基于ESP8266的學生物聯管理系統(tǒng)

魏錦煒

(佳木斯大學,黑龍江 佳木斯 154007)

物聯網，是通過以實際具有一定功能的物體作為載體，基于互聯網或各種信息網絡進行二次開發(fā)的一個較新的行業(yè)。1998年麻省理工學院(MIT Massachusetts Institute of Technology)提出EPC(Engineering Procurement Construction)系統(tǒng)，直到2005年的世界信息峰會上，國際電信聯盟發(fā)布了《ITU(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector)互聯網報告2005：物聯網》，才標志著物聯網那個時代的降臨[1]。隨著近些年的發(fā)展，已經逐步形成了以WiFi為主要開發(fā)模式的開發(fā)者浪潮，無數青年創(chuàng)客將家中一切物品連接上了WiFi，隨時在辦公室電腦或手機都可以監(jiān)控自家狀態(tài)。本文則是從用戶角度出發(fā)，專門瞄向在校學生，將教學資源進行物聯，使學生不必再將時間浪費在各種不必要的路程或未知的查詢上。

1 實現物聯的原理

要實現物聯，首先必須使物體帶有發(fā)送或接收WiFi的功能。好在經過了十多年的發(fā)展，國內已經幾乎實現WiFi的全覆蓋，尤其是校園內，幾乎每個教學樓都可以連接上信號比較不錯的網絡。

環(huán)境適宜了之后，還需具備自身條件。從硬件開發(fā)角度考慮，最常見的WiFi所需的通信協(xié)議是建立于IEEE 802.11(ISO International Organization for Standardization 802.11)標準的無限極局域網技術，該技術又被集成在用于開發(fā)WiFi發(fā)射接收產品的微控制器中，這一類產品都需要申請WiFi聯盟的認證，因此我們只能選擇購買市場上的WiFi芯片來進行開發(fā)。

好在市場上主流的芯片廠家包括Realtek、MTK、Atheros、博通等以及國內的RDA、BK等公司開發(fā)發(fā)行了數百種通用或專用型號的WiFi芯片，根據接口類型不同分為USB(Universal Serial Bus)接口、SDIO(Secure Digital Input and Output)接口、PCIE(Peripheral Component Interconnect-Express)接口等等，許多廠家還根據需求將WiFi和藍牙集成在一起，以便雙向開發(fā)。

2 連接到無線網絡

2.1 WiFi模塊

由于WiFi是基于無線傳輸，在高頻遠距離的情況下極易受到干擾，因此往往需要使用單獨的天線，在電路周圍覆銅或加裝金屬殼。目前開發(fā)者使用WiFi芯片和一塊51單片機組成一個整體，在電路外焊接一個金屬殼體，再將這個整體的電路板作為一個WiFi模塊焊接到另一塊電路板上使用。

最常見的WiFi模塊型號是ESP8266WiFi模塊，該芯片是由中國上海的Espressif Systems開發(fā)發(fā)行。本文也是基于此模塊進行開發(fā)設計出的學生物聯網系統(tǒng)。

2.2 WiFi模塊通信

國內還有許多廠家將封裝好的WiFi模塊進行再開發(fā)，設計出了包括帶電源管理、帶STM32(STMicroelectronics32)控制器、基于串口通信、基于SPI(Serial Peripheral Interface)通信、基于并口通信、基于USB通信和基于nRF24L01射頻模塊在內的多種連接方式，以便用戶不必關心底層電路，直接進行上層應用的開發(fā)。

本文采用的是由正點原子發(fā)售的USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)串口模式WiFi模塊，該模塊具有體積小，接口少，價格低廉，方便實用等優(yōu)點。使用串口通信的優(yōu)勢在于串口協(xié)議簡單易行，可簡便的連接CH340芯片直接與電腦通信，功能相對穩(wěn)定，適合學生使用。

2.3 WiFi的連接

ESP8266模塊具有AP、Station(Access Point/ Station)和AP/Station三種工作模式，可作為WiFi發(fā)射基站和WiFi接收使用。

該模塊內置的單片機存有固件，該固件可自行開發(fā)刷入(本文開發(fā)未涉及固件開發(fā))。購買回來的模塊內部已經刷好了固件，使用AT(automatic transmission)指令進行控制?？刂屏鞒虉D如圖1所示。

圖1 AT指令開機流程圖

將模塊設置為AP/Station工作模式時，模塊除了接收WiFi信號的同時，還會建立一個自身發(fā)射的信號，該信號名稱固定，物聯網設備連接時直接尋找名稱便可自送搜索名稱連接。

3 服務實現原理

從開發(fā)者角度講，連接到無線網絡后，理論上便可以輕易控制任何器件，但是大多數學生并不是工學專業(yè)，工學專業(yè)的學生也大都還不具備完善的開發(fā)能力，因此還需要開發(fā)出簡易的操作方式和美觀的用戶界面。具體實施方式如下。

3.1 自動化控制核心

實現自動控制的核心是微處理器，由于大多數學生擁有電腦和手機，因此只作為輔助功能的實現聯網、顯示、驅動和存儲等功能并不占用太多資源。實現功能的框圖如圖2所示。

圖2 控制框圖

單片機采用ST公司出品的STM32F1系列，該芯片啟動最小系統(tǒng)，零售價格低于五元。將其他一些模塊通過串行總線的方式與單片機連接起來，除去封裝可集成在一張卡片上作為學生卡，該卡片可進行顯示和操作。

3.2 自動化控制元件

實現線上到線下的自動控制，需要驅動部件實現硬件設備的運動，這類運動的實現是通過電機完成的。電機包括直流電機、交流電機、無刷電機、步進電機和空心杯電機等等多種型號，根據需求選擇不同的型號，但是控制器都是采用相同的輸出方式進行驅動，該方式是基于PWM(Pulse Width Modulation脈沖寬度調制)進行控制。使用示波器采樣回的波形如圖3所示。

圖3 PWM波形三種占空比示例

使用PWM(Pulse Width Modulation)波進行PID(Packet Identifier)閉環(huán)控制，可以實現高精度高可靠性的控制電機運轉，保證電機驅動的設備在校園內安全運行。

4 板載運行測試

根據需求制作的兩塊測試板如圖4，圖5所示。

圖4 驅動電路

圖5 控制電路

其中，圖4是使用單片機進行控制的電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用STM32內置的TIM模塊的四個通道輸出PWM(Pulse Width Modulation)信號，通過L298N電機驅動芯片對信號進行放大后，可實現同時對四個電機進行數字無級變速控制，該系統(tǒng)板也帶有簡易的OLED(Organic Light-Emitting Diode)屏幕，用于顯示當前數據信息。圖5是用戶端，左下角帶有金屬殼的模塊為ESP8266WiFi模塊，該模塊帶有兩塊顯示屏，左上角的為彩色TFT(Thin Film Transistor)屏幕，用于顯示交互界面，中間為OLED(Organic Light-Emitting Diode)雙色單色屏，用于顯示調試信息，右邊帶有多種接口，可安裝攝像頭或掛載其他外設等。

在實際測試中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對命令響應速度快，在點擊不運行的情況下功耗較低，如更換厚度為2mm的鋰聚合物電池，該模塊可方便攜帶。