嵌入式智慧小屋開放式創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計

陸玲霞 鄭榮濠 樓東武 于淼

摘? 要：為使學(xué)生更好地理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)在實際生活中的應(yīng)用，搭建了根據(jù)實物尺縮模擬的小屋模型，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的嵌入式智慧小屋開放式創(chuàng)新實驗平臺。系統(tǒng)以STM32嵌入式主控板為核心，結(jié)合多個傳感器，控制模型中的模擬家居設(shè)備，并通過BC28模塊連接至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)雙向通信，同時設(shè)計了Web端應(yīng)用界面，最終完成了一整套智慧小屋系統(tǒng)，其環(huán)境和家居設(shè)備信息可供用戶在移動端或者PC端實時遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：智慧小屋；嵌入式系統(tǒng)；開放式創(chuàng)新實驗平臺

中圖分類號：TP212? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0161-04

Abstract： In order to help students better understand and acquire the application of the Internet of Things （IoT） in real life， this paper builds a house model according to the scale simulation of the real object and designs an open innovation experimental platform of embedded smart house based on the IoT cloud platform. With STM32 embedded main control board as the core， the system combines multiple sensors to control simulated household equipment in the model， connects to the IoT cloud platform through BC28 module， and constructs data channel to realize two-way communication. The Web terminal application interface is also designed at the same time， then a whole set of smart house system is finally completed. The environment and information of household devices can be remotely monitored by users in real time on mobile terminal or PC terminal.

Keywords： smart house; embedded system; open innovation experimental platform

0? 引? 言

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展日新月異，數(shù)以萬億計的新設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)并產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，人工智能、邊緣計算等新技術(shù)加速結(jié)合，應(yīng)用于智能家居、智慧城市等多個領(lǐng)域，呈跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢[1-3]。在萬物相連的時代背景下，嵌入式系統(tǒng)需實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的安全傳輸和資源共享，再結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動和人工智能算法[4，5]，助力解決復(fù)雜工程問題。基于此，對嵌入式系統(tǒng)的智能性、可靠性、互聯(lián)性和高算力等需求日益提升。但目前常規(guī)嵌入式實驗設(shè)備往往存在缺少被控對象和場景應(yīng)用、技術(shù)更新快教學(xué)設(shè)備不斷升級導(dǎo)致成本高和軟硬件不開源不利于學(xué)生理解內(nèi)部工作機理等問題，實驗教學(xué)過程中也存在重軟件輕硬件導(dǎo)致軟硬件均精通的系統(tǒng)級開發(fā)人才緊缺、產(chǎn)學(xué)研用未結(jié)合和系列課程間存在壁壘導(dǎo)致學(xué)生無法融會貫通等問題[6]。

為使學(xué)生能在校園里接觸到先進的嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，研制一款能激發(fā)學(xué)生興趣、支持交叉融合、適用于探究學(xué)習(xí)和多個場景應(yīng)用的嵌入式實驗平臺具有重要意義。因此，以實際生活中的智能家居為載體，基于嵌入式系統(tǒng)，研制出一款適用于《帶你玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)》《嵌入式系統(tǒng)》《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實踐》等課程內(nèi)容的智慧小屋開放式創(chuàng)新實驗平臺。該平臺接口資源豐富，除開展大量的基于嵌入式主控板的探究性實驗外，結(jié)合云、邊、端等概念，支持狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)安全等，適用于多個實際應(yīng)用場景。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本案例旨在搭建一個智慧小屋系統(tǒng)[7]，實現(xiàn)空調(diào)溫度智能控制、光照-窗簾聯(lián)動夜間模式、入侵報警、煙霧檢測報

警、植物自動澆灌等功能，系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。該系統(tǒng)分智慧小屋終端系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)云平臺兩大部分。其中終端部分主要由自制的STM32實驗開發(fā)板、傳感器、電氣模擬設(shè)備、根據(jù)實物進行尺縮模擬的小屋硬件模型和內(nèi)飾、NB-IoT[8-10]等通信模塊五個部分組成，如圖2所示。傳感器部分包含光敏傳感器、可燃氣檢測傳感器、土壤濕度傳感器、人體紅外線傳感器和溫濕度傳感器5個傳感器。傳感器直接與主控板STM32相連，完成各項數(shù)據(jù)的采集之后，將數(shù)據(jù)送往主控板進行數(shù)據(jù)分析與保存。電氣模擬設(shè)備部分選用了步進電機控制窗簾開關(guān)、空調(diào)、排氣扇、水泵、兩個LED燈照明、蜂鳴器7個模擬設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)云平臺部分通常以阿里云為例做介紹。也鼓勵學(xué)生探究機智云、華為云等其他平臺應(yīng)用。

多種傳感器和模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)在STM32主控板上進行預(yù)處理，并通過STM32主控板控制本地模擬設(shè)備；也可向NB-IoT模塊發(fā)送AT指令使其連接至阿里云進行數(shù)據(jù)和指令的上傳下達，并實現(xiàn)Web界面實時監(jiān)控室內(nèi)情況、釘釘自動推送報警消息等功能。其中NB-IoT模塊也可用LoRa通信模塊來替換，系統(tǒng)設(shè)計靈活。

2? 智慧小屋終端設(shè)計

智慧小屋模型實物圖如圖3所示。尺寸大小為420 mm×

390 mm×270 mm，共分為三個房間，左為臥室，內(nèi)含相關(guān)小家具模型、步進電機、光敏傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器、LED燈；右為客廳，內(nèi)含相關(guān)小家具模型、排氣扇、空調(diào)、可燃氣檢測傳感器、LED燈；后為設(shè)備間，內(nèi)含主控板、相關(guān)連線、插線板、12 V電源、繼電器模塊、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，其中蜂鳴器在主控板上；土壤濕度傳感器、水泵以及小型盆栽置于小屋模型外部；模型框架的相關(guān)材料為絕緣板、亞克力玻璃板、噴漆、包角等其他五金材料。其具體功能實現(xiàn)如圖3所示。

2.1? 智慧小屋主控板設(shè)計

智慧小屋主控為自制的STM32實驗板，如圖4所示。其包含STM32最小系統(tǒng)、電機與繼電器等被控對象、攝像頭、各類通信模塊和接口等，板上資源豐富、底層開源、可擴展性強?？蓪⒅悄芗揖?、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、安卓APP開發(fā)、視頻監(jiān)控、人機交互、音頻控制等應(yīng)用于此，開展多種開放式創(chuàng)新實驗。學(xué)生借此作為下位機的核心主控板，完成整個智慧小屋的聯(lián)動設(shè)計。主控板可通過四個通用GPIO口來模擬PWM波，通過控制脈沖個數(shù)來精確控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度。通過控制PWM波頻率來設(shè)定恒定或變加速度的步進電機轉(zhuǎn)動速度，從而達到模擬控制拉動窗簾的效果。蜂鳴器接一路GPIO口，當可燃氣體濃度超標時發(fā)出警報聲。LED燈模擬照明，也分別由通用GPIO口控制。排氣扇和水泵都是依靠小型直流電機來達到模擬排氣和抽水的效果，而微型空調(diào)則主要依靠半導(dǎo)體制冷片制冷，這三個模擬設(shè)備都是12 V電壓驅(qū)動，全部由12 V電源供電，主控板通過繼電器進行控制，防止電壓過大燒壞主控板。

2.2? 空調(diào)溫度智能控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用的是型號為GY-BM E/P 280的溫度傳感器，該模塊是對BMP280芯片的一種應(yīng)用封裝，是一種專為移動應(yīng)用設(shè)計的絕對氣壓傳感器。模塊的溫度測量范圍為0～65 ℃，分辨率0.1 ℃，誤差±0.5 ℃，使用I2C或者SPI通信模式進行通信，本系統(tǒng)選用I2C通信模式進行數(shù)據(jù)采集。溫度采集模塊和STM32單片機直接相連，在I2C模式下，引腳SCL傳輸時鐘信號，引腳SDA傳輸數(shù)據(jù)信號?？紤]到房間模型的大小，空調(diào)器件選擇半導(dǎo)體制冷器，其中制冷片選擇TEC1-12706。工作時將制冷片和散熱風(fēng)扇接至12 V開關(guān)電源即可進入工作狀態(tài)，正常工作時的功率約為50 W。因此，采用繼電器控制半導(dǎo)體制冷器的開關(guān)，控制信號由控制主板通過IO口下達。

2.3? 光照-窗簾聯(lián)動夜間模式

本系統(tǒng)采用光敏電阻傳感器，其工作原理基于光電效應(yīng)，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低。為了更好地對光照做出區(qū)分，本系統(tǒng)采用模擬信號即AO口。該模塊直接和主控板相連，將采集到的信息傳遞給主控板。在窗簾控制部分中由于窗簾的長度是固定的，需要保證窗簾的每次開合都能轉(zhuǎn)動固定的角度，所以采用步進電機作為控制電機，用于精確地完成窗簾的升降。本系統(tǒng)選用四線五相電機。窗簾的開關(guān)由電機軸進行卷動決定窗簾開關(guān)，這樣設(shè)計方便電機對窗簾進行控制。使用5 V開關(guān)電源為步進電機供電，使用STM32的4個IO口直接控制電機的運動方式。

2.4? 可燃氣檢測報警系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用MQ-2煙霧氣敏傳感器，該模塊適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。本系統(tǒng)需要在可燃氣體濃度超過閾值后發(fā)出警報，因此采用DO口讀出模塊輸出的數(shù)字信號。當空氣中的可燃氣體濃度超標時，輸出高電平信號。該模塊和控制主板直接相連，將采集到的信息直接傳輸給控制主板進行數(shù)據(jù)處理。

2.5? 植物自動澆灌系統(tǒng)

本系統(tǒng)將土壤濕度傳感器插入土壤檢測室內(nèi)土壤濕度，輸出的模擬電壓隨著土壤濕度升高而增大。澆水部分采用水泵進行植物澆灌。水泵由5 V開關(guān)電源直接供電即可進入工作形態(tài)。水泵的開關(guān)由繼電器進行控制，其中控制信號由控制主板的IO發(fā)出，供電方式為5 V開關(guān)電源直接供電。

3? STM32主控板程序設(shè)計

STM32主控板程序應(yīng)用FreeRTOS操作系統(tǒng)，以多任務(wù)函數(shù)編寫為框架，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的聯(lián)動過程。其主程序流程圖如圖5所示。在程序編寫過程當中，高優(yōu)先級的任務(wù)循環(huán)體中必須添加延時函數(shù)，否則高優(yōu)先級任務(wù)無限循環(huán)，不會執(zhí)行低優(yōu)先級任務(wù)；另外由于窗簾開關(guān)的特殊性，在每一次進行窗簾開關(guān)操作后，窗簾的開關(guān)量會存儲進ROM中，在每一次主控板上電初始化時，會去讀取ROM中窗簾開關(guān)量，并賦值給窗簾參數(shù)，達成掉電記憶窗簾開關(guān)效果。硬件驅(qū)動程序都另放在專屬的.c文件中，當主程序或者其他程序需要時直接調(diào)用其中的函數(shù)即可，極大簡化了主程序的編寫，并增加了其可讀性和可調(diào)試性。

為了達到智能控制的功能，設(shè)計有安全模式及自動舒適模式，全部以任務(wù)函數(shù)體現(xiàn)。其中安全模式中包含三個智能控制功能：當可燃氣檢測報警器讀數(shù)超過設(shè)定好的閾值時，排氣扇、蜂鳴器會自動運轉(zhuǎn)，并且主控板會自動向云端上傳信息；當土壤濕度讀數(shù)低于設(shè)定好的閾值時，水泵會自動開始抽水，對小盆栽進行灌溉；當紅外傳感器檢測到有人時，會自動開啟蜂鳴器報警，并向云端上傳信息。自動舒適模式包含兩個智能控制功能，當光敏傳感器讀數(shù)低于設(shè)定好的閾值時，臥室的LED燈會自動點亮，并且窗簾會自動關(guān)閉；當室內(nèi)溫度高于設(shè)定好的高閾值時，空調(diào)自動開始制冷，當?shù)陀谠O(shè)定好的低閾值時，空調(diào)自動關(guān)閉。兩種智能模式都只能由云端的指令來控制開啟或者關(guān)閉。此外，如果在開啟智能模式時，人為控制其包括的模擬設(shè)備，則該智能模式自動關(guān)閉。

4? 物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計與實現(xiàn)結(jié)果

STM32主控板通過串口擴展上海移遠研發(fā)的BC28NB-IoT通信模塊上網(wǎng)，并收集小屋內(nèi)信息傳輸?shù)皆贫?，首先需要在云端完成配置。本系統(tǒng)選擇阿里云云平臺，首先需要在云端完成產(chǎn)品的創(chuàng)建，產(chǎn)品創(chuàng)建完成之后，獲取設(shè)備的三元組。接著創(chuàng)建設(shè)備，在添加功能中添加設(shè)備的屬性，設(shè)備的屬性即為輸送到云端的各種數(shù)據(jù)。利用串口將AT指令傳遞給BC28模塊，對BC28模塊進行初始化和配置。然后把云端設(shè)備的三元組復(fù)制到阿里云物聯(lián)平臺配置生成相應(yīng)的MQTT配置參數(shù)，在控制主板上輸入云端設(shè)備的MQTT配置參數(shù)，使得設(shè)備能夠登錄阿里云，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)。將設(shè)備連接至云端登錄阿里云并且訂閱主題，即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，數(shù)據(jù)格式需要遵循阿里云框架進行配置[11-13]。

最后，利用阿里云自帶的IoT Studio創(chuàng)建Web可視化界面。在Web界面創(chuàng)建相應(yīng)的圖形界面并與屬性一一對應(yīng)，并做出一定的美化。作為用戶，可以直接訪問Web界面，對智能家居各個設(shè)備的狀態(tài)進行查看。其實現(xiàn)效果如圖6所示。智慧小屋系統(tǒng)的Web應(yīng)用共分三個界面：首頁、客廳和臥室。其中首頁上顯示的是小屋的基本信息、當前時間和小屋的地理位置?？蛷d和臥室界面都屬于實時監(jiān)控界面，在上面可以監(jiān)測到所有傳感器的數(shù)據(jù)并對相應(yīng)的模擬設(shè)備下達指令進行操作。

在該部分，以阿里云做為典型案例介紹，學(xué)生主要完成物模型創(chuàng)建、IoT Studio業(yè)務(wù)服務(wù)和Web功能設(shè)計、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信等軟件設(shè)計，智慧小屋檢測的僅為環(huán)境參數(shù)，學(xué)生可探究其他物模型來擴展。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間相互協(xié)調(diào)，完成運行控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、任務(wù)執(zhí)行、信息交互等系列功能。

5? 結(jié)? 論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)通信模塊和云服務(wù)，設(shè)計了一種嵌入式智慧小屋開放式創(chuàng)新實驗平臺，其集成度高，接口豐富，結(jié)構(gòu)靈活，擴展性強，除此案例外，可通過添加ZigBee、5G、Wi-Fi和LoRa等模塊實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)資源共享，扭轉(zhuǎn)嵌入式實驗平臺只作為信息孤島的現(xiàn)狀，探索物聯(lián)網(wǎng)新場景應(yīng)用，結(jié)合智能家居、邊端云、智慧城市等概念，為物聯(lián)網(wǎng)跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展做好充分準備。為有效拓寬學(xué)生思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新與探究能力提供資源保證。通過該平臺，可以使學(xué)生從底層的嵌入式系統(tǒng)過渡到物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動等相關(guān)技術(shù)及其行業(yè)應(yīng)用，掌握基本的傳感器和多類無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，熟悉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試過程，結(jié)合底層嵌入式設(shè)備和嵌入式實時操作系統(tǒng)，使其具備復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)項目研發(fā)能力，掌握軟硬件和算法均精通的系統(tǒng)級開發(fā)能力，充分提升學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生通過基于實驗平臺的自主探究學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新意識、科學(xué)素養(yǎng)、實踐精神和團隊合作精神。

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作者簡介：陸玲霞（1982—），女，漢族，浙江余姚人，高級實驗師，學(xué)院專業(yè)實驗教學(xué)研究中心副主任，博士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。