基于STM32的無線智能家居終端設計

徐小玲，劉 美，李緒政

（廣東石油化工學院 廣東 茂名　525000）

基于STM32的無線智能家居終端設計

徐小玲，劉 美，李緒政

（廣東石油化工學院 廣東 茂名525000）

做為新型的短距離無線通信技術，ZigBee以其低功耗、低速率以及自組網等優點進入了現代家居控制應用領域，可實現一種靈活的，獨立的，低成本的智能家居系統搭建。文中以ZigBee為基礎，利用CC2430與STM32處理器配合微型嵌入式系統搭建智能家居應用環境，實現智能家居系統終端設計。實驗證明終端設計在實際系統中可靠、可行。關鍵詞：STM32；ZigBee；RT-Thread RTOS；CC2430

隨著電子技術的融合和家居自動化領域的擴大，各種智能系統的控制被提出，智能家居不再是一個科學社會的術語，智能家居通過藍牙、互聯網、短信服務等間接降低系統成本。不過大多數系統實現降低成本的解決方案不太可行。隨著科技進步，而ZigBee無線通信技術也逐漸進入了控制領域［1］。實現例如能源管理系統的控制如照明、電源插頭和暖通空調（采暖、通風和空調）系統設計；安全和監測系統如火災探測和入侵檢測警報和電子郵件通知；自動智能家居環境控制如保持房間一定的溫度；語音切換功能和用戶身份驗證訪問智能家居系統。

其中，基于ZigBee的芯片憑借ZigBee低廉，低功耗、自組網、無線數據通信的特點，智能家居應用程序可以遠程控制和監測基于ZigBee的智能家居環境，它將通過互聯網和網絡服務器通信。再任何通過Wi-Fi或者3G/4G網絡連接可以在用戶設備上使用。可以實現很多以往控制領域無法實現的功能。近年來，常見的ZigBee技術的芯片普遍使用的是TI公司的無線收發芯片等。而普遍采用計算機軟件連接CC2430網關實現控制終端功能，但不夠靈活。其次，CC2430芯片［2-3］本身是面向低功耗的工業8位單片機，擴展能力不足，而且嵌套的ZigBee協議棧不適合進行控制終端軟件開發。因此，本文提出了以ZigBee無線通信網絡為基礎，以STM32與CC2430搭建低成本控制終端作為上位機對網絡中其它節點進行控制，同時通過互聯網與上位機控制網絡節點的方式，實現智能家居系統硬件搭建。

1　無線網絡節點的設計

1.1STM32處理器

STM32［4］處理器是ST（意法半導體）公司基于ARM的Crotex-M3內核開發的一系列新型單片機。Crotex-M3內核是ARM公司為了滿足高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而專門設計的新一代內核，采用了新一代ARM V7-M體系結構，具有門數少，中斷延遲少，調試容易等特點。得益于該內核的優秀性能，STM32系列ARM處理器的價格比現有的市場的的16位處理器芯片還要便宜，但是性能卻比ARM7還要強大，具有豐富的外設，多種引腳封裝，以及多種容量選擇，而且功耗極低，是ARM系列產品中功耗最低的，因此使用STM32處理器作為控制處理器是一套可靠的方案。本設計系統是采用STM32f103VC芯片［5］，該芯片具有以上的特性，屬于該系列中檔芯片。

STM32處理器的硬件資源決定了它特別適合于微型嵌入式操作系統，主要因為它能滿足很多微型嵌入式操作系統運行所需要的最基本條件：一個精確的獨立系統內核時鐘源以及足量的內存與FLASH。因此我們能很輕易地把現有的操作系統移植到這個平臺上。事實上，隨著STM32處理器的廣泛的使用，很多嵌入式操作系統都已經開發了基于該芯片的系統分支，比如UCOS II，RT-Thread等，相關的移植工作只需要修改就可以適應硬件。

其次，一個可視化嵌入式系統控制平臺可以在選擇一個穩定的微型嵌入式操作系統的基礎上，加入GUI界面、輸入設備、TCP/IP協議等組件組成。本文設計的系統選用的是國內RT-Thread工作室自主開發的微型嵌入式實時操作系統RT-Thread RTOS。RT-Thread RTOS一個新生的操作系統，也是國內目前自主開發的最完善的嵌入式操作系統，它得到了來自全國嵌入式開發工程師的鼎力支持，為RT-Thread添磚加瓦，現在它已慢慢變成一個完善的、全功能的操作系統，包括文件系統，網絡協議棧，圖形界面組件等多個組件，并且所有組件都特別針對于RT-Thread內核進行了優化。該操作系統還特別注重與STM32處理器的版本，因此STM32版本是最穩定的，這也使得我們的設計趨于方便。此外RT-Thread還是一個動態原先級全搶占式優先級系統，很適合作為控制系統。

1.2網絡硬件的設計

控制終端節點的硬件框圖如圖1所示。為了實現多種控制源通訊，把硬件設計劃分為網絡節點通訊模塊、本地控制模塊以及上位機控制模塊。網絡節點通訊模塊實現網絡中設備節點的設備信息采集與節點控制命令的發送。本地控制模塊實現的是直接在控制終端硬件上操作網絡中設備節點的功能。上位機控制模塊是實現PC機與控制終端節點的互聯，利用上位機軟件實現對網絡中的設備節點的控制［7］。

圖1　控制終端節點硬件架構Fig.1　Hardware architecture of control terminal node

控制終端的網絡節點通訊模塊由CC2430與STM32F-103VC通過串口通信構成。CC2430相當于STM32F103VC在ZigBee網絡中的網卡，網絡中的所有與控制信息有關的數據都通過CC2430直接傳輸到STM32處理器，再由STM32進行處理與顯示，同時也將STM32產生的控制命令傳輸給控制網絡中的目標設備。STM32系列的串口硬件是具有DMA功能的全雙工串口，而CC2430的串口也同樣如此，因此STM32處理器可以利用DMA功能與CC2430無縫通訊，這樣在多任務系統中能夠很好的保證數據完整性并且避免了頻繁的中斷或者循環等待接收帶來的負面影響。兩個芯片分別具有自己獨立的節本工作外圍器件，正常工作時不會互相影響，這對于RF射頻電路及其重要。

本地控制模塊主要由鍵盤、觸屏等常用手持設備的控制電路構成，并集成TFT液晶模塊，結合軟件實現對網絡中設備節點的控制。觸摸屏芯片為常用的TSC2046觸摸芯片，與STM32f103VC的SPI1接口連接。鍵盤電路采用4×4電路結構并另外單獨連出4個下拉獨立鍵盤，實現全功能按鍵。TFT液晶模塊采用16位總線驅動模式，配合其它的驅動電路工作。雖然STM32是一個32位處理器，但是它的管腳都是16位的，正好符合液晶模塊的數據寬度。

上位機模塊采用外圍芯片與電路構成。其硬件原理圖如圖 2所示。STM32f103VC的 SPI2接口連接至網絡芯片ENC28J60，再由ENC28J60連接RJ45網絡接口，實現網絡數據傳輸，可利用網絡遠程控制。而芯片的串口2通過MAX3232與PC機串口互聯實現室內上位機控制。

ZigBee網絡中的設備節點主要實現對普通家庭中常用的電器（例如燈光、電子門、空調等）的控制。其硬件原理圖如圖3所示。設備節點在通過ZigBee網絡控制的同時也具有可手動控制的功能以防止設備掉線的弊端，此外還有相應的顯示功能。但是相對于控制終端而言，設備節點要輕便的多，因為它只需要用CC2430搭載相應的控制模塊以及控制輸入與顯示模塊，因此成本也不會很高。節點設備采用LED演示，方便看到控制效果，按鍵電路沒有給出。顯示模塊采用的基于SPI接口的12864黑白液晶屏，減少節點的功耗，盡量延長節點的電源的持續時間。

2　控制系統軟件的設計

2.1控制終端節點軟件

合理布置軟件控制系統是控制終端節點的核心部分。由于是基于多控制方式的控制系統，各個控制方式需要進行并行處理，這樣才能保證各種控制能夠實時到位，在此，實時多任務系統RT-Thread RTOS就很好的保證了這一點［8］。由于控制方式是并行的，所以每種控制方式都需要單獨建立一個線程，而圖形顯示界面也需要建立一個線程以防止顯示界面混亂。CC2430與STM32的串口讀取與發送分別建立了獨立線程，由于STM32處理器的串口為全雙工處理器，DMA硬件也區分接收與發送，因此可以把發送與接收獨立分開，一個只負責接收，另一個負責發送，集成統一的串口通信協議，這樣可以大大減小系統復雜度，而控制設備的在網狀態則由這兩個線程共同維護。因此至少需要建立7個線程。這7個線程需要訪問同一片數據區域，也就是所有控制設備的信息存儲塊，所以也同時在軟件中建立一個內存池，用于存放網絡總控制設備的信息。具體架構如圖4所示。本設計是利用RTThread的多線程與定時機制，建立了這7個線程，由STM32的串口2通信任務對設備數據塊進行更新，同時利用操作系統的內核實現數據的互斥機制對其進行數據保護，以防止數據出錯。此外為系統軟件增加一條限定，那就是所有的控制設備的信息是以接收到的為準，除了串口2的數據接收線程，其它線程除了進行讀取查詢外不能進行任何修改操作，即使是控制命令也是在發給控制設備后由控制設備反饋信息再由串口2數據接收線程修改，這樣最大程度上保證設備信息塊信息完整性。

圖2　控制終端節點上位機控制模塊Fig.2　PC control module of control terminal node

控制終端節點的串口通信需要規定一個獨立的串口通信協議，任何一方傳輸數據前需要有一個傳輸起始命令SOP，緊接著才是數據，而數據與控制命令必須具有固定的數據結構，這樣才可以實現正確的控制，而且可以保證上位機在對信息讀取時不用進行額外的修改，減少軟件復雜度。同時為了保證串口傳輸的正確性，避免掉幀現象，需要在完整數據傳輸完后加入校驗數據，可以采用8位異或算法。CC2430協調器是基于ZigBee協議棧2007的載體TIN搶占系YOS操作系統，該系統為輪詢非統，不需要為每個控制方式設置線程，主要靠事件傳遞啟動線程進行工作，由于只負責數據傳輸，軟件結構很簡單，其軟件架構如圖5所示。

2.2設備節點軟件

設備節點的軟件采用基于ZigBee協議棧2006的載體TINY OS操作系統，利用定時事件啟動控制任務發送自己以及受控設備的狀態，接收網絡的控制事件，同時靠自身的鍵盤事件控制，實現手動以及遠程控制方式。設備發送的網絡數據包需要包括設備類型、網絡地址、坐標、受控設備類型、傳感器數據等。ZigBee協議棧自己包含了數據校驗，可以保證網絡數據的正確傳輸。其架構如圖6所示。

圖3　CC2430設備節點基礎電路Fig.3　Basic circult of CC2430 device node

圖4　控制終端節點STM32芯片軟件系統架構Fig.4　Softwave system architecture of STM32 in control terminal node

2.3上位機軟件及網絡控制

上位機軟件主要實現與STM32芯片的串口通信［9-10］，需要一套獨立的串口通信協議，可以使用CC2430與STM32相同的協議，實現最簡化軟件設計。通過讀取控制終端中保存的控制設備的信息，利用界面顯示并進行控制，控制方式經過軟件內部轉換成控制指令通過串口回傳給STM32控制終端，再由STM32控制終端利用Zibgee網絡發送給目標設備節點，實現上位機的對網絡中設備節點的控制。采用此控制方式時需要將控制終端串口連接至計算機串口。

圖5　控制終端節點CC2430芯片軟件架構Fig.5　CC2430 chips software architecture of control terminal node

圖6　設備節點CC2430軟件架構Fig.6　CC2430 software architecture of device node

利用RT-Thread RTOS的TCP/IP協議棧，可以實現網絡服務器功能。在TCP/IP任務中建立用戶機制，實現用戶利用用戶名與密碼遠程登錄控制終端，進行數據讀取與控制命令。由于STM32系列芯片的FLASH與SRAM在完成以上任務分配后，可以用的空間并不充裕，無法實現將整個網頁控制界面燒寫至芯片的FLASH中，但是可以采用以客戶端軟件的方式編寫聯網上位機，直接通過網絡連接至控制終端，讀取數據并自行處理，再顯示出來，實現遠程控制。采用此控制方式需要用網線將控制終端連Internet［11］。

在完成上述軟硬件架構的基礎上，將各節點組網，進行實際控制實驗。上位機控制線程通過串口調試助手連接，由人工發送命令以驗證該功能。而多個設備節點均為控制LED燈的開關作為控制效果。實驗結果證明，在對采集設備信息采集時間控制在3 s以上的情況下，可以很好的保證節點的在ZigBee網絡中的網絡通信正常通信而不受到阻塞［12］。在以10 ms為單位節拍運行系統內核的情況下，各個控制線程均能夠完成自己的任務流程，芯片處理器不會因為過載而頻繁出現短暫死機的現象，也證明了在減少中斷源的情況下，內存池的數據能夠得到很好的保護。實驗結果證明了該設計在實際系統中可用。

3　結　論

文中利用STM32處理器搭載ZigBee網絡通訊設備，結合嵌入式操作系統RT-Thread RTOS的實時多任務特點，建立了一個多控制方式的網絡控制終端。創建一個家庭環境無線網絡來控制和監測智能家居環境。該控制終端節點也可以針對不同領域的需求對其架構進行多樣性開發，實現更復雜的功能，同樣適用于其他較大的場合等。

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Design of wireless smart home terminal based on STM32

XU Xiao-ling，LIU Mei，LI Xu-zheng
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

ZigBee that is a kind of new short distance wireless communication technology has been used in the filed of modern home by the advantages of low power consumption，low rates and networking.It can realize a flexible，independent，and low cost of smart home system.Depending on this aspect，this paper try to build and achieve an application environment of smart home system by the chip CC2430 and STM32 embedded processor witch using the mirco embedded system.Experiments showed that the terminal design in the actual system is reliable and feasible.

STM32；ZigBee；RT-Thread RTOS；CC2430

TN92

A

1674－6236（2016）03-0176-05

2015-07-04稿件編號：201507042

2014年國家自然科學基金（61473331）；廣東省高等學校學科與專業建設專項資金科研類項目（2013KJCX0133）；廣東省高等學校高層次人才項目（粵財教［2013］246號152）；2013年茂名市科技計劃項目（201311）

徐小玲（1984—），女，福建建甌人，碩士，講師。研究方向：無線傳感器網絡。