STM32在NBIOT智能云家居系統設計中的應用

南通大學信息科學技術學院 周榮康

智能云家居是在互聯網背景下物聯化的表現。與普通家居相比，智能云家居不僅具有傳統的居住功能，而且兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化、語音智能助手等功能。本文設計的系統是基于主控芯片對外設的控制和對外部環境的識別，通過上位機實現對下位機中模擬家電的控制，從而實現一個可靠、協調的NBIOT智能云家居系統。

隨著經濟持續發展，人們對于生活質量的追求越來越高，為了能夠給用戶提供更加舒適安逸的生活環境，智能云家居系統便顯現出其獨特的優勢。智能云家居系統是通過互聯網將家庭裝備的相關電器設備互相連接，使用手機或者其他網絡設備借助互聯網對家居電器設備進行遠程訪問、實時控制和監測等。

1 系統結構設計

1.1 設計方案及系統主要功能

本方案設計的系統以云服務器作為中介，通過移動端遠程對外設發送控制信息，主控芯片STM32F4解析用戶的控制信息，隨時分析傳感器信息、用戶的控制命令及BC26模塊通信，來實現步進電機的轉動（模擬窗簾的開合）、直流電機的轉動（模擬排氣扇的轉動、轉速）、RGB彩燈的開關（模擬家庭燈光開關以及各種顏色），以及讀取并返回步進電機、直流電機、RGB彩燈和溫濕度傳感器的狀態。本系統還配備了顯示模塊，便于用戶在家時對設備的直接查看與操作。

系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統的相關功能：借助NBIOT（narrow band internet of things）模塊連接服務器或者APP終端，實現手機APP端或者網頁端對開發板外設的控制；控制步進電機的方向、速度（模擬窗簾的開合）；控制直流電機正轉、反轉和轉速；控制OLED顯示不同的字符+圖片組合；實時監測環境的溫濕度；控制RGB彩燈不同顏色燈光的顯示（模擬各種裝飾燈）；實現對家用電器的遙控控制（紅外遙控）。

1.2 主控芯片選用

在實際設計中，每一個系統的設計應該首先考慮CPU的選型的問題。系統要求主控芯片的反應速度和處理速度都要快。常用的單片機類型有：51以及ARM等。ARM是32位的處理器，其響應速度和處理速度都較快。為了產生更高效率的控制效果，同時考慮低成本、低功耗，本系統選用STM32F401RET6作為主控芯片。

STM32F401RET6片內外設非常豐富，其兩個DMA控制器一共128個通道；3個串行外設接口，可有效進行外設通信；還有多達81個有中斷功能的輸入輸出IO端口，其中斷矢量控制器,具有多達23個可以編程的優先級，而且還可以進行異常延遲、處理中斷等。除此以外，它還有1個逐次比較型AD轉換器、2個電壓輸出DA轉換器等。

1.3 數據存儲芯片

本系統需要存儲的數據主要有兩類，一類是顯示模塊中的漢字字庫的數據，另一類是各種模塊的初始化程序以及通信過程中的控制指令等。

漢字庫存儲在FLASH中，本系統的外擴FLASH采用W25Q64芯片。字庫可以用軟件直接獲得，然后通過SPI通信寫入外擴FLASH中，即可以實現寫入字庫。各種模塊的初始化程序以及過程中的各種數據都可以存儲在EEPROM中，本系統的EEPOM是AT24C02芯片。AT24C02和W25Q64在系統中的用處很多，它們的存儲容量基本上用不完，可以將一些其他的重要信息存儲在其中防止數去丟失，甚至可以記錄程序運行過程中的數據，以用來監測或預測。

1.4 顯示方案

目前市場上常見的液晶顯示屏幕有：12864液晶屏幕、1602液晶屏幕和LCD 液晶屏幕等。從顯示能力方面來看，12864液晶屏幕和1602液晶屏幕的顯示能力要比LCD液晶顯示屏差得多，因此本系統選擇LCD液晶屏幕作為顯示屏。STN和TFT型晶體管型價格適中，市場上也隨處可見。所以TFT型是一個不錯的選擇，本設計選用TFT型液晶屏幕。

1.5 濕度溫度模塊

常用溫濕度傳感器有DHT11、SHT20等。DHT11的構成并不復雜，它有數字采集和溫濕度傳感器兩個部分，不僅結構穩定，而且還帶有數字信號校準技術，穩定性高、抗干擾能力強，綜合比較性價比較高。DHT11只有4個引腳，電源連接簡單、體積輕巧、方便使用，而且它的功耗適合長時間工作。

SHT20在DHT11的優點基礎上，又對穩定性方面做了改進，SHT20還設計了一個全新的控制計算芯片。結合性價比，本系統選擇性能更好的瑞士Sensirion的SHT20，由于它支持I2C通信，可以直接應用模擬時序法操作芯片，不需要專門的驅動芯片來驅動，這樣可以節省資源。

1.6 電源電路

本系統使用USB供電，電腦、充電寶的USB口都可以供電。一般來說USB輸出口的輸出電壓是5.0 V，可以驅動步進電機、全彩RGB燈珠，但是主控芯片STM32R401RET6單片機的正常工作電壓為3.3 V，其他外設如直流電機模塊、顯示模塊、BC26模塊等正常工作電壓也是3.3 V，因此還需要對電壓進行轉換。

1.7 電機及彩燈模塊

本系統設計采用的Y15-52B（DIY電機）型步進電機是兩相四線型電機，支持5.0 V工作電壓，同時采用LB1936V作為驅動芯片，它可以減少電路電流消耗。

為了更好的模擬智能排氣扇的工作狀況，系統用84YC空心杯高速直流電機來模擬，其工作電壓3.0 V左右，驅動芯片采用L9110S，它具有雙通道推挽輸出功能，是專用的集成電路功率放大器件，其穩定、抗干擾能力強，且成本低。此芯片有兩個輸入端和兩個輸出端，它的反向沖擊電流較大，這使得它在驅動各類電機時安全性非常高。

系統RGB彩燈的燈珠工作電壓為5.0 V，所需電壓和電流相對較大，因此需要一個驅動芯片才能夠正常工作。當前系統使用的驅動芯片是P9813，P9813是彩色點光源LED控制芯片，可提供三路恒流控制和256度灰色調制輸出，對于燈光的變化、字符的變化、彩色動畫圖案敏感。其可根據不同控制器和客戶的要求，離線或在線操作。

1.8 LCD顯示系統

LCD顯示系統有三個部分：CPU、LCD顯示控制器和LCD屏。CPU將要顯示的數據通過地址和數據總線送給LCD顯示控制器，LCD顯示控制器經過處理得到三種基本顏色數據，LCD顯示控制器將三種基本顏色數據數據發送給TFTLCD液晶屏顯示。本系統采用TFT-LCD型顯示設備是中景園1.3寸IPS高清屏，采用ST7789VW作為驅動芯片。ST7789VW是一個可以控制彩色屏幕的控制器，它可以顯示的數據分辨率為240×320，數據存儲在隨機存儲器中，可以直接進行讀取RAM顯示操作，不需要專門的時鐘，而且它的功耗很低。

1.9 NBIOT模塊

本系統的NBIOT模塊使用的是BC26模塊，BC26模塊是一款窄帶物聯網的模塊，它可以和網絡運營商之間建立通信，可以和他們進行數據交換，傳送所需要的傳送的信息。BC26模塊有三種模式（工作模式、輕休眠模式和深睡眠模式），其中一種是低功耗模式，在沒有使用時，它的功耗很低；在正常工作的情況下，它的性能很高。

另外，系統中紅外遙控模塊是基于NEC協議編碼方式的。

2 系統軟件設計

2.1 總體設計

本設計軟件部分包括步進電機模塊、直流電機模塊、LCD顯示模塊、全彩RGB燈珠模塊、溫濕度傳感器模塊的初始化和控制。軟件設計的初始化包括片內初始化和片外初始化，片外初始化即上述各模塊的初始化，片內初始化包括定時器、串口、按鍵、LED、看門狗、實時時鐘和中斷的初始化等。

五大模塊之間的關系是：NBIOT模組成功連接了APP和服務器后，獲取平臺上已經被注冊的控制設備的當前狀態并上報服務器。定期獲取服務器請求和上報數據到服務器，當獲取到服務器的控制數據時，就及時做出底層設備控制。

本系統利用HTTP網絡協議進行設計。首先初始化好設備各模塊，完成 NBIOT 模塊的配置，與云家居服務器進行網絡連接，進行數據存儲并判斷用戶是否第一次開機來決定設備的控制狀態并上報到服務器。做好準備工作后，定期請求服務器控制信息，然后分析控制信息實現設備控制，并把設備新狀態實時上報給服務器。

2.2 BC26模塊

NBIOT模塊AT指令部分完成初始化相關AT指令，建立TCP連接相關指令，發送數據相關指令，接收數據相關指令，關閉TCP連接相關指令。

NBIOT模塊驅動部分完成NBIOT模塊配置（包括配置CPU與NBIOT模塊通信的UART、初始化NBIOT模塊、NBIOT模塊與云服務器數據交換及UART通信程序設計）、初始化NBIOT（操作步驟：等待模塊連接基站、設置模塊波特率、設置模塊傳輸數據格式及設置接收數據方式為直吐模式）及NBIOT模塊與云服務數據交換（連接云服務器、發送數據、等待獲取數據完成及斷開云服務器連接）。

NBIOT模塊作為客戶端實現與服務器進行HTTP通信，使NBIOT模塊連接服務器，建立起NBIOT模塊和服務器的連接和透傳功能，并開啟數據發送。建立好連接后，按照HTTP請求格式向服務器發送請求，等待響應。

系統調試和功能測試分兩個部分，上位機部分包括：對BC26模塊、APP軟件、獲取設備ID等測試。下位機部分包括：對步進電機、直流電機、RGB彩燈、STH20溫濕度傳感器、LCD顯示的測試。

結語：本智能云家居系統基于STM32F401RET6單片機，采用BC26模塊實現通信，比其他的藍牙通信、WIFI通信更加方便使用。STM32F401RET6單片機內置RTC實時時鐘給設計電路時減少元器件的使用。對于溫濕度傳感器采集的數據，還可以存儲在存儲芯片AT24C02中，方便調出數據，對溫濕度進行預測時使用。經過實物測試，系統可以實時監測環境溫濕度，同時可以控制直流電機（模擬排氣扇）、步進電機（模擬窗簾）、RGB彩燈（模擬家庭燈光），操作方便，易于使用。