基于WiFi的無線測控終端系統設計

王愿祥 程悅琪 孫先松

摘 要：文中主要研究通過微控制器ARM結合WiFi技術，設計并制作一套微型測控終端系統模型，利用STM32F103主控芯片控制WiFi模塊ESP8266，結合上位機實現對家居節能燈、窗簾的無線控制，以及對室內溫度濕度的采集和監測，實現局域網內多節點無線智能測控的問題，詳細介紹了系統總體工作的基本原理、硬件設計、軟件設計以及系統簡易實物模型的設計。

關鍵詞：WiFi；STM32F103；ESP8266；無線控制

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

0 引 言

現代科技越來越廣泛地影響著人們的學習、生活和娛樂。同時，物聯網的高速發展使得智能家居成為研究熱點[1]。而WiFi技術的應用則起著舉足輕重的作用，WiFi技術越來越成熟，使用WiFi技術對智能設備進行無線控制更加符合實際需要。同時，測控系統在各領域廣泛應用，為了適應測控環境的多樣性、多變性和復雜性，將有線與無線網絡技術相結合是測控網絡的發展趨勢。基于無線測控終端應用的巨大市場空間與WiFi技術，本文設計了一個可以進行無線測量與控制，測量精度高，可實時進行數據傳輸的簡易智能家居系統。該系統以ARM系列單片機STM32F103為主控芯片，通過繼電器控制室內節能燈的亮滅，從而控制步進電機帶動窗簾的拉開與閉合；使用溫濕度傳感器DHT11采集室內的溫度和濕度，并將采集到的數據通過ESP8266無線模塊實時傳送到上位機，實現溫度與濕度的同時監測，從而實現對室內的簡單智能

控制。

1 系統總體結構設計

本文系統分散布局，集中控制。系統下位機由WiFi無線通信模塊ESP8266和微控制器STM32F103以及外接設備構成，相應的傳感器（DHT11或DS18b20）與執行設備（繼電器、步進電機）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現對室內環境數據（如溫度、濕度、光線等）的采集，并將采集到的數據通過WiFi模塊上傳至手機客戶端。同時，也可將手機作為控制端，將控制指令通過WiFi下傳至處理器模塊的執行設備，控制室內燈的亮滅、窗簾的開合等，從而實現對設備的監控與控制。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

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

2.1 單片機控制系統設計

單片機控制系統為整個系統的控制部分，該部分以單片機STM32F103為核心處理器，內核為ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz。其外設電路分別由時鐘電路、復位電路、電源電路、JTAG下載調試電路組成。該芯片是一款常用的增強型系列微控制器，應用廣泛，主要應用于電機驅動、應用控制、警報系統。所以本文系統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標準[2]的短程無線傳輸技術，能夠在數百米范圍內支持互聯網接入的無線電信號（通常是2.4 GHz UHF或5 GHz SHF ISM射頻頻段），最大優點是傳輸速度較高，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整，有效地保障了網絡的穩定性和可靠性。

WiFi模塊選用ESP8266模塊，該模塊是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，能夠搭載軟件應用，具有超高集成度（內置TCP/IP協議，PLL，穩壓器和電源管理組件）、超低功耗（3.3 V低電平供電，轉TTL電平）、成本低、體積小等優點，非常適用于無線控制領域。該模塊是一款高性能的串口轉WiFi（UART-WiFi）模塊，ESP8266支持AP，STA，AP+STA三種模式。AP模式即無線接入點模式；STA模式通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。

2.3 溫濕度檢測模塊

DHT11數字溫濕度傳感器[3]是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術與溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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集成變得簡易快捷，體積小、功耗低，信號傳輸距離可達20 m以上，一次完整的數據傳輸為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，是當輸入量（激勵量）的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定階躍變化的一種電器。本文系統使用電磁繼電器，給線圈加一個電壓，產生一個磁場，該磁場使繼電器的觸點閉合，觸點的接通與斷開就能實現開關功能。設計中使用的型號為高/低電壓都支持的3.3 V繼電器模塊，因為主控芯片的電壓為3.3 V，

所以可直接用于驅動，簡單方便。

2.5 電動窗簾模塊

步進電機是一種能將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，實際上是一種單相或多相同步電動機。本文系統使用五線四相制步進電機，其驅動電源為5 V，所以采用TPS7350電源管理芯片進行5 V穩壓輸出，亦同時使用L298N驅動步進電機。如果換作12 V的電機，則利用MC34063電源管理芯片進行升壓電路設計，從而使電路滿足電機正常運行的設計要求。

3 系統軟件設計與實現

3.1 系統軟件總體設計

首先對STM32F103內部各硬件單元進行系統初始化[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，步進電機初始化。初始化結束后根據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行相應的驅動。驅動的實質為在相應模式下合理使用AT指令。利用主控上的串口連接ESP8266的UTXD，URXD進行數據收發，在控制程序中將接收到APP的數據與程序中設定的數據進行對比，若相同，則執行相應的控制操作。本文系統主要使ESP8266工作在AP模式。系統軟件設計框圖如圖3所示。

3.2 系統采集端軟件設計

溫濕度DHT11傳感器一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出，其數據格式為：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和[5]。數據傳送正確時校驗和數據等于“8 bit濕度整數數據+ 8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據”所得結果的末8位。具體代碼[6]如下：

步進電機程序設計為：采用L298n雙H橋直流電機驅動芯片，包括4個三極管和1個電機，要使電機運轉，必須導通對角線上的1對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。IN1，IN2，IN3，IN4接主控的4個管腳，用于給出脈沖； 五線四相制步進電機中的橙、黃、粉、藍分別接L298n的OUT1，OUT2，OUT3，OUT4；+5 V接開發板的5 V；5 V驅動電源接外接電源；GND接外接電源GND； ENA，ENB，板載5 V等分別用跳接帽短接。步進電機驅動時序如下述代碼：

本文系統使用8個節拍，步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。在設計代碼時，可通過設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的大小改變電機轉速。

3.3 系統服務端程序設計

ESP8266模塊程序設計：AP模式為默認模式，ESP8266模塊作為熱點，實現手機或電腦對模塊的直接通信，并實現局域網[7]的搭建。ESP8266模塊的具體配置如圖4所示。

經過上述配置后，模塊自身建立了局域網，在此局域網內可實現數據互傳以及命令的控制。模塊配置過程中的指令以及回應可通過串口助手實時顯示，如圖5所示。

無線控制程序設計：手機APP發送的數據通過ESP8266傳給主控芯片進行解析，解析后再進行相應的命令操作。具體解析代碼[8]如下：

APP端發送來的信息為"CMD_MOTORN_0""CMD_MOTORN_1""CMD_LED_1_0"等，通過程序對其指令進行解析。

系統上位機使用秉火物聯的APP，其界面如圖6所示。界面信息包括連接信息、燈控按鈕、溫濕度數據上傳顯示、蜂鳴器等。在界面左側可以自主添加控制信息，如本文系統中開關窗簾的控制等。上位機界面如圖7所示。

4 系統測試與實物展示

為上述系統供電，進行室內測試。在供電5～8 s后，手機APP連接上ESP8266模塊發出的WiFi信號，WiFi名稱為"ESP8266_TEST"。同時，溫度與濕度數據也實時顯示在界面上，且比較穩定。按下窗簾按鈕，窗簾（步進電機啟動）拉動，再次按下窗簾按鈕，窗簾收合。按下LED1，板載LED燈點亮，按下LED2，外部220 V家居節能燈點亮。將微型智能家居系統逐步遠離控制端APP，最遠接收距離為十幾米，仍能夠滿足家庭的基本需要。后續會進行聯網處理，實現真正的物聯網。系統實物如圖8所示。

5 結 語

本文系統初步實現了簡易的智能家居系統控制與測量，在主控芯片的控制下，順利實現了APP通過ESP8266構建的局域網發送控制命令，接收數據，從而達到無線控制外部設備的目的，使家居用品更加智能化。同時，本文系統的原理可應用到各行各業，實現無人監管、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生。

參考文獻

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[4]韓曉英，張方櫻，朱靜.基于STM32單片機的智能家居控制系統設計與實現[J].硅谷，2013，6（12）：14-15.

[5]譚浩強. C 程序設計教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] YIU J.ARM Cortex-M3與Cortex-M4權威指南（3版）[M].吳常玉，曹孟娟，王麗紅，譯.北京： 清華大學出版社，2015.

[7]屈良潘，唐曼玲，劉靜，等.基于ESP8266的LED燈無線遠程控制設計[J].電子世界，2017 （9）：179，181.

[8]袁正道，董麗莎，王家斌.基于nRF24L01和Cortex-M3的無線測控系統[J].物聯網技術，2012，2（8）： 48-49.