基于STM32H750的智能學(xué)生系統(tǒng)概述

李桂佳 賴程偉

摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生了巨大的改變。對傳統(tǒng)的住宿環(huán)境提出了更加有便利性、智能性以及經(jīng)濟(jì)性的要求。人們已經(jīng)不再唯一地滿足于物理空間，而更加追求的是居住環(huán)境的智能化。因此，智能宿舍得到了快速發(fā)展的機(jī)會。智能宿舍通過各種傳感器采集居住環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并送到控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，最終通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行上報，從而實(shí)現(xiàn)對居住環(huán)境的檢測和管理。于是，一個更加便捷、實(shí)時、舒適的智能宿舍環(huán)境得到了實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 智能化;物聯(lián)網(wǎng);傳感器

1硬件總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用的是以ARM CORTEX-M7為內(nèi)核的STM32H7芯片電路開發(fā)板及其他輔助功能模塊。電路板為以STM32H7芯片為核心的主電路板，其他模塊包含有火災(zāi)事故模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、燈光模塊、門禁模塊、窗簾模塊及溫濕度模塊等。主模塊由ARM CORTEX-M7為內(nèi)核的STM32H7芯片電路開發(fā)板組成?；馂?zāi)事故模塊由煙霧傳感器與GSM模塊組成，通過煙霧傳感器和GSM模塊相互配合實(shí)現(xiàn)事故檢測和通知;物聯(lián)網(wǎng)模塊由WIFI模塊組成，通過WIFI聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對宿舍設(shè)備的遠(yuǎn)程控制;燈光模塊由繼電器和LED燈組成，通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)燈光的控制;門禁模塊由RFID模塊組成，通過RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)宿舍門的開關(guān)控制;溫濕度模塊由DHT11傳感器組成，通過DHT11來實(shí)時采集宿舍的溫濕度情況[1-4]。

2軟件總體架構(gòu)

本次設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)主要由實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOS和圖形界面庫EMWIN組成。實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOS是一個專門針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輕量級內(nèi)核。支持搶占式、合作式以及時間片調(diào)度，并且包含了各種進(jìn)程通信，如信號量、消息隊(duì)列等等。完全滿足本次開發(fā)設(shè)計(jì)的要求。EMWIN是一款專門針對嵌入式平臺開發(fā)使用的圖形軟件庫。同時提供簡單易操作的圖像界面GUI Buider，可以大大提高開發(fā)的速度。本次智能宿舍系統(tǒng)中配備有觸摸顯示屏，其可視化界面完全由EMWIN實(shí)現(xiàn)，憑借對控件和API函數(shù)的合理搭配應(yīng)用，可高效率完成一個整潔明了的用戶交互圖形界面[5]。

3系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：

（1）可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)度。

（2）可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)設(shè)備查看室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)和做出控制。

（3）可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)事故時緊急報警。

（4）可以通過每個功能對應(yīng)的app界面來進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看或相應(yīng)功能的執(zhí)行。

（5）可以利用RFID卡實(shí)現(xiàn)智能門禁。

（6）可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（7）可以實(shí)現(xiàn)鬧鐘設(shè)置提醒功能。

4傳感器模塊介紹

4.1 DHT11傳感器介紹

該設(shè)計(jì)溫濕度的采集是通過使用DHT11來進(jìn)行。此傳感器的內(nèi)部大體是一個電阻式感濕元件與一個NTC測溫元件組成，然后再與內(nèi)部的8位單片機(jī)相連接。因此測量范圍以及測量精度基本可以滿足本次要求。該傳感器采用的是單總線的形式，所以有一定的時序要求，所以在后期移植的時候要注意這部分的操作。同時該傳感器采用的是4針封裝，小巧，便于安裝使用，具體進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時候只需分配一個資源IO口就可以了。具體有以下幾個特點(diǎn)[6]。

（1）可以進(jìn)行溫度和濕度的測量。

（2）可以直接以數(shù)字信號輸出。

（3）占用的IO資源少。

（4）不需要額外的部件。

（5）具有較好的信號傳輸距離。

（6）具有較低的能耗。

（7）有很好的長期穩(wěn)定性。

（8）4引腳安裝方便。

該模塊可以通過5V或者3.3V進(jìn)行供電。不過不同的供電電壓，效果不一樣，在5V供電的情況下，測量的速度相對比較快，就是每次內(nèi)部完成測量的時間比較快，這樣可以更加快速實(shí)時地更新室內(nèi)環(huán)境變化。對要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)應(yīng)采用5V供電的方式。因?yàn)樵搨鞲衅鞯膯慰偩€采用的是應(yīng)答式的方式，所以在編寫程序時必須按照數(shù)據(jù)手冊上面的時序來進(jìn)行。

4.2 MQ-2傳感器介紹

MQ2煙霧氣敏傳感器主要的功能是進(jìn)行各種易燃?xì)怏w的測量。本次設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用該模塊進(jìn)行室內(nèi)火災(zāi)的檢測。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，釋放大量的氣體將會觸發(fā)MQ2傳感器，所以通過檢測MQ2傳感器的濃度就可以判斷有無火災(zāi)的情況。該模塊采用的是4針封裝，可以直接輸出數(shù)字信號或者模擬信號，具體硬件設(shè)計(jì)的時候可以按照需求分配一個帶ADC或者普通的IO口。并且首次使用的時候要進(jìn)行預(yù)熱處理，一般大概需要48小時左右[7]。

4.3 SIM8000A模塊介紹

SIM8000A采用的是SIMCOM公司的模組方案。該模塊通過串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT指令與單片機(jī)進(jìn)行通訊。支持移動、聯(lián)通的2G網(wǎng)絡(luò)，同時能夠進(jìn)行短信的收發(fā)以及語音電話。本次設(shè)計(jì)使用該模塊進(jìn)行煙霧報警，在系統(tǒng)檢測到煙霧情況下，該模塊就實(shí)現(xiàn)電話通訊，通過電話通知住宿用戶，從而實(shí)現(xiàn)危急情況下的快速處理。

4.4 WIFI模塊介紹

本次設(shè)計(jì)使用樂鑫的esp8266 wifi模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該模塊內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議，也就是開始時要從官網(wǎng)下載然后燒寫進(jìn)去的固件。有了該協(xié)議后，只要通過串口就可以實(shí)現(xiàn)與該模塊的通訊了，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

4.5 繼電器模塊介紹

本次設(shè)計(jì)使用的是電磁繼電器模塊，該模塊有常開和常閉兩個狀態(tài)，通過單片機(jī)IO口高低電平就可以實(shí)現(xiàn)這兩種狀態(tài)的控制[8]。

5測試方法

首先是在裸機(jī)進(jìn)行傳感器模塊數(shù)據(jù)的讀取，各個傳感器模塊數(shù)據(jù)采集正常后就可以移植FreeRTOS系統(tǒng)。然后，將用于設(shè)計(jì)圖形用戶界面的EMWIN界面文件也移植進(jìn)工程中，并進(jìn)行相應(yīng)的圖形界面設(shè)計(jì)。最終，再移植WIFI模塊對接機(jī)智云平臺的Gizwits協(xié)議文件。都移植成功后，就可以進(jìn)行整體的整合與功能的優(yōu)化，直到各個功能正常實(shí)現(xiàn)[9]。

6結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)是基于智能控制和住宿安全為主要點(diǎn)，旨在創(chuàng)造一個既可以實(shí)現(xiàn)智能控制又可以對安全事故做出緊急處理的系統(tǒng)，從而保證在提高人們的生活質(zhì)量和生活效率的同時實(shí)現(xiàn)居住安全。但是本次系統(tǒng)也有一些欠缺的地方，比如沒有加入目前主流的語音控制技術(shù)，同時設(shè)計(jì)成本方面也沒有做到極致，后期還得在這些方面進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2017：93-678.

[2] FreeRTOS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南：基于stm32[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019：315.

[3] 肖林京，于鵬杰，于志豪，等.基于STM32和emWin圖形庫的液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2015，39（1）：12-14.

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[6] 羅永貴，藍(lán)劍鋒.基于機(jī)智云的智能WiFi插座[J].電子世界，2019 （6）：142-143.

[7] 陳海華，鄒紅艷，李玉榮.基于stm32的智慧空調(diào)系統(tǒng)[J].信息記錄材料，2018，19（11）：72-73.

[8] 楊銘剛，楊曉冬.基于機(jī)智云的智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智慧工廠，2018（9）：64-66.

[9] Shun-kai XIANG. Design of Wireless Control System for Smart Home Based on Android[C].The Advanced Science and Technology Application Research Center（ASTARC）.Proceedings of 2018 International Conference on Computer，Communication and Network Technology（CCNT 2018 Volume 2）.The Advanced Science and Technology Application Research Center（ASTARC）：Advanced Science and Technology Application Research Center，2018：5.

作者簡介

李桂佳（1996-），男，廣東省汕頭市人;學(xué)歷：本科，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，研究方向：嵌入式。