基于STM32/GSM的嵌入式淋浴系統(tǒng)設(shè)計

吳琦，劉瑜，金冬子

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥236001）

基于STM32/GSM的嵌入式淋浴系統(tǒng)設(shè)計

吳琦，劉瑜，金冬子

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥236001）

本文基于STM32技術(shù)，設(shè)計了一種熱水淋浴智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以STM32F407處理器作為控制器件，用戶可以通過不同傳感器，根據(jù)自身需求對水溫進行調(diào)控，同時還可播放音樂提升淋浴的舒適性，系統(tǒng)故障信息用戶也可通過GSM模塊及時向管理人員反映；酒店管理人員可以通過GPRS實現(xiàn)對水溫和水流量數(shù)據(jù)的遠程采集分析。本系統(tǒng)通過嵌入式智能化控制技術(shù)，解決了智能家居和酒店中熱水淋浴的有關(guān)問題和不足，性價比高，性能穩(wěn)定。

STM32；GSM；嵌入式智能化控制技術(shù)；數(shù)據(jù)采集分析

隨著以微控制器為代表的嵌入式控制技術(shù)的充分應(yīng)用，日用產(chǎn)品的功能越來越多，對智能控制的要求也越來越高，在信息化高度發(fā)展的今天，人們?nèi)粘Ｉ钆c網(wǎng)絡(luò)、信息結(jié)合的越來越緊密，蓬勃發(fā)展的旅游業(yè)和頻繁的商務(wù)旅行活動使得客人對酒店住宿的舒適性體驗有著更高的追求。在這樣的背景下，本文設(shè)計了這樣一個多功能淋浴系統(tǒng)[1]，旨在提高用戶淋浴的舒適性。系統(tǒng)基于Cortex-M4內(nèi)核，結(jié)合溫度采集模塊、水流量采集模塊，音樂播放模塊，無線傳輸模塊設(shè)計完成。

1 總體設(shè)計和系統(tǒng)功能

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)分為8大部分:主控模塊、水溫測量、水流量測量、射頻刷卡模塊、采集數(shù)據(jù)上傳分析和系統(tǒng)故障、音樂播放，數(shù)據(jù)存儲、顯示。系統(tǒng)的終端設(shè)備采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，各個模塊運行相互獨立，某一模塊出現(xiàn)故障時不會影響到其他模塊的正常運行。控制器電路中以STM32芯片為系統(tǒng)的核心，負責(zé)各種數(shù)據(jù)的處理，STM32具有性價比高，性能穩(wěn)定的特點，所以與市場上其他同類相比具有優(yōu)勢。操作電路采用按鍵進行控制，進行功能的選擇，系統(tǒng)顯采用TFT液晶顯示屏，主界面UI數(shù)據(jù)存放在SD卡中，溫度采集使用DS18B20溫度傳感器，水流量傳感器采集的水流量數(shù)據(jù)，同時通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)進行上傳，便于管理者分析處理。熱水閥的開啟通過用戶使用射頻卡進行觸發(fā)，用戶在淋浴的時候可以通過按鍵開啟播放音樂的功能，系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，用戶可以開啟GSM模塊中的發(fā)短信的功能向酒店管理人員反映[2]。實際電路模塊結(jié)構(gòu)及基本功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)將STM32和GSM模塊結(jié)合使用，使得系統(tǒng)不僅穩(wěn)定，經(jīng)久耐用，而且性能好，功能強大，滿足用戶的體驗，對于酒店來說可以為自己樹立一個好的名片，提高自己聲譽[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32處理器

STM32處理器是ST（意法半導(dǎo)體）公司基ARM的Crotex-M4內(nèi)核開發(fā)的一系列新型單片機。Crotex-M4內(nèi)核是ARM公司為了滿足高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而專門設(shè)計的新一代內(nèi)核，具有門數(shù)少，中斷延遲少，調(diào)試容易等特點，因此使用STM32處理器作為控制處理器是一套可靠的方案。系統(tǒng)采用STM32f407ZGT6芯片，需要用到此內(nèi)核的IIC總線，SPI串行數(shù)據(jù)接口，IIS總線以及串口等與外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常處理[4]。

2.2 顯示模塊實現(xiàn)

本系統(tǒng)顯示模塊采用的是LCD液晶顯示屏，TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。它在液晶顯示屏的每一個象素上都設(shè)置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量[5]。

系統(tǒng)中使用IL19341芯片控制液晶屏，TSC2046芯片進行觸摸屏控制。目前大多數(shù)液晶控制器都通過8080或6800接口與MCU進行通信，系統(tǒng)利用8080通信時序來控制IL19341，由于利用普通I/O接口模擬8080時序效率低，所以利用STM32F407ZGT6的FSMC接口驅(qū)動顯示電路。FSMC接口是一種總線接口，有4個專用的片選信號，可以訪問最多4個NOR、NAND閃存或SRAM存儲設(shè)備，F(xiàn)SMC寫SRAM的時序與8080時序相似，所以在這里L(fēng)CD就可以當(dāng)做SRAM設(shè)備使用使用。LCD的的顯示驅(qū)驅(qū)動連接如圖2所示。

圖2 LCD驅(qū)動電路引腳連接

2.3 溫度和水流量采集

2.3.1 溫度采集

溫度傳感器的種類眾多，其中DS18B20具有超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強的優(yōu)點。DS18B20的主要特征:1）全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出2）先進的單總線數(shù)據(jù)通信。所有的單總線器件要求采用嚴格的信號時序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。DS18B20共有6種信號類型:復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1[6]。DS18B20的硬件連接如圖3所示。

圖3 DS18B20硬件連接

單總線上的所有通信都是以初始化序列開始，初始化過程包括復(fù)位過程和從機應(yīng)答過程，按照DS18B20的時序圖，相應(yīng)的寫0和寫1并保持一定的時間，時間延時系統(tǒng)采用STM32內(nèi)部的滴答定時器提供精準的時間定時，初始化之后，就可對DS18B20進行讀寫了，根據(jù)讀寫時序就可以對其進行一個字節(jié)的讀取，讀取到的數(shù)據(jù)是一個16位的帶符號的二進制補碼，對其進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換便能得到所需要的溫度數(shù)據(jù)。

2.3.2 水流量采集

水流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。它裝在熱水器進水端，用于檢測進水流量，當(dāng)水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，傳感器輸出脈沖波形如圖4所示。

圖4 流量傳感器輸出脈沖波形

STM32擁有強大的定時器功能，它的通用定時器TM2～TM5擁有捕獲/比較寄存器[7]，寄存器在輸入時被用于捕獲輸入脈沖在電平發(fā)生發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的TMxCNT的當(dāng)前計數(shù)值，在對PWM脈沖輸入進行分析的時候，將流量傳感器的脈沖通過GPIO引腳輸入到定時器的脈沖檢測通道，通過相應(yīng)的寄存器對捕獲數(shù)據(jù)便進行計算可以得出輸入脈沖的頻率以及水流量的數(shù)據(jù)。

2.4 射頻刷卡

系統(tǒng)中用到的射頻模塊為MFRC522，MFRC522是高度集成的非接觸式（13.56 MHz）讀寫卡芯片。此發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中（13.56 MHz）。

MFRC522的內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE?卡[8]和應(yīng)答機的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個功能強大和高效的解調(diào)和譯碼電路，用來處理兼容ISO 14443A/MIFARE?的卡和應(yīng)答機的信號。MFRC522支持MIFARE?更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達424 kbit/s[9]。

系統(tǒng)中RC522模塊是采用SPI串行接口與STM32進行通信，STM32作為主機，RC522模塊作為從機，要注意通信速度不能超過10 Mbit/s，否則數(shù)據(jù)讀取可能會出錯，造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。系統(tǒng)啟動時，RC522模塊開啟天線，當(dāng)有射頻卡靠近時，就可以得到卡的類型和ID號，完成刷卡工作。

2.5 GSM模塊SIM9.0 A

2.5.1 GPRS數(shù)據(jù)采集

GPRS無線上網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展給數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展帶來了新的活力。GPRS是GSM網(wǎng)絡(luò)通信向3G標準的過渡階段，即2.5G標準。GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入分組交換的功能，支持TCP/IP協(xié)議，可以與Internet直接相通，因此已在消費電子中得到了廣泛的應(yīng)用。GPRS理論最高通信速率可達到171.2 kb/s，且國內(nèi)外各大通信公司均推出了各自的GPRS通信模塊，穩(wěn)定性好，完全能夠滿足各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要[10]。

系統(tǒng)使用SIM900A模塊進行GPRS通信[11]，實現(xiàn)模塊與電腦的TCP數(shù)據(jù)傳輸。SIM900A兼有GPRS，短息，打電話的功能。

系統(tǒng)之前采集的溫度和水流量的信息就通過此模塊實時地向管理人員的所在IP的電腦不斷傳送數(shù)據(jù)，以供管理人員對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2.5.2 故障信息反映模塊

此模塊使用GSM模塊中的發(fā)短信的功能來實現(xiàn)，用戶通過按鍵控制發(fā)送短信，發(fā)送的短信內(nèi)容和發(fā)送人的號碼已經(jīng)在程序中寫好，用戶直接根據(jù)界面的提示便可完成向管理者發(fā)送故障短信的功能[12]。

2.6 音樂播放模塊WM89.8

系統(tǒng)音樂播放模塊所使用的音頻解碼器是WM8978，WM8978通過I2S接口（即數(shù)字音頻接口）同MCU進行音頻數(shù)據(jù)傳輸（支持音頻接收和發(fā)送），通過兩線（MODE=0，即IIC接口）或三線（MODE=1）接口進行配置[13]。

系統(tǒng)中將WM8978當(dāng)做IIS的從機來使用，首先要對WM8978進行初始化，包括復(fù)位，DAC設(shè)置以及音量的設(shè)置，隨后對IIS進行初始化，包括IIS模式，標準等，接下來要對WAV文件進行解析，取得音頻信號的采樣率和位數(shù)。IIS在播放音頻的時候，一般是采用DMA來傳輸?shù)模@樣可以減輕CPU的工作量，系統(tǒng)通過開啟DMA傳輸，并及時填充WAV數(shù)據(jù)到DMA的緩沖區(qū)，就可以進行音樂播放了。

系統(tǒng)在很多時候需要用到大量存儲的數(shù)據(jù)，比如系統(tǒng)的界面UI，音樂播放模塊所需要的音樂文件，STM32的內(nèi)部RAM的空間有限，無法存儲系統(tǒng)所需大容量的數(shù)據(jù)，此時系統(tǒng)就要利用STM32的SDIO接口驅(qū)動來進行擴展[14]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)系統(tǒng)需要同時執(zhí)行多項任務(wù)，為了保證各項任務(wù)能夠正常的運轉(zhuǎn)，程序當(dāng)中使用了了UCOSIII系統(tǒng)。UCOSIII是支持多個任務(wù)擁有同一優(yōu)先級的，這些任務(wù)采用時間輪轉(zhuǎn)調(diào)度方法進行任務(wù)調(diào)度，也就是說將一個CPU時鐘周期分成多片，每一個片分配一定的時間，當(dāng)一個時間片的時間到了之后，自動切換到任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)。

程序中設(shè)置了4個任務(wù)，他們會隨著時鐘信號按順序不斷執(zhí)行，系統(tǒng)在開啟之后，不斷地對溫度和水流量信息進行采集，并實時地將采集到的數(shù)據(jù)傳通過STM32的串口發(fā)送AT指令送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，并且程序中不斷檢測是否有有效距離內(nèi)射頻卡，檢測到則開啟熱水閥，否則繼續(xù)向下執(zhí)行任務(wù)，隨后的程序會不斷查詢按鍵值執(zhí)行任務(wù)。程序運行的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)束語

文中完成了基于STM32/GSM的淋浴系統(tǒng)設(shè)計，性價比高，性能穩(wěn)定，保證系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定使用，減少了酒店管理人員的日常維護開銷，系統(tǒng)設(shè)計中的GSM模塊，保障了一旦系統(tǒng)故障能夠及時維護。實驗證明，由于STM32擁有靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC，便于系統(tǒng)擴展存儲器以及連接液晶顯示屏，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡潔，避免了了復(fù)雜的電路之間造成的干擾。系統(tǒng)具有溫度和水流量采集的功能，提升用戶的使用的舒適度，對水量的節(jié)約使用有了相應(yīng)的控制，符合現(xiàn)在低碳環(huán)保的國家政策。同時音樂播放功能使得系統(tǒng)的設(shè)計更加人性化，所以此系統(tǒng)跟市場上的同類產(chǎn)品相比更具優(yōu)越性，便于在未來市場中的推廣，具有廣泛的市場前景。

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Design of embedded shower control system based on STM32/GSM technology

WU Qi，LIU Yu，JIN Dong-zi
（College of Electronic and Information Engineering，Anhui University，Hefei236001，China）

In this paper，a kind of embedded intelligent control system used in the hot water shower was designed based on the STM32 technology.A STM32F407 processing unit was adopted as the control component.Users can adjust the water temperature through different sensors based on their requirements and enjoy music at the same time when showering，which improved the users’comfortability.Information also can be transmitted to the management personnel immediately through GSM modules when system malfunctions.On the other hand，the management personnel can also realize remote data acquisition and analysis of water temperature and water flow rate through GPRS.This system solved some problems occurred at home and hotels through embedded intelligent control technology which have many advantages such as high performance，low cost and stable operation.

STM32；GSM；embedded intelligent control technology；data acquisition analysis

TN919.6

A

1674-6236（2017）23-0155-04

2016-05-13稿件編號：201605131

安徽大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201510357052）

吳琦（1995—），男，安徽安慶人。研究方向：電子信息工程，信號處理等。