STM32在NBIOT智能云家居系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 周榮康

智能云家居是在互聯(lián)網(wǎng)背景下物聯(lián)化的表現(xiàn)。與普通家居相比，智能云家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，而且兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化、語音智能助手等功能。本文設(shè)計的系統(tǒng)是基于主控芯片對外設(shè)的控制和對外部環(huán)境的識別，通過上位機實現(xiàn)對下位機中模擬家電的控制，從而實現(xiàn)一個可靠、協(xié)調(diào)的NBIOT智能云家居系統(tǒng)。

隨著經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，人們對于生活質(zhì)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(huán)境，智能云家居系統(tǒng)便顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。智能云家居系統(tǒng)是通過互聯(lián)網(wǎng)將家庭裝備的相關(guān)電器設(shè)備互相連接，使用手機或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備借助互聯(lián)網(wǎng)對家居電器設(shè)備進行遠程訪問、實時控制和監(jiān)測等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計方案及系統(tǒng)主要功能

本方案設(shè)計的系統(tǒng)以云服務(wù)器作為中介，通過移動端遠程對外設(shè)發(fā)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(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)動（模擬窗簾的開合）、直流電機的轉(zhuǎn)動（模擬排氣扇的轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速）、RGB彩燈的開關(guān)（模擬家庭燈光開關(guān)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(tài)。本系統(tǒng)還配備了顯示模塊，便于用戶在家時對設(shè)備的直接查看與操作。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的相關(guān)功能：借助NBIOT（narrow band internet of things）模塊連接服務(wù)器或者APP終端，實現(xiàn)手機APP端或者網(wǎng)頁端對開發(fā)板外設(shè)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速；控制OLED顯示不同的字符+圖片組合；實時監(jiān)測環(huán)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(xiàn)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(shè)計中，每一個系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該首先考慮CPU的選型的問題。系統(tǒng)要求主控芯片的反應(yīng)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(yīng)速度和處理速度都較快。為了產(chǎn)生更高效率的控制效果，同時考慮低成本、低功耗，本系統(tǒng)選用STM32F401RET6作為主控芯片。

STM32F401RET6片內(nèi)外設(shè)非常豐富，其兩個DMA控制器一共128個通道；3個串行外設(shè)接口，可有效進行外設(shè)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(yōu)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(zhuǎn)換器、2個電壓輸出DA轉(zhuǎn)換器等。

1.3 數(shù)據(jù)存儲芯片

本系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)主要有兩類，一類是顯示模塊中的漢字字庫的數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(xiàn)寫入字庫。各種模塊的初始化程序以及過程中的各種數(shù)據(jù)都可以存儲在EEPROM中，本系統(tǒng)的EEPOM是AT24C02芯片。AT24C02和W25Q64在系統(tǒng)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(shù)去丟失，甚至可以記錄程序運行過程中的數(shù)據(jù)，以用來監(jiān)測或預(yù)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(tǒng)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(shè)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(gòu)成并不復(fù)雜，它有數(shù)字采集和溫濕度傳感器兩個部分，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且還帶有數(shù)字信號校準技術(shù)，穩(wěn)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(yōu)點基礎(chǔ)上，又對穩(wěn)定性方面做了改進，SHT20還設(shè)計了一個全新的控制計算芯片。結(jié)合性價比，本系統(tǒng)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(yīng)用模擬時序法操作芯片，不需要專門的驅(qū)動芯片來驅(qū)動，這樣可以節(jié)省資源。

1.6 電源電路

本系統(tǒng)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(qū)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(shè)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(zhuǎn)換。

1.7 電機及彩燈模塊

本系統(tǒng)設(shè)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(qū)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(tǒng)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(qū)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(wěn)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(qū)動各類電機時安全性非常高。

系統(tǒng)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(qū)動芯片才能夠正常工作。當(dāng)前系統(tǒng)使用的驅(qū)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(diào)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(jù)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(tǒng)

LCD顯示系統(tǒng)有三個部分：CPU、LCD顯示控制器和LCD屏。CPU將要顯示的數(shù)據(jù)通過地址和數(shù)據(jù)總線送給LCD顯示控制器，LCD顯示控制器經(jīng)過處理得到三種基本顏色數(shù)據(jù)，LCD顯示控制器將三種基本顏色數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送給TFTLCD液晶屏顯示。本系統(tǒng)采用TFT-LCD型顯示設(shè)備是中景園1.3寸IPS高清屏，采用ST7789VW作為驅(qū)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(shù)據(jù)分辨率為240×320，數(shù)據(jù)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(tǒng)的NBIOT模塊使用的是BC26模塊，BC26模塊是一款窄帶物聯(lián)網(wǎng)的模塊，它可以和網(wǎng)絡(luò)運營商之間建立通信，可以和他們進行數(shù)據(jù)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(tǒng)中紅外遙控模塊是基于NEC協(xié)議編碼方式的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本設(shè)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(shè)計的初始化包括片內(nèi)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(nèi)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(guān)系是：NBIOT模組成功連接了APP和服務(wù)器后，獲取平臺上已經(jīng)被注冊的控制設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)并上報服務(wù)器。定期獲取服務(wù)器請求和上報數(shù)據(jù)到服務(wù)器，當(dāng)獲取到服務(wù)器的控制數(shù)據(jù)時，就及時做出底層設(shè)備控制。

本系統(tǒng)利用HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行設(shè)計。首先初始化好設(shè)備各模塊，完成 NBIOT 模塊的配置，與云家居服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)連接，進行數(shù)據(jù)存儲并判斷用戶是否第一次開機來決定設(shè)備的控制狀態(tài)并上報到服務(wù)器。做好準備工作后，定期請求服務(wù)器控制信息，然后分析控制信息實現(xiàn)設(shè)備控制，并把設(shè)備新狀態(tài)實時上報給服務(wù)器。

2.2 BC26模塊

NBIOT模塊AT指令部分完成初始化相關(guān)AT指令，建立TCP連接相關(guān)指令，發(fā)送數(shù)據(jù)相關(guān)指令，接收數(shù)據(jù)相關(guān)指令，關(guān)閉TCP連接相關(guān)指令。

NBIOT模塊驅(qū)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(wù)器數(shù)據(jù)交換及UART通信程序設(shè)計）、初始化NBIOT（操作步驟：等待模塊連接基站、設(shè)置模塊波特率、設(shè)置模塊傳輸數(shù)據(jù)格式及設(shè)置接收數(shù)據(jù)方式為直吐模式）及NBIOT模塊與云服務(wù)數(shù)據(jù)交換（連接云服務(wù)器、發(fā)送數(shù)據(jù)、等待獲取數(shù)據(jù)完成及斷開云服務(wù)器連接）。

NBIOT模塊作為客戶端實現(xiàn)與服務(wù)器進行HTTP通信，使NBIOT模塊連接服務(wù)器，建立起NBIOT模塊和服務(wù)器的連接和透傳功能，并開啟數(shù)據(jù)發(fā)送。建立好連接后，按照HTTP請求格式向服務(wù)器發(fā)送請求，等待響應(yīng)。

系統(tǒng)調(diào)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(shè)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(jié)語：本智能云家居系統(tǒng)基于STM32F401RET6單片機，采用BC26模塊實現(xiàn)通信，比其他的藍牙通信、WIFI通信更加方便使用。STM32F401RET6單片機內(nèi)置RTC實時時鐘給設(shè)計電路時減少元器件的使用。對于溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，還可以存儲在存儲芯片AT24C02中，方便調(diào)出數(shù)據(jù)，對溫濕度進行預(yù)測時使用。經(jīng)過實物測試，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測環(huán)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。