吳新勝，何 鯤，李 震，張奎寶，方 樺

我國四十年改革開放取得天翻地覆的變化，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)備［1］、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、智能家用電器、智能終端設(shè)備、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)品得到大幅推廣和應(yīng)用，特別是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)改變?nèi)藗兊纳?，給人們帶來更多的方便和快捷.現(xiàn)在每個家庭都有為數(shù)眾多的電器產(chǎn)品，大到空調(diào)、智能電冰箱、自動洗衣機(jī)、云電視等.小到電飯煲、凈水器、空氣凈化器、清掃機(jī)器人、烤箱、微波爐、洗碗機(jī)等電器產(chǎn)品.使用和管理這些電器產(chǎn)品已變得越來越麻煩，特別是不同的廠家遙控器不同，給人們的使用帶來許多煩惱.針對這一現(xiàn)狀利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)開發(fā)出嵌入式物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)終端，解決目前不同功能分散控制帶來的問題，將所有遙控器整合為一個整體，統(tǒng)一管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)一個控制設(shè)備掌控家庭所有電氣設(shè)備，更加高效簡捷地使用它們.

該終端采用意法半導(dǎo)體ST Microelectronics生產(chǎn)的ARM Cortex-M3架構(gòu)STM32系列MCU作為內(nèi)核總控［2］（具有性價(jià)比好、高性能、成本低的特點(diǎn)，超低功耗，待機(jī)休眠狀態(tài)耗電僅微安級等優(yōu)點(diǎn)），開發(fā)出嵌入式物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)方案，通過433MHz無線模塊和WIFI模塊將家居家電組成一個無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，使得各家電統(tǒng)一到一個集中控制和管理的平臺上來，減免品類繁多的控制.設(shè)計(jì)控制終端系統(tǒng)通過無線模塊WIFI或者433MHz無線模塊與各類家庭電氣設(shè)備進(jìn)行信息交換，控制終端既能收集各類電器的工作狀態(tài)和環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，又能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行靈活控制.按鈕界面系統(tǒng)逼真、簡潔明了、方便操作、穩(wěn)定可靠，實(shí)時對需要管理的設(shè)備進(jìn)行指揮控制以及監(jiān)視鑒別.這也使家居生活變得簡單、方便、快速、準(zhǔn)確、實(shí)用和有趣.

1 家居智能控制設(shè)備的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

基于ARM Cortex-M3架構(gòu)MCU核的STM32控制終端是整個物聯(lián)網(wǎng)家庭控制系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)傳輸站和信息通信的神經(jīng)中樞［3］，是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過無線網(wǎng)關(guān)利用STM32作為控制核心，通過WIFI模塊和433MHz無線模塊與感知層和控制層互連和共享數(shù)據(jù).系統(tǒng)由中央控制芯片STM32 F103、電源模塊組和JTAG（Joint Test Action Group）相關(guān)仿真及接口調(diào)試部分組成.為了確保整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性能、及時穩(wěn)定、可靠安全運(yùn)行，采用兩種系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通訊方式，即WIFI模塊通信和433MHz無線模塊通信［4］，發(fā)生問題時確保系統(tǒng)雙體系切換保證工作，如圖1所示.同時設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信協(xié)議和控制命令代碼.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及芯片介紹

物聯(lián)網(wǎng)家庭控制終端硬件構(gòu)成部分包括主控芯片STM32F103、WIFI模塊、基于433MHz通訊模塊及其他相關(guān)模塊，如圖2所示.

2.1 主控芯片

核心MCU芯片采用Cortex-M3內(nèi)核ECOPACK封裝的ST公司生產(chǎn)的32位ARM芯片.主頻72MHz的頻率，1.25DMips/MHZ的訪問速度，具有停機(jī)、待機(jī)及休眠的低功耗模式，自帶溫度感應(yīng)器，支持各類外設(shè)接口，包括定時器接口、模擬轉(zhuǎn)化數(shù)字模塊接口（Analog to Digital Converter）、通用串行總線（Universal Serial Bus）、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit）以及通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmit?ter）［5］等 .

2.2 WIFI模塊

WIFI模塊選用上海漢楓生產(chǎn)的HF-LPB100.具有省電節(jié)能超低功耗、適宜電池供電、體積極小的優(yōu)勢，互聯(lián)網(wǎng)“線上”和面對面“線下”［6］.支持UART/SPI/PWM/GPIO/STA/AP/AP+STA/Smart Link/WPS/TCP和外置或內(nèi)置天線的特點(diǎn).HFLPB100是一體化802.11b/g/n WIFI的高性能、高可靠、價(jià)廉物美的解決方案，傳統(tǒng)的低端串行設(shè)備或MCU控制設(shè)備可以輕松訪問WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)、控制和管理.

2.3 433MHz無線模塊

433MHz無線模塊主要由STM8 S103 F3單片機(jī)和CC1101構(gòu)成，該模塊具有功耗和成本低、體積小結(jié)構(gòu)簡單、跨越障礙能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［7］.如圖3所示，STM32通過寄存器將自己的SPI外設(shè)配置為主模式，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)議通過SPI將數(shù)據(jù)編碼信息發(fā)送到433MHz無線模塊.STM8 S103 F3微控制器的SPI配置為使用模式控制的433MHz無線模塊工作，并接收STM32傳輸?shù)木幋a數(shù)據(jù).處理后，所連接的家用電器控制器上的433MHz無線模塊接收相關(guān)的控制數(shù)據(jù)編碼信息，然后控制家用電器通過家用電器控制器執(zhí)行相應(yīng)的操作.

圖3 無線模塊的硬件框圖

3 終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線通信協(xié)議

系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的無線通信專用協(xié)議，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，提高整個系統(tǒng)抗干擾能力.用于家用電器的無線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在圖4中示出.家電數(shù)據(jù)編碼信息及控制指令信息通過無線模塊以數(shù)據(jù)包發(fā)射接收形式進(jìn)行傳輸，信息交互的第一個字節(jié)由主模塊發(fā)出，指定0 x0 f0 x0 f代表主設(shè)備的信息發(fā)送到從設(shè)備接收的數(shù)據(jù)傳輸模式，0 xf00 xf0表示從設(shè)備的信息傳輸?shù)街髟O(shè)備接收的數(shù)據(jù)傳輸模式.確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚪y(tǒng)一.若是數(shù)據(jù)為主設(shè)備到子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，則字段的長度、控制、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)由主設(shè)備發(fā)出，確認(rèn)字段由子設(shè)備發(fā)出.若是數(shù)據(jù)為子設(shè)備到主設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，則長字段的長度、控制、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)由子設(shè)備發(fā)出，確認(rèn)字段由主設(shè)備發(fā)出.其中控制字段中包含有組網(wǎng)幀、入網(wǎng)幀、數(shù)據(jù)幀、控制幀、主地址幀、模塊忙等幀，用于規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)的組網(wǎng)與控制［8］.

圖4 傳輸協(xié)議相關(guān)定義數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2 終端軟件設(shè)計(jì)的工作流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)用戶通過物聯(lián)網(wǎng)家庭控制終端上的家電控制接口的按鈕，實(shí)現(xiàn)對家電的遙控和狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控.物聯(lián)網(wǎng)家庭控制終端采用WIFI協(xié)議和無線RF通信協(xié)議，通過無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)家庭電子設(shè)備的集成管理.

當(dāng)控制終端沒有接收到移動終端的控制命令時，系統(tǒng)將通過SPI與433MHz無線模塊傳送相關(guān)信息，系統(tǒng)每隔10ms發(fā)出查詢設(shè)備工作狀態(tài)的命令信息，通過WIFI把有關(guān)設(shè)置工作狀態(tài)的命令發(fā)送到家電設(shè)備上，家電設(shè)備按照指令要求及時執(zhí)行并將具體情況顯示在設(shè)備的顯示系統(tǒng)上.當(dāng)系統(tǒng)接收到移動終端發(fā)出的反饋數(shù)據(jù)情況信息時，控制終端開始通過WIFI接收家電設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，來及時改變系統(tǒng)中對應(yīng)家電的運(yùn)行工作狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)與前端設(shè)備有數(shù)據(jù)信息傳輸時，也就是它們之間互相發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時，LED工作指示燈按照事先設(shè)置的頻率閃爍提示.具體的軟件工作流程如圖5所示.

圖5 軟件總體流程圖

3.3 物聯(lián)網(wǎng)家居433MHz無線模塊軟件工作流程

433MHz無線模塊分為主模塊和從模塊.主設(shè)備上電時系統(tǒng)通過發(fā)送主地址的幀信息到主無線模塊上，如果收到從設(shè)備發(fā)出的確認(rèn)幀則繼續(xù)查詢主無線模塊；如果接收到忙信息或者不同格式幀信息，系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)送幀信息，如圖6所示.

查詢無線模塊狀態(tài)，若為數(shù)據(jù)幀則代表下端家電狀態(tài)信息變化，主設(shè)備記錄家電信息并更新顯示；若為入網(wǎng)幀則主設(shè)備記錄其家電設(shè)備ID碼，其中每個家電設(shè)備擁有唯一的ID碼，此時表明該設(shè)備已入網(wǎng)，可以對其進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制；若為子地址幀則表示有新的家電申請入網(wǎng)，這時主設(shè)備則為其分配設(shè)備地址；若主設(shè)備有家電控制指令則發(fā)送數(shù)據(jù)幀到從無線模塊，若無則循環(huán)查詢無線模塊［9］.

圖6 無線模塊程序流程圖

4 控制終端樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

控制終端樣機(jī)系統(tǒng)的樣機(jī)如圖7所示，控制界面設(shè)計(jì)為家庭體驗(yàn)館，分設(shè)控制家庭內(nèi)客廳、廚房、臥室功能界面，分別控制窗簾、燈槽、客廳大射燈、燈箱、客廳小射燈、風(fēng)扇、電暖器、加濕器、空調(diào)、舞臺燈（以上設(shè)備都已安裝433MHz無線模塊）.通過APP實(shí)時準(zhǔn)確控制它們的開關(guān)和調(diào)節(jié)，如圖8所示.

圖7 控制終端樣機(jī)電路板和手機(jī)APP控制界面

圖8 廣東瑞德智能科技股份有限公司物聯(lián)網(wǎng)智能控制終端展示廳

5 結(jié)語

采用32位低功耗STM芯片MCU的嵌入式智能控制終端，通過433MHz無線模塊和WIFI模塊與移動終端及電氣設(shè)備傳遞信息，實(shí)現(xiàn)對家電設(shè)備的控制和各種工作執(zhí)行情況的信息反饋.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的集中控制和管理，家電設(shè)備工作狀態(tài)和工作效果實(shí)時監(jiān)控，并對他們實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制.使人們的生活更便捷.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有工作可靠、各方面指標(biāo)性能穩(wěn)定、不受其他設(shè)備的干擾等特點(diǎn)，適合家庭和辦公室的應(yīng)用.