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?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化、語(yǔ)音智能助手等功能。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于主控芯片對(duì)外設(shè)的控制和對(duì)外部環(huán)境的識(shí)別，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)中模擬家電的控制，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠、協(xié)調(diào)的NBIOT智能云家居系統(tǒng)。

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)于生活質(zhì)量的追求越來(lái)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。智能云家居系統(tǒng)是通過(guò)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(jī)或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備借助互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家居電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)、實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)主要功能

本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以云服務(wù)器作為中介，通過(guò)移動(dòng)端遠(yuǎn)程對(duì)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(shí)分析傳感器信息、用戶的控制命令及BC26模塊通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（模擬窗簾的開合）、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（模擬排氣扇的轉(zhuǎn)動(dòng)、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(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、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(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)手機(jī)APP端或者網(wǎng)頁(yè)端對(duì)開發(fā)板外設(shè)的控制；控制步進(jìn)電機(jī)的方向、速度（模擬窗簾的開合）；控制直流電機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遙控控制（紅外遙控）。

1.2 主控芯片選用

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先考慮CPU的選型的問(wèn)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(jī)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(shí)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(gè)DMA控制器一共128個(gè)通道；3個(gè)串行外設(shè)接口，可有效進(jìn)行外設(shè)通信；還有多達(dá)81個(gè)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(dá)23個(gè)可以編程的優(yōu)先級(jí)，而且還可以進(jìn)行異常延遲、處理中斷等。除此以外，它還有1個(gè)逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)電壓輸出DA轉(zhuǎn)換器等。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片

本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要有兩類，一類是顯示模塊中的漢字字庫(kù)的數(shù)據(jù)，另一類是各種模塊的初始化程序以及通信過(guò)程中的控制指令等。

漢字庫(kù)存儲(chǔ)在FLASH中，本系統(tǒng)的外擴(kuò)FLASH采用W25Q64芯片。字庫(kù)可以用軟件直接獲得，然后通過(guò)SPI通信寫入外擴(kuò)FLASH中，即可以實(shí)現(xiàn)寫入字庫(kù)。各種模塊的初始化程序以及過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)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(chǔ)容量基本上用不完，可以將一些其他的重要信息存儲(chǔ)在其中防止數(shù)去丟失，甚至可以記錄程序運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)，以用來(lái)監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)。

1.4 顯示方案

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)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(lái)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(jià)格適中，市場(chǎng)上也隨處可見(jiàn)。所以TFT型是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，本設(shè)計(jì)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(gè)部分，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且還帶有數(shù)字信號(hào)校準(zhǔn)技術(shù)，穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，綜合比較性價(jià)比較高。DHT11只有4個(gè)引腳，電源連接簡(jiǎn)單、體積輕巧、方便使用，而且它的功耗適合長(zhǎng)時(shí)間工作。

SHT20在DHT11的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，又對(duì)穩(wěn)定性方面做了改進(jìn)，SHT20還設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的控制計(jì)算芯片。結(jié)合性價(jià)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(shí)序法操作芯片，不需要專門的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(lái)說(shuō)USB輸出口的輸出電壓是5.0 V，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、全彩RGB燈珠，但是主控芯片STM32R401RET6單片機(jī)的正常工作電壓為3.3 V，其他外設(shè)如直流電機(jī)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(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.7 電機(jī)及彩燈模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的Y15-52B（DIY電機(jī)）型步進(jìn)電機(jī)是兩相四線型電機(jī)，支持5.0 V工作電壓，同時(shí)采用LB1936V作為驅(qū)動(dòng)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(jī)來(lái)模擬，其工作電壓3.0 V左右，驅(qū)動(dòng)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(qiáng)，且成本低。此芯片有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，它的反向沖擊電流較大，這使得它在驅(qū)動(dòng)各類電機(jī)時(shí)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(duì)較大，因此需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片才能夠正常工作。當(dāng)前系統(tǒng)使用的驅(qū)動(dòng)芯片是P9813，P9813是彩色點(diǎn)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(duì)于燈光的變化、字符的變化、彩色動(dòng)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(gè)部分：CPU、LCD顯示控制器和LCD屏。CPU將要顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(dòng)芯片。ST7789VW是一個(gè)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(chǔ)在隨機(jī)存儲(chǔ)器中，可以直接進(jìn)行讀取RAM顯示操作，不需要專門的時(shí)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(yùn)營(yíng)商之間建立通信，可以和他們進(jìn)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(méi)有使用時(shí)，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(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分包括步進(jìn)電機(jī)模塊、直流電機(jī)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(jì)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(shí)器、串口、按鍵、LED、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)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(tái)上已經(jīng)被注冊(cè)的控制設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)并上報(bào)服務(wù)器。定期獲取服務(wù)器請(qǐng)求和上報(bào)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(shí)，就及時(shí)做出底層設(shè)備控制。

本系統(tǒng)利用HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并判斷用戶是否第一次開機(jī)來(lái)決定設(shè)備的控制狀態(tài)并上報(bào)到服務(wù)器。做好準(zhǔn)備工作后，定期請(qǐng)求服務(wù)器控制信息，然后分析控制信息實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，并把設(shè)備新狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)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(dòng)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(jì)）、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(shí)現(xiàn)與服務(wù)器進(jìn)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?jìng)鞴δ?，并開啟數(shù)據(jù)發(fā)送。建立好連接后，按照HTTP請(qǐng)求格式向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，等待響應(yīng)。

系統(tǒng)調(diào)試和功能測(cè)試分兩個(gè)部分，上位機(jī)部分包括：對(duì)BC26模塊、APP軟件、獲取設(shè)備ID等測(cè)試。下位機(jī)部分包括：對(duì)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、RGB彩燈、STH20溫濕度傳感器、LCD顯示的測(cè)試。

結(jié)語(yǔ)：本智能云家居系統(tǒng)基于STM32F401RET6單片機(jī)，采用BC26模塊實(shí)現(xiàn)通信，比其他的藍(lán)牙通信、WIFI通信更加方便使用。STM32F401RET6單片機(jī)內(nèi)置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘給設(shè)計(jì)電路時(shí)減少元器件的使用。對(duì)于溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，還可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片AT24C02中，方便調(diào)出數(shù)據(jù)，對(duì)溫濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)使用。經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度，同時(shí)可以控制直流電機(jī)（模擬排氣扇）、步進(jìn)電機(jī)（模擬窗簾）、RGB彩燈（模擬家庭燈光），操作方便，易于使用。