基于以太網(wǎng)維吾爾語家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱靜等

摘 要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)與智能家居技術(shù)的迅速發(fā)展和深入應(yīng)用，智能家居系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智慧化方向發(fā)展。提出基于以太網(wǎng)維吾爾語智能家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用STM32F103VET6芯片作為主控板核心器件，結(jié)合以太網(wǎng)控制芯片 W5200及語音控制芯片WTV080，以嵌入式μC/OS?Ⅱ?yàn)殚_發(fā)平臺(tái)，通過搭建Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)客戶端的遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)頁控制界面采用漢語與維吾爾語雙語，旨在開發(fā)適合新疆少數(shù)民族使用的維文家電控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 維吾爾語； 家電控制； 遠(yuǎn)程控制； 智能家居系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0141?03

Abstract： With the rapid development and further application of Internet of Things and intelligent household appliance technologies， the intelligent household appliance system is developing towards networking， informatization and intelligence. The design scheme of Ethernet?based Uyghur control system for intelligent household appliances is proposed. STM32F103VET6 chip is taken as the core device of the main control board in this system. The remote control to client?side was realized by constructing Web server， taking the embedded μC/OS?II as the development platform， and combining Ethernet control chip W5200 and voice control chip WTV080. Two languages of Chinese and Uyghur are adopted in the webpage control interface to develop Uyghur control system for household appliances suitable for minority nationalities in Xinjiang.

Keywords： Uyghur； household appliance control； remote control； intelligent housing system

0 引 言

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化已經(jīng)成為21世紀(jì)的重要特征，一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代已悄然到來。網(wǎng)絡(luò)帶來的方便與快捷使得人們對(duì)生活環(huán)境提出了更高的要求，這也使得“智能住宅”、“家庭自動(dòng)化”等技術(shù)越來越受人們的關(guān)注。通過網(wǎng)絡(luò)綜合管理家中的電器，可以創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)質(zhì)、高效、便利的居住生活環(huán)境[1]。盡管目前從事網(wǎng)絡(luò)家電控制方面研究的人員比較多，但基于商業(yè)利潤的考慮，很少有人從少數(shù)民族語言出發(fā)而從事該方面的研究。本文主要目的是利用嵌入式、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新成果，研制開發(fā)適合新疆少數(shù)民族使用的，具有良好用戶交互的維文智能家電控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了方便用戶和設(shè)備的交互，該系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)模式[2]。系統(tǒng)主要以控制板為核心，通過TCP/IP協(xié)議[3]，客戶端計(jì)算機(jī)建立Socket對(duì)控制板發(fā)出命令，控制板接收到發(fā)來的命令后，對(duì)命令進(jìn)行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，從而控制相應(yīng)的家電。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

控制板作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，搭載了基于STM32F103VET6芯片[4]的CPU電路，負(fù)責(zé)協(xié)同家電控制、網(wǎng)絡(luò)、電源、下載、語音等多種事務(wù)。在總體的結(jié)構(gòu)上，其基于芯片STM32F103VET6的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32F103VET6芯片構(gòu)建的控制板將包括若干模塊，如復(fù)位模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、供電模塊、語音模塊、數(shù)據(jù)模塊等，這些模塊都由應(yīng)用軟件驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)連接示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)硬件包括STM32F103VET6處理器，LM2596S?3.3和LM2940S?5.0供電芯片，MAX706復(fù)位控制，W5200網(wǎng)絡(luò)模塊，繼電器家電控制，WTV080?16P和AT73C213語音播放，LMV834MT運(yùn)放和TDA7266功放， JTAG，以及MAX3490ESA，MAX3232ESE和MAX3485ESA數(shù)據(jù)傳輸器件。

STM32F103VET6芯片處理器集成嵌入式FLASH和SRAM存儲(chǔ)器的ARM Cortex?M3內(nèi)核。與8/16位設(shè)備相比，ARM Cortex?M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103VET6微控制器帶有一個(gè)嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有ARM工具和軟件。LM2596S?3.3和LM2940S?5.0分別負(fù)責(zé)3.3 V和5.0 V的供電，MAX706芯片主要負(fù)責(zé)復(fù)位控制。

W5200網(wǎng)絡(luò)模塊主要任務(wù)是解析TCP/IP協(xié)議。繼電器家電控制主要通過I/O控制繼電器。WTV080?16P和AT73C213對(duì)語音進(jìn)行播放，LMV834MT對(duì)語音進(jìn)行放大，調(diào)節(jié)幅度，TDA7266對(duì)放大的語音進(jìn)行放大播放。JTAG負(fù)責(zé)與JTAG調(diào)試器進(jìn)行連接，完成程序的下載和燒寫[5]。MAX3490ESA，MAX3232ESE和MAX3485ESA分別實(shí)現(xiàn)RS 422，RS 232和RS 485通信的串口數(shù)據(jù)傳輸功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于STM32F103VET6芯片的家電控制系統(tǒng)的軟件主要包括控制板負(fù)載的應(yīng)用軟件和遠(yuǎn)程控制網(wǎng)站2部分：控制板負(fù)載的應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)客戶端發(fā)出的命令作出響應(yīng)，完成對(duì)家電的控制；遠(yuǎn)程控制網(wǎng)站主要負(fù)責(zé)將客戶端對(duì)家電的控制請(qǐng)求發(fā)送給對(duì)應(yīng)的控制板。

3.1 控制板應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

3.1.1 移植μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)

μC/OS?Ⅱ是一款免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[6]。移植該操作系統(tǒng)作為控制板的主控程序，其主程序流程圖如圖4所示。

3.1.2 移植芯片的封裝函數(shù)庫

移植芯片所封裝的函數(shù)庫，包括中斷配置函數(shù)、備份寄存器函數(shù)、DMA處理函數(shù)、外部中斷函數(shù)、I/O處理函數(shù)、SPI處理函數(shù)、定時(shí)器處理函數(shù)、串口處理函數(shù)和I2S處理函數(shù)。

3.1.3 移植業(yè)務(wù)的應(yīng)用程序

移植個(gè)別芯片的控制程序和業(yè)務(wù)的應(yīng)用程序，并添加新的功能及完善代碼。其主要項(xiàng)目包括串口配置、接口配置、定時(shí)器配置、DMA處理串口數(shù)據(jù)配置、I/O初始化配置和語音處理。

3.1.4 通信協(xié)議

一個(gè)完整的接入層協(xié)議包由起始標(biāo)志、接入層協(xié)議字段、數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)單元、結(jié)束標(biāo)志5部分組成，見表1。

起始、結(jié)束標(biāo)志表示一個(gè)完整協(xié)議包的起始或結(jié)束標(biāo)志，長度為1 B，固定為ASCII字符“～”（0x7E），結(jié)束標(biāo)志的內(nèi)容與起始標(biāo)志相同。

接入層協(xié)議字段格式如表2所示。

應(yīng)用數(shù)據(jù)包是應(yīng)用數(shù)據(jù)層協(xié)議的有效數(shù)據(jù)，格式如表3所示。

校驗(yàn)單元對(duì)協(xié)議中從“目的地址”到“數(shù)據(jù)包”的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)；根據(jù)通信包（從“協(xié)議類型”開始，計(jì)算到“數(shù)據(jù)單元”的最后一個(gè)字節(jié)）生成校驗(yàn)值。校驗(yàn)單元采用CRC校驗(yàn)[7]，生成多項(xiàng)式為CCITT推薦的16位的x16+x12+x5+1（0x11021）。發(fā)送方根據(jù)通信包生成2 B的CRC檢驗(yàn)（傳輸時(shí)低字節(jié)在前，高字節(jié)在后）；同樣，接收方收到完整的數(shù)據(jù)包后，根據(jù)通信包生成新的CRC檢驗(yàn)值。如果所計(jì)算出的CRC值和收到的校驗(yàn)值相同則表明該數(shù)據(jù)包有效，否則認(rèn)為該包在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生了差錯(cuò)。

3.2 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)站設(shè)計(jì)

3.2.1 網(wǎng)站架構(gòu)

遠(yuǎn)程控制網(wǎng)站架構(gòu)的最底層是操作系統(tǒng)；第2層是MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的儲(chǔ)存和操作；第3層是Glassfish Web服務(wù)層，通過網(wǎng)頁與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過HTTP協(xié)議與用戶瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；第4層是用戶層，面向最終用戶，通過用戶瀏覽器請(qǐng)求和Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)站架構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖5。

3.2.2 開發(fā)環(huán)境

Java EE（Java Platform，Enterprise Edition）是Oracle公司推出的企業(yè)級(jí)應(yīng)用程序版本，能夠開發(fā)和部署可移植、健壯、可伸縮且安全的服務(wù)器端 Java 應(yīng)用程序[7]。Java EE提供 Web 服務(wù)、組件模型、管理和通信 API，可以用來實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)的面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)和 Web 2.0 應(yīng)用程序。MySQL是一種關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點(diǎn)，一般中小型網(wǎng)站的開發(fā)都選擇MySQL作為網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫[8]。Glassfish服務(wù)器是符合Java EE 6平臺(tái)規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)，是一款強(qiáng)健的商業(yè)兼容應(yīng)用Web服務(wù)器，可免費(fèi)用于開發(fā)、部署和重新分發(fā)[9]。

4 結(jié) 語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)維吾爾語家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件和所需的軟件?；诰S吾爾語而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)家電控制系統(tǒng)，旨在使廣大的維族同胞能夠享受互聯(lián)網(wǎng)所帶來的方便與快捷，開拓智能家電在新疆的市場需求，同時(shí)對(duì)新疆地區(qū)的信息化、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也能起到一定的促進(jìn)作用[10]。本系統(tǒng)有較大的優(yōu)越性，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬棟萍，邵明剛.基于GPRS遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2014（6）：52?54.

[2] 劉媛，張偉，王知學(xué).基于B/S和C/S架構(gòu)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（10）：39?41.

[3] 余朋.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2014（14）：70?73.

[4] 逯玉蘭，燕振剛，李廣.μC/OS?Ⅲ內(nèi)核在STM32F103VET6芯片上的移植研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014（9）：132?136.

[5] 楊誠，張春.高速JTAG在線調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2014（2）：214?217.

[6] 李祁，范源遠(yuǎn)，韓秋楓.基于μC/OS?Ⅱ的LED控制在STM32上的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2014（4）：209?213.

[7] 王根義.CRC校驗(yàn)碼算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（9）：38?40.

[8] 趙彥.基于Java EE技術(shù)的Java課程群網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（2）：43?48.

[9] 易威環(huán).NetBeans IDE中整合struts2+hibernate[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011（15）：3593?3596.

[10] 程新方，吾守爾·斯拉木，張永才.基于網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒的維吾爾語輸入法研究與實(shí)現(xiàn)[J].中文信息學(xué)報(bào)，2009（5）：119?122.