(diào)試，通過C/S架構完成用戶登錄網(wǎng)路服務器數(shù)據(jù)驗證[15-16]，用戶點擊界面Button控制命令進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)上傳，可實時獲取并更新溫濕度、光照強度及個人用戶信息。

3.7 模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量算法

4 結(jié) 語

本文設計了一套綜合性聯(lián)網(wǎng)控制設備系統(tǒng)，軟件方面應用Android APP軟件開發(fā)技術、Java Web后端服務器程序開發(fā)技術、中級嵌入式驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)技術、網(wǎng)絡編程TCP/HTTP技術等;硬件方面應用電源管理技術、數(shù)字模擬量傳感器技術、嵌入式硬件系統(tǒng)技術等，實現(xiàn)對溫濕度、光照強度、煙霧濃度的采集，以及對機械開關的輸出控制，并可實現(xiàn)遠端監(jiān)控。本文系統(tǒng)具有一定的實用性，值得深入研究及應用推廣。

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