基于單片機(jī)的智能窗簾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白創(chuàng)　張興端　高千雅　李鍵　吳瑞瑞　李永昌

摘要：傳統(tǒng)窗簾由于需要人為手動(dòng)開合和無法根據(jù)光照變化自動(dòng)控制，因此設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103單片機(jī)的智能窗簾控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STM32F103作為微控制器， 利用TSL2561光強(qiáng)傳感器采集周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，通過ESP8266無線通信模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接。STM32F103從TSL2561中獲取一段時(shí)間內(nèi)的環(huán)境光照數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和控制窗簾的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光照控制。STM32F103按照機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)的通信協(xié)議封裝窗簾電機(jī)狀態(tài)、光照閥值和光照數(shù)據(jù)成數(shù)據(jù)幀并通過UART傳輸給ESP8266，然后由ESP8266將數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)，而機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給智能終端。智能終端的數(shù)據(jù)也按照相同的途徑從智能終端傳送到STM32F103并被STM32F103提取、識(shí)別和執(zhí)行相應(yīng)的操作，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗簾控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能窗簾；互聯(lián)網(wǎng)連接；光照控制；遠(yuǎn)程控制

Abstract：Since the traditional window curtain needs manual control andnot be automatically controlled according to light changes， a smart curtain control system based on STM32F103 microcontroller is designed. The system uses STM32F103 as the microcontroller， acquires the ambient light intensity using TSL2561 intensity sensorand realizes Internet connection through ESP8266 wireless communication module. STM32F103 collects ambient illumination during a period of time from TSL2561 ，processes related data and controls the motor work to achieve automatic illumination control. STM32F103 packages the state of the curtain motor， illumination threshold and illumination into data frames according to the communication protocol of the Ji Zhiyun service platform， transmits them through the UART to ESP8266， then ESP8266 will upload the data to the Ji Zhiyun service platformand the platform completes transmitting the data to the intelligent terminal.The data of intelligent terminals also transmit to STM32F103 from the intelligent terminal in the same way， and are extracted， identified and executed by STM32F103， so as to realize telecontrol curtain control system.

Key word：Intelligent curtain；Internet connection； illumination control； telecontrol

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能化家居系統(tǒng)越來越多的出現(xiàn)在人們的生活中，帶給人們快捷、舒適的體驗(yàn)。對(duì)于家居必需品來講，窗簾占有著重要的地位。由于手動(dòng)窗簾需要手動(dòng)開關(guān)，電動(dòng)窗簾無法根據(jù)光照實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制且需要特定遙控器，具有一定的局限性。

因此設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103微控制器的智能窗簾控制系統(tǒng)。人們可以通過使用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控窗簾開關(guān)，窗簾也會(huì)根據(jù)光的強(qiáng)度不同而張開、閉合[1]～[2][3][4]。它克服了傳統(tǒng)窗簾繁瑣的操作流程，也可以在人不在家的情況下避免關(guān)不了窗簾的煩惱，因此而更加人性化，更加便捷化，更加智能化。

1. 智能窗簾控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通過采用STM32F103微控制器、ESP8266 WIFI模塊、TSL2561光強(qiáng)傳感器、窗簾軌道電機(jī)和窗簾軌道組成，系統(tǒng)整體流程如圖1。

一方面，STM32F103作為主控制器，在一定的時(shí)間內(nèi)通過IIC協(xié)議控制TSL2561光強(qiáng)傳感器采集一系列的光照數(shù)據(jù)，取這系列光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值作為這段時(shí)間的平均光照強(qiáng)度[3]。微控制器將平均光照強(qiáng)度與預(yù)設(shè)閥值光照強(qiáng)度進(jìn)行比較決定窗簾電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)窗簾在光照變化下自動(dòng)開關(guān)；同時(shí)STM32F103通過UART串口通信將平均光照強(qiáng)度發(fā)給ESP8266無線通信模塊，ESP8266模塊將數(shù)據(jù)光照數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)，云平臺(tái)記錄數(shù)據(jù)并將光照數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的智能終端。設(shè)備狀態(tài)的更新數(shù)據(jù)也是根據(jù)相同的方式上傳到云平臺(tái)和智能終端。

另一方面在智能終端上，可以設(shè)定光照強(qiáng)度，窗簾電機(jī)的開啟，關(guān)閉和暫停等命令。智能終端的命令先是上傳給機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)并被平臺(tái)記錄，然后轉(zhuǎn)發(fā)給特定的WIFI模塊，WIFI模塊通過UART串口通信傳送給STM32F103微控制器。微控制器對(duì)命令進(jìn)行識(shí)別并執(zhí)行相應(yīng)的操作命令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗簾電機(jī)[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103微控制器

STM32F103Vxx增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì)，使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，1.25DMIPS/MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。系統(tǒng)選擇其作為微控制器，主要由于其功耗小；較快的運(yùn)行速度和較高的執(zhí)行效率，具有大容量的FLASH和SRAM，可以運(yùn)行復(fù)雜的通信協(xié)議程序。在具有豐富的外設(shè)功能和通信接口，利于擴(kuò)展，具有很高的性價(jià)比。

2.2 TSL2561光強(qiáng)傳感器

TSL256x是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)傳感器芯片。TSL256x的訪問遵循標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C協(xié)議。SCL為時(shí)鐘信號(hào)線，SDA為數(shù)據(jù)信號(hào)線，與STM32F103的PB7和PB6相連。STM32F103通過使用軟件模擬IIC協(xié)議獲取光強(qiáng)傳感器的中可見光的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度信息的采集，監(jiān)控。

2.3 ESP8266 WIFI模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

ESP8266無線通信模塊使用機(jī)智云GAgent固件，按照機(jī)智云規(guī)定的通信協(xié)議將命令和數(shù)據(jù)封裝幀，通過UART與單片機(jī)進(jìn)行信息的發(fā)送和命令的交互。其中ESP826的TXD、RXD分別與STM32F103的UART2的RXD與 TXD連接，實(shí)現(xiàn)全雙工異步串口通信，硬件連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體流程如下：系統(tǒng)在上電后，開始配置STM32F103系統(tǒng)時(shí)鐘、UART、Timer和GPIO等模塊，設(shè)置窗簾控制系統(tǒng)的用戶初始數(shù)據(jù)，完成STM32硬件模塊和軟件數(shù)據(jù)的初始化。在完成初始化操作后，微控制器STM32F103通過UART串口通信設(shè)置ESP8266無線通信模塊的配網(wǎng)模式為airlink，等待APP連接路由器并將設(shè)備添加、設(shè)備注冊(cè)到機(jī)智云從而完成設(shè)備添加。

ESP8266無線模塊在設(shè)置好airlink配網(wǎng)模式后，STM32F103通過模擬IIC協(xié)議從TSL2561光強(qiáng)傳感器獲取一段時(shí)間的光照數(shù)據(jù)，并取平均值作為這段時(shí)間的平均光照強(qiáng)度，然后判斷光照自動(dòng)控制是否開啟。如果光照自動(dòng)控制開啟，則將平均光照強(qiáng)度和預(yù)設(shè)光照強(qiáng)度閥值進(jìn)行比較進(jìn)而決定窗簾電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，接著進(jìn)入下一步；如果沒有開啟自動(dòng)控制，則直接進(jìn)入下一步。

接下來進(jìn)行系統(tǒng)命令的交互和數(shù)據(jù)上傳和下載。系統(tǒng)先查詢是否有收到一幀數(shù)據(jù)流，如果收到一幀數(shù)據(jù)流則對(duì)這一幀數(shù)據(jù)流進(jìn)行校驗(yàn)，否則進(jìn)入下一步。在校驗(yàn)無誤后，從一幀數(shù)據(jù)中提取、識(shí)別、執(zhí)行更改電機(jī)狀態(tài)的命令并更新電機(jī)相關(guān)參數(shù)和閥值光照數(shù)據(jù)，否則直接丟棄。最后對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)和環(huán)境光照強(qiáng)度與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳并更新歷史數(shù)據(jù)，否則直接進(jìn)入下一步。

接著程序跳轉(zhuǎn)到獲取光照強(qiáng)度繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)通過APP遠(yuǎn)程控制窗簾控制系統(tǒng)，則必須要驗(yàn)證TSL2561光強(qiáng)傳感器與STM32F103的IIC通信，STM32F103與ESP8266的UART通信以及基于前兩者之下的窗簾控制系統(tǒng)與手機(jī)APP的數(shù)據(jù)傳輸和命令交互。

首先，配置STM32的UART模塊，使一段時(shí)間的平均光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)能通過UART回顯到串口調(diào)試助手上。然后，將TSL2561光強(qiáng)傳感器置于較暗的環(huán)境，微控制器回顯的數(shù)據(jù)為2 lux；接著將其換到較亮的環(huán)境，微控制器回顯的數(shù)據(jù)為63 lux，如圖2所示。故TSL2561光強(qiáng)傳感器模塊與STM32F103微控制器間的IIC通信正常并且能通過IIC將光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103微控制器。

將光照數(shù)據(jù)按照機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)的通信協(xié)議封裝成幀，并通過UART發(fā)送給ESP8266，并由ESP8266轉(zhuǎn)交給機(jī)智云，機(jī)智云記錄通信信息。當(dāng)TSL2561光強(qiáng)傳感器置于較暗的環(huán)境中時(shí)，機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)為3～4 lux；當(dāng)將其置于較亮的環(huán)境，機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)74～75 lux，如圖3所示。所以STM32F103微控制器與ESP8266無線通信模塊間的UART通信正常。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制和演示方便，微控制器控制窗簾電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止使用LED燈進(jìn)行模擬。正轉(zhuǎn)代表窗簾打開，反轉(zhuǎn)代表窗簾關(guān)閉。電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈為最上面LED1，反轉(zhuǎn)指示燈為中間LED2，停止指示燈為最下面LED3。如果某個(gè)LED亮著，其余LED都熄滅，則代表電機(jī)此時(shí)正處于某種狀態(tài)。

首先，在APP開啟光照自動(dòng)控制，將預(yù)設(shè)的閥值光照設(shè)為325 lux并將其放在較暗的環(huán)境下。由于當(dāng)前的光照強(qiáng)度為55 lux，小于預(yù)設(shè)光照強(qiáng)度。所以此時(shí)窗簾應(yīng)該關(guān)閉，即窗簾電機(jī)應(yīng)該反轉(zhuǎn)。電機(jī)停止按鈕處于關(guān)閉狀態(tài)，反轉(zhuǎn)開關(guān)自動(dòng)開啟，同時(shí)代表反轉(zhuǎn)的LED2亮起，代表停止LED3和正轉(zhuǎn)LED1處于熄滅狀態(tài)。

接著，將其放在明亮的環(huán)境下且預(yù)設(shè)的閥值光照仍然設(shè)為325 lux。由于當(dāng)前的光照強(qiáng)度為455 lux，大于預(yù)設(shè)光照強(qiáng)度。所以此時(shí)窗簾應(yīng)該打開，即窗簾電機(jī)應(yīng)該正轉(zhuǎn)。電機(jī)停止按鈕處于關(guān)閉狀態(tài)，正轉(zhuǎn)開關(guān)自動(dòng)開啟，同時(shí)代表正轉(zhuǎn)的LED1亮起，代表停止LED3和反轉(zhuǎn)LED2處于熄滅狀態(tài)。

最后，在APP關(guān)閉光照自動(dòng)控制，手動(dòng)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)停止按鈕處于開啟狀態(tài)，反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)開關(guān)自動(dòng)開啟，同時(shí)代表停止的LED3亮起，代表正轉(zhuǎn)LED1和反轉(zhuǎn)LED2處于熄滅狀態(tài)。

由上述三個(gè)整體效果圖可知，基于TSL2561光強(qiáng)傳感器與STM32F103的IIC通信和STM32F103與ESP8266的UART通信的窗簾控制系統(tǒng)與手機(jī)APP的數(shù)據(jù)傳輸和命令交互正常。

5總結(jié)

手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗簾的開閉，告別傳統(tǒng)窗簾手動(dòng)開關(guān)的麻煩；能夠查看房間光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，設(shè)定光照閥值并且能夠進(jìn)行光照條件下的自動(dòng)控制，克服了電動(dòng)窗簾必須使用遙控器開關(guān)窗簾的弊端；智能終端成為智能窗簾控制系統(tǒng)的移動(dòng)控制終端，符合智能家居發(fā)展趨勢(shì)。該電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制靈活，成本低廉，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何康旭，張婧婧.基于單片機(jī)的智能窗簾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2012（36）：75-78.

[2] 孫勇， 楊文月， 趙余新.自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20 0 6.

作者簡(jiǎn)介：白創(chuàng)（1983-10）男，漢族，工學(xué)博士，博士，現(xiàn)為長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教師，研究方向：超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

通訊作者：李鍵（1996-02），男，漢族，遼寧省建平縣人，學(xué)士學(xué)位，長(zhǎng)沙理工大學(xué)2014級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生。