基于STM32的宜家式智能閱讀系統設計

李層樓，黃海釗，黃典昆，周義冬

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

近年來由于智能家居的出現，人們的居住條件也在一定程度上得到了改善，雖然智能家居產品在市場上已經出現了很多但是其主要著力點還是集中于對人們日常生活中飲食、居住等方面，在宜家閱讀這一部分涉及較少[1-3]。而對于家庭閱讀起輔助作用的產品和設計也有很多但是其功能較為單一，如果多個一同使用又顯得繁瑣以及整合困難[4-6]。并且隨著人們生活水平的不斷提高，人們對精神建設的追求將達到新的高度，而書籍仍然是最好的選擇。但是閱讀時會遇到各種困擾，比如，有時在閱讀書籍之前會有很難找到自己想要閱讀的書籍或者書籍被放在一個不方便取的地方。在閱讀的時候也會因為閱讀環境氛圍不好，或者是燈光造成不適感而中斷閱讀。亦或者閱讀過于投入會錯過重要的事，亦或者閱讀時間過久而對眼睛造成傷害。

本系統有效的解決了這些困擾，致力于更好的閱讀體驗。系統使用基于Cortex-M3內核的32位高性能微控制器STM32F103ZET6為主控制芯片，以STM32F103RCT6為分控制芯片。結合物聯網技術理念，通過RFID技術快速準確找到書籍，免去了找書以及取書的煩惱。通過智能調光，可以讓人處于較理想的閱讀光照環境，也可通過人機交互，自定義色溫與亮度。也可一邊享受音樂，一邊閱讀書籍。

1 宜家智能閱讀系統硬件系統設計

1.1 主控制芯片：STM32F103ZET6

微處理器STM32F103ZET6是一款32位Cortex-M3內核處理器，其工作頻率為72 MHz，其所擁有的資源非常豐富，包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個 CAN、3個 12位 ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。芯片采用2.0～3.6 V低電壓供電，支持睡眠、停機和待機3種省電模式，具有功耗低、實時性強等優點。

1.2 RFID芯片：MF-RC522芯片

MF RC522是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員，是NXP公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。

1.3 硬件總體框圖設計

宜家式智能閱讀系統由主控制器、書架控制器、閱讀燈控制器組成的控制系統進行控制，系統總體框圖如圖1所示。在各控制中分別配置了多種感應器，用于書籍識別、環境溫度顯示、光強度、紅外指令接收等方面的感知以便系統的控制。并在主控制部分配置了電阻觸摸屏，以便進行人機交互。

圖1 宜家智能閱讀系統總體框圖

1.4 主控制部分

如圖1所示，主控制部分以STM32F103ZET6為控制芯片，并包含了音樂播放器、LED、溫度傳感器、觸摸屏、紅外接收器等部分。其中音樂播放器以VS1053B高性能音頻解碼芯片及其外圍電路為主加以功放電路用以清晰地高質量地播放播放SD卡中的音樂文件，VS1053是荷蘭 VLSI公司出品的又一款高性能解碼芯片。該芯片可以實現對MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音頻格式的解碼，同時還可以支持ADPCM/OGG等格式的編碼。VS1053還擁有一個高性能的DSP處理器核VS_DSP，16K的指令 RAM，0.5K的數據 RAM，通過SPI控制，具有8個可用的通用IO口和一個串口，芯片內部還帶了一個可變采樣率的立體聲ADC（支持咪頭/咪頭+線路/2線路）、一個高性能立體聲 DAC及音頻耳機放大器。溫度傳感器采用DS18B20溫度數字傳感器，可以達到精確獲取周圍環境溫度的目的，當測量溫度范圍為-55～+125℃時 ，精度達到±0．5℃，完全滿足在家庭環境中溫度的精確獲取。紅外接收用HS0038作為紅外接收頭接收用戶對系統的遠距離控制指令。觸摸屏使用TFT LCD 2.8寸電阻屏用于人機交互。

1.5 主閱讀燈控制部分及書架控制部分

如圖1所示，閱讀燈控制由STM32F103RCT6芯片為控制芯片，包含了光感應部分和及閱讀燈并通過485通信與主控制器進行數據交換。通過光數字傳感器的數據和閱讀燈控制器配備的控制算法控制閱讀燈已獲得讓人感覺舒適和減少對眼睛的傷害。

書架控制部分同樣是以STM32F103RCT6為控制芯片，包含了RFID感應模塊、電機及其驅動模塊。通過485通信與主控制器進行數據交換及對主控制器命令地接收。通過主控制器的指令和書架控制器配備的控制算法及RFID模塊對貼有RFID標簽的書籍地檢測準確找到所需的書籍，并通過控制電機簡捷快速獲取。

1.6 機械結構

本系統以旋轉書架為結構基礎，通過電機轉動和齒輪傳動達到旋轉書架的目的。如圖2所示。

圖2 旋轉書架

2 宜家智能閱讀系統軟件系統設計

2.1 控制系統初始化

當系統上電后，主控制器開始工作，首先進行初始化，包括：時鐘、GPIO、串口、LCD、中斷及其分組、延時函數、定時器、SD卡、字庫等的初始化。然后主控制器通過RTC時鐘獲取時間，從溫度傳感器獲取周圍環境溫度，并顯示在屏幕上。最后進入存取書功能頁面。閱讀燈控制器進行時鐘、GPIO、定時器等初始化，然后獲取環境光強度并對閱讀燈進行控制，然后等待主控制器的命令。書架控制器在進行時鐘、GPIO、定時器等初始化后，直接等待主控制器的指令的狀態。如圖3所示。

圖3 控制系統初始化

2.2 串口通信

通信部分主要由RS485總線利用STM32內部串口的資源來實現主控制器和書架控制器、閱讀燈控制器間的數據傳遞和指令的下達。圖4為485通信流程圖。

圖4485 通信流程圖

2.3 存取書功能實現

存取書功能，通過觸摸屏進行人機交互，點擊屏幕選擇存書或者取書，主控制器通過485通訊將人機交互的結果發送至書架控制器。書架控制器通過485通訊獲取主控制器指令并將書籍信息、成功與否等信息再次通過485通訊傳回主控制器。存取書流程如圖5、圖6所示。

圖5 存書功能實現流程圖

圖6 取書功能實現流程圖

2.4 音樂播放

通過主控制器開啟音樂播放功能，播放SD卡中的音樂文件，通過紅外遙控器進行切歌，和音量調節等操作。如圖7所示。

圖7 音樂播放器控制流程圖

3 系統測試與分析

測試步驟為先將幾本書籍通過存書流程存入書架中，等全部存入成功后，點擊功能頁中取書指令，隨機選取一本書籍。觀察是否可以獲取，然后繼續點擊存書指令，再次進行存書，以確保可以存入更多的圖書。在閱讀燈光下看書，看看是否出現不適感，以做進一步調整。通過紅外遙控器控制音樂播放器和閱讀燈，看是否到達控制效果。

測試結果無錯誤故障情況，基本達到預期要求，可以實現宜家閱讀系統對實時性、準確性、可靠性以及移動性的要求。

4 結束語

智能宜家閱讀系統采用RS485標準協議傳輸數據，數據傳輸實時性強，有效解決了其他通信方式在通信時延遲的問題，達到了系統實時性控制的目的，避免用戶等待時間長的困擾。智能宜家系統采用模塊化管理，各個模塊功能分工明確，具有良好的抗干擾能力，也有利于系統維護以及升級。測試表明：該系統可實現RFID智能存取書，智能調光，音樂播放，閱讀時間提醒等功能。并具有操作簡單、高穩定性、能耗低等特點及較高的實用價值，有效的改善了用戶的閱讀環境。

參考文獻：

[1]張佑春，任遠林，馬玉清，等.基于STM32的智能家居控制系統設計[J].蘭州工業學院學報，2016，23（02）：60-63.

[2]滕 軍.家庭智能系統設計[J].信息與電腦（理論版），2017（18）：92-93.

[3]許 諾.國內智能家居市場簡析[J].日用電器,2017（01）：17-19，33.

[4]袁樂民.基于RC522的RFID讀卡器電路設計實現[J].數字技術與應用，2014（12）：168-169.

[5]楊雪梅，張 慧.基于STM32的音樂播放器[J].信息通信，2016（03）：136-137.

[6]譚鵬飛，郭莉莉，范麗雯，等.智能家居照明系統設計與研究[J].科技展望，2017，27（18）：159.