基于STM32的光照傳感器實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)現(xiàn)

付蔚 張棚 李正 胡燦偉

【摘?要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在我們身邊無處不在。為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高技術(shù)人才[8]，許多高校陸續(xù)開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，但很多高校在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程上存在人才不培養(yǎng)目標(biāo)的不明確以及教學(xué)方案不夠完善;針對(duì)這些問題，提出具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)來提高物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的綜合性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力，滿足學(xué)生全面發(fā)展和復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);實(shí)驗(yàn)課程;人才培養(yǎng);光照傳感器

引言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)[1]，覆蓋了多領(lǐng)域技術(shù)與知識(shí)，包含電子、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科;現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域及其的廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、以及醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，發(fā)展前景十分廣闊，同時(shí)也伴隨著技術(shù)的快速更新。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，在我國“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃表明，信息革命進(jìn)程持續(xù)快速演進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)廣泛滲透于經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，信息經(jīng)濟(jì)繁榮程度成為國家實(shí)力的重要標(biāo)志。目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)仍處于探索階段，如何培養(yǎng)真正適用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新復(fù)合型人才是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)[2]。

當(dāng)前大多數(shù)高校，在教學(xué)匯總普遍存在重理論、輕實(shí)踐的問題，理論知識(shí)結(jié)合實(shí)踐的能力較差，難以實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)工程類人才的培養(yǎng)目的[3]。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在注重理論教學(xué)的同時(shí)也需要側(cè)重學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與理論結(jié)合的能力。根據(jù)復(fù)合型人才培養(yǎng)要求，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，需要把實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論課的擴(kuò)展的應(yīng)用，并作為教學(xué)過程中的一個(gè)重要組成部分[4]，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力發(fā)揮著重要作用。針對(duì)當(dāng)前復(fù)合型人才培養(yǎng)要求以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，開展光照傳感器采集試驗(yàn)。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

此實(shí)驗(yàn)包含STM32、BH1750FV1光照強(qiáng)度傳感器模等模塊結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行光照度的數(shù)據(jù)采集與傳輸。其中STM32模塊為主控模塊，光照度傳感器模塊內(nèi)部是由芯片BH1750FV1來采集光照強(qiáng)度，其主要作用就是針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所涉及的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和傳遞，并完成指定的工作。并通過I2C接口通訊;再結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終在PC端顯示。

2.ZigBee通信技術(shù)

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層，是一種模擬蜂蜜之間的交流方式而研發(fā)出來的新型短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展就是基于ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，使傳感器與互聯(lián)網(wǎng)完美的融合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體的遠(yuǎn)距離信息采集和控制。相比較WIFI、藍(lán)牙這兩種無線通信技術(shù)，ZigBee無線傳輸技術(shù)可容納的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量遙遙領(lǐng)先，ZigBee具有功耗低、成本低、時(shí)延短的技術(shù)特點(diǎn)，在整個(gè)智能家居系統(tǒng)之中，將ZigBee技術(shù)加以運(yùn)用能夠有效的提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。完整的ZigBee 協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

3.硬件設(shè)計(jì)

此實(shí)驗(yàn)采用STM32F103C8T6模塊為主控芯片進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集處理，BH1750FV1模塊進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集，ZigBee無線通信模塊進(jìn)行信息的遠(yuǎn)距離傳輸。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C ～85°C。BH1750FV1是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。

4.軟件設(shè)計(jì)

程序開發(fā)是在MDK集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，并應(yīng)用網(wǎng)關(guān)Gateway2軟件，添加光照傳感器節(jié)點(diǎn)后觀察數(shù)據(jù)。在主函數(shù)流程中，主要進(jìn)行系統(tǒng)的一些初始化設(shè)置，主要是系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、端口初始化以及ADC的初始化設(shè)置和定時(shí)器三初始化，同時(shí)每50mS進(jìn)行一次進(jìn)行溫濕度的采集。在溫濕度采集函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)IO口模擬I2C的采集方式對(duì)溫濕度進(jìn)行采集，同時(shí)將采集的光照強(qiáng)度值放到數(shù)組中。在系統(tǒng)的定時(shí)器3中斷處理函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)值通過ZigBee發(fā)送出去。程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5.實(shí)驗(yàn)步驟

首先將工業(yè)節(jié)點(diǎn)模塊連接到PC機(jī)，連接圖如圖5所示;再用keil5軟件進(jìn)行程序代碼的設(shè)計(jì)與編譯后進(jìn)行下載，其次進(jìn)行工業(yè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的模式配置，并需要注意節(jié)點(diǎn)短地址對(duì)應(yīng);最后運(yùn)行網(wǎng)關(guān)Gateways軟件，添加光照傳感器節(jié)點(diǎn)后觀察數(shù)據(jù)。

6.結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新的應(yīng)用方式，是綜合多種技術(shù)在一定領(lǐng)域的體現(xiàn)。在最近幾年，各方面技術(shù)的快速發(fā)展以及在多方面利好的情況下，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平得到了顯著的提高。文本實(shí)現(xiàn)的是光照傳感器的采集以及通過無線技術(shù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能充分的調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用的直觀認(rèn)識(shí)和理解，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖麗嶸.應(yīng)用型高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2015，31（18）：17-20.

[2]張書欽，王海龍，吳志剛.物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探索[J].軟件工程，2017，20（8）：40-43.

[3]趙翠芹，韋麗娟，馮太琴，等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（8）：103-105.

[4]郭曉然，張總，許燕.物聯(lián)網(wǎng)綜合性創(chuàng)新性項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（02）：110-112.

作者簡介：

付蔚（1981-），女，副教授，重慶郵電大學(xué)，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與智能家居、網(wǎng)絡(luò)控制。

張棚，男，22，李正，男，23，胡燦偉，男，23，重慶郵電大學(xué)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在讀研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：

2020年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人計(jì)劃項(xiàng)目——面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

（作者單位：重慶郵電大學(xué)）