STM32開發(fā)板+機智云AIoT+家庭監(jiān)測控制系統(tǒng)

摘要:基于esp8266與機智云Aiot開發(fā)平臺的家庭監(jiān)測和控制系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術的家庭設備控制系統(tǒng)。利用機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺和ESP8266WiFi模塊、STM32核心板、電機驅動、繼電器、溫濕度傳感器模塊等，實現(xiàn)與手機終端的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)監(jiān)測。

通過移動手機終端APP的開關按鍵，可以控制系統(tǒng)電機的正轉與反轉；通過APP的開關按鍵，模擬窗戶的開合，并控制舵機的正轉和反轉，模擬門的開關；通過APP的開關按鍵控制系統(tǒng)LED的亮滅，模擬家中對燈的控制；

通過APP的開關控制按鍵模擬家庭風扇的控制。系統(tǒng)采集MQ135煙霧傳感器的數(shù)值，經(jīng)單片機進行ADC轉換后，通過OLED顯示ADC采集轉換后的數(shù)值。單片機將通過DHT11采集的數(shù)值顯示在OLED上，還可通過APP和OLED顯示模塊查看單片機系統(tǒng)外設的運行狀態(tài)。

引言

火災，是人類重大的災難之一。每一次的火情都牽動無數(shù)人的心，而火情最容易帶來人員的傷亡和財產(chǎn)的損失。據(jù)統(tǒng)計，全世界每天發(fā)生大大小小的火災約一萬起，而我國在消防體系十分健全的情況下，每年火災發(fā)生的數(shù)量達到十五萬起，家庭起火導致的火災約五萬起，占三分之一。每年因火災而失去生命的人約800人，每年因火災造成的經(jīng)濟損失超10億元。家庭防火刻不容緩，特別是因缺乏安全意識玩火、家庭線路老化、天然氣泄漏等需要引起注意。如今，很多重要的公共場合已在關鍵地方安裝了煙霧報警器，能在第一時間發(fā)現(xiàn)可能存在的火情威脅。但家庭是我們極度容易忽視的地方[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)最典型的應用之一，越來越多的設備接入物聯(lián)網(wǎng)中，給人們的生活帶來了很多便利[2]。本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術完成了簡易的智能家庭監(jiān)測和控制系統(tǒng)。利用開源的機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互，通過智能云平臺對家庭傳感器實現(xiàn)遠程控制，對家庭中潛在的火源威脅進行監(jiān)控。采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、人體光學傳感器等，對嵌入式系統(tǒng)在中間層進行深度開發(fā)，實現(xiàn)基本的功能原理，完成原理圖、PCB的設計，以及嵌入式系統(tǒng)軟件實現(xiàn)課題的目標功能[3-7]。

1總體設計方案

本系統(tǒng)基于ARMM3系列控制器，考慮外設中需要較大的驅動能力和較大的內(nèi)存存儲空間才能實現(xiàn)系統(tǒng)運算，故結合本設計的需求，使用WiFi模塊作為單片機與上位機系統(tǒng)間的通信模塊。單片機采集外部的溫濕度信息、空氣中煙霧的濃度信息等，通過WiFi模塊連接云平臺，借助云平臺與手機終端APP將信息傳遞給用戶。用戶通過手機終端APP按鍵，向云平臺傳輸字符信號，云平臺通過WiFi模塊向單片機系統(tǒng)傳遞控制指令，單片機接收到指令后，執(zhí)行相應的操作。系統(tǒng)框架如圖1所示[2-4]。

圖1系統(tǒng)框架

2硬件設計

本系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：嵌入式微控制器STM32F103C8模塊、GPS/北斗模塊、OV7670攝像頭模塊和GPRS模塊。其中，STM32F103C8為主控制器，負責信息的處理與控制；GPS/北斗模塊和OV7670攝像頭模塊負責采集環(huán)境圖片信息和當前的位置信息；GPRS模塊負責嵌入組建網(wǎng)絡并與Internet服務器通信[3]。

2.1系統(tǒng)電源設計

本系統(tǒng)采用12V的DC作為供電電源，用線性穩(wěn)壓芯片和DC調壓芯片作為嵌入式系統(tǒng)為各外設供電。由于本系統(tǒng)中有較多的應用外設，因此需要多個穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓，以確保外設和CPU不受電壓影響，正常工作。有些負載比較大的外設，如電機和舵機等，在使用時需要較大電流，如果共用同一個電源系統(tǒng)，在外設驅動時，電壓和電流波動較大，會影響其他外設的正常使用，而嵌入式系統(tǒng)也可能會因為電壓和電流的不穩(wěn)定造成復位現(xiàn)象，極大影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此在選擇系統(tǒng)電源時，選擇多電源分開供電的方案，如圖2所示。

圖2系統(tǒng)電源分配方案

2.2嵌入式系統(tǒng)硬件

嵌入式開發(fā)系統(tǒng)采用STM32F103RCT6核心板模塊。模塊資源包括STM32RCT6集成的32位SOC、SWD程序調試接口、復位按鍵電路、通用I/O口、時鐘振蕩電路、FLASH存儲電路、OLED接口、按鍵電路以及LED電路。

2.3ESP8266硬件設計

ESP8266作為一款性能強大的無線射頻模塊，內(nèi)部定義了豐富的管腳。ESP8266通過串口與單片機相連，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，單片機的USART1在PA9和PA10引腳上，其中，ESP8266的RX與單片機的TX相連，ESP8266的TX與單片機的RX相連。ESP826作為本系統(tǒng)的主要通信載體，連接了MCU和云服務平臺，通過串口1的串口協(xié)議與MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過與局域網(wǎng)的連接，把串口協(xié)議傳輸?shù)男畔⑸蟼鞯皆品掌脚_。同樣，用戶操作上位機平臺，經(jīng)云平臺和ESP8266將控制信號通過串口協(xié)議傳輸給MCU，MCU在接收到串口數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應的指令。

2.4L298N電機驅動電路

L298N模塊是一款集成的驅動電路，其具有驅動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強等特性。L298N可輸出電流為2A，最大可輸出4A電流，最高可驅動50V工作電壓，可用于中小型直流電機的控制。L298N使用單片機的TTL邏輯電平控制電機的正反轉，軟件上只需改變輸入端邏輯電平的脈沖寬度即可控制電機的轉速。通過控制輸入端邏輯電平的輸入端正轉或反轉，就能相應控制電機的正反轉。L298N的正常工作電壓為5V。L298N內(nèi)部集成了L298N驅動和8個續(xù)流二極管，構成H橋驅動電路。

2.5SG90舵機模塊

SG90使用5V直流電壓，控制信號接單片機的PA11。PA11為定時器的通道4，通過PWM信號控制舵機的正反轉，通過PWM輸出的脈沖寬度來控制舵機的轉速和角度。

2.6MQ135煙霧傳感器

MQ135煙霧傳感器為5V供電，通過PA1的ADC引腳采集MQ135信號。MQ135煙霧傳感器可以輸出數(shù)字信號和模擬信號，本系統(tǒng)采集模擬信號。

2.7OLED顯示電路

本系統(tǒng)使用OLED顯示電路顯示本系統(tǒng)的外設狀態(tài)，如煙霧傳感器ADC采集的值，溫濕度的值，以及電機、舵機、LED、風扇的狀態(tài)。OLED顯示電路采用3.3V電壓供電，使用I2C協(xié)議通信。

3系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計模塊主要包含ESP8266固件燒錄、云平臺接入、云平臺創(chuàng)建節(jié)點、STM32固件開發(fā)四部分。借助ESP8266與SOC的云平臺開發(fā)需要完成以下4步：

(1)ESP8266模塊燒錄GAgent開發(fā)固件；

(2)機智云開發(fā)中心創(chuàng)建產(chǎn)品以及定義數(shù)據(jù)點；

(3)下載機智云開發(fā)平臺生成的通信協(xié)議并對協(xié)議進行移植；

(4)使用機智云APP對設備進行遠程測試。

初始化各模塊的函數(shù)后，在軟件的主函數(shù)中寫入系統(tǒng)的總體服務函數(shù)，系統(tǒng)在OLED顯示屏上顯示溫濕度、煙霧、門、窗以及人體紅外等傳感器狀態(tài)。當按鍵按下時，OLED顯示為安防狀態(tài)，然后系統(tǒng)掃描MQ135煙霧傳感器及溫濕度傳感器，當傳感器的數(shù)值大于閾值時，系統(tǒng)報警。當上位機執(zhí)行控制指令時，觸發(fā)串口中斷，接收來自上位機的字符指令，把相應的標志置位后，執(zhí)行控制指令?？刂浦髁鞒倘鐖D3所示。

3.1STM32固件開發(fā)編程

本系統(tǒng)基于STM32固件庫開發(fā)，在軟件開發(fā)之前，需要對硬件系統(tǒng)的固件庫進行初始化(GPIO初始化、串口初始化、I2C協(xié)議初始化、定時器初始化[5-6])，方便以后使用。

3.2WiFi傳輸函數(shù)

ESP8266模塊作為本系統(tǒng)的傳輸媒介，使用串口通信，初始化串口代碼后，需要撰寫WiFi模塊的接收代碼和發(fā)送代碼。上位機APP按鈕按下后，通過WiFi模塊給單片機傳輸一個字符指令，單片機程序中設定接收相應的字符后，將系統(tǒng)中標志位的布爾值賦值，系統(tǒng)在運行中不斷掃描標志位布爾值的狀態(tài)，執(zhí)行相應的指令。

3.3OLED顯示函數(shù)

初始化完成后，通過OLED顯示函數(shù)向OLED顯示屏不斷傳送信息，通過sprintf()函數(shù)把字符和模塊采集的數(shù)據(jù)格式化并送入oled＿buffer字符數(shù)組，通過判斷狀態(tài)標志位的布爾值，不斷更新字符數(shù)組內(nèi)存放的值，然后通過OLED＿ShowStr()函數(shù)向OLED傳送信息。OLED＿ShowStr()包含4個入口參數(shù)，分別為OLED的x坐標，y坐標，字符串和字符大小。

圖3控制主流程

3.4PWM輸出函數(shù)

本系統(tǒng)中的門和窗使用舵機和電機控制，舵機和電機均依靠單片機的脈沖寬度調制來控制轉速和轉動角度，電機和舵機分別使用系統(tǒng)的定時器3和定時器1。以電機控制為例，初始化結束后，系統(tǒng)WINDOW＿TIM3＿PWM＿INIT(799，0)定時器設定一個時鐘周期為800ms，在上位機執(zhí)行開窗或者關窗指令時，設定25%的脈沖寬度，延時1s后停止。電機的控制引腳分別懸掛在定時器3的通道3和通道4上，通過控制不同通道上的脈沖寬度可以控制電機的正轉和反轉，以實現(xiàn)開窗和關窗的目的。

3.5ESP8266固件燒錄

ESP8266接入機智云平臺需要將機智云開發(fā)的固件燒錄至WiFi模塊的SOC中，在機智云官網(wǎng)上有已經(jīng)集成的固件包，以及燒錄的SDK軟件。固件燒錄時，需要將ESP8266的串口和USB-TTL的串口下載工具對應連接，在下載固件時，需注意把ESP8266的GPIO0連接到地線上，使模塊進入寫入模式。燒錄完成后將GPIO0連接到VCC中，設置為工作模式[8]。

3.6接入機智云平臺

本系統(tǒng)需要使用云服務平臺對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，如果自主搭建云服務器的難度和成本太大，可以考慮接入機智云AIoT開發(fā)平臺。接入機智云流程如圖4所示。

圖4接入機智云流程

注冊開發(fā)者賬號后，用戶賬號可以通過用戶的相關產(chǎn)品相互關聯(lián)。創(chuàng)建產(chǎn)品，根據(jù)用戶產(chǎn)品的類型創(chuàng)建對應的產(chǎn)品分類以及產(chǎn)品名稱。機智云平臺每個賬號可以接入10個開發(fā)產(chǎn)品。創(chuàng)建產(chǎn)品之后，在產(chǎn)品中創(chuàng)建數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點即為系統(tǒng)的功能及參數(shù)。在云平臺創(chuàng)建數(shù)據(jù)節(jié)點，本系統(tǒng)中，移動終端和SOC模塊以控制和顯示為主，數(shù)據(jù)類型分為可寫和只讀兩種?？蓪戭愋停河脩艨刂萍彝サ脑O備數(shù)據(jù)類型，如，LED、門、窗、空調等；只讀類型：溫濕度模塊、煙霧傳感器、人體紅外傳感器通過SOC上傳的數(shù)據(jù)。創(chuàng)建節(jié)點后生成可移植的平臺，將其移植到SOC后，設備能與云端實時通信，進行數(shù)據(jù)交互[9]。

4實驗驗證

搭建系統(tǒng)后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行測試，對系統(tǒng)的功能進行必要性測試。系統(tǒng)上電自動復位時，各模塊正常運行，LED、電機、舵機、風扇均處于停止狀態(tài)，OLED顯示屏循環(huán)顯示模塊狀態(tài)，紅外檢測狀態(tài)為無人狀態(tài)，溫濕度檢測正常顯示，煙霧傳感器數(shù)據(jù)正常顯示。

5結語

本設計以STM32F103RCT6為核心，通過串口協(xié)議與本系統(tǒng)的主要通信模塊ESP8266相連，單片機可通過串口協(xié)議完成對模塊數(shù)據(jù)和ESP8266的WiFi模塊通信，ESP8266在燒錄機智云提供的固件后可連接到局域網(wǎng)，與機智云云平臺的服務進行實時數(shù)據(jù)交互[10]。

云平臺可以在線調試系統(tǒng)的外設虛擬狀態(tài)，在云平臺的在線虛擬設備狀態(tài)下，系統(tǒng)外設控制狀態(tài)為布爾值，可以通過布爾值控制設備的狀態(tài)標志位。系統(tǒng)在服務器的虛擬狀態(tài)位如圖5所示。

系統(tǒng)通過ESP8266與云平臺上傳系統(tǒng)狀態(tài)標志以及溫濕度和煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)向上位機上傳數(shù)據(jù)示意圖如圖6所示。

圖5云平臺控制界面

圖6系統(tǒng)向上位機上傳數(shù)據(jù)

當溫濕度和煙霧的值大于STM32F103RCT6單片機設定的閾值時，單片機發(fā)出警報，并通過串口將預警信號發(fā)送給上位機APP。人體光學傳感器HCSR-501采集人員闖入信息?？梢栽谕獬鰰r通過按鍵將單片機設定為安防模式，單片機通過不斷掃描人體光學傳感器HCSR-501的電平判斷是否有人闖入。