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(duì)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(huì)。智能宿舍通過(guò)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(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)居住環(huán)境的檢測(cè)和管理。于是，一個(gè)更加便捷、實(shí)時(shí)、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(kāi)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(mén)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(kāi)發(fā)板組成。火災(zāi)事故模塊由煙霧傳感器與GSM模塊組成，通過(guò)煙霧傳感器和GSM模塊相互配合實(shí)現(xiàn)事故檢測(cè)和通知;物聯(lián)網(wǎng)模塊由WIFI模塊組成，通過(guò)WIFI聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)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(guò)控制繼電器實(shí)現(xiàn)燈光的控制;門(mén)禁模塊由RFID模塊組成，通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)宿舍門(mén)的開(kāi)關(guān)控制;溫濕度模塊由DHT11傳感器組成，通過(guò)DHT11來(lái)實(shí)時(shí)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(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS和圖形界面庫(kù)EMWIN組成。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS是一個(gè)專門(mén)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輕量級(jí)內(nèi)核。支持搶占式、合作式以及時(shí)間片調(diào)度，并且包含了各種進(jìn)程通信，如信號(hào)量、消息隊(duì)列等等。完全滿足本次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的要求。EMWIN是一款專門(mén)針對(duì)嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)使用的圖形軟件庫(kù)。同時(shí)提供簡(jiǎn)單易操作的圖像界面GUI Buider，可以大大提高開(kāi)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(duì)控件和API函數(shù)的合理搭配應(yīng)用，可高效率完成一個(gè)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(kāi)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(shí)緊急報(bào)警。

（4）可以通過(guò)每個(gè)功能對(duì)應(yīng)的app界面來(lái)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(mén)禁。

（6）可以通過(guò)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(guò)使用DHT11來(lái)進(jìn)行。此傳感器的內(nèi)部大體是一個(gè)電阻式感濕元件與一個(gè)NTC測(cè)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(cè)量范圍以及測(cè)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(shí)序要求，所以在后期移植的時(shí)候要注意這部分的操作。同時(shí)該傳感器采用的是4針?lè)庋b，小巧，便于安裝使用，具體進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候只需分配一個(gè)資源IO口就可以了。具體有以下幾個(gè)特點(diǎn)[6]。

（1）可以進(jìn)行溫度和濕度的測(cè)量。

（2）可以直接以數(shù)字信號(hào)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(hào)傳輸距離。

（6）具有較低的能耗。

（7）有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

（8）4引腳安裝方便。

該模塊可以通過(guò)5V或者3.3V進(jìn)行供電。不過(guò)不同的供電電壓，效果不一樣，在5V供電的情況下，測(cè)量的速度相對(duì)比較快，就是每次內(nèi)部完成測(cè)量的時(shí)間比較快，這樣可以更加快速實(shí)時(shí)地更新室內(nèi)環(huán)境變化。對(duì)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(xiě)程序時(shí)必須按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上面的時(shí)序來(lái)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(cè)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(cè)。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，釋放大量的氣體將會(huì)觸發(fā)MQ2傳感器，所以通過(guò)檢測(cè)MQ2傳感器的濃度就可以判斷有無(wú)火災(zāi)的情況。該模塊采用的是4針?lè)庋b，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)，具體硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候可以按照需求分配一個(gè)帶ADC或者普通的IO口。并且首次使用的時(shí)候要進(jìn)行預(yù)熱處理，一般大概需要48小時(shí)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(guò)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(dòng)、聯(lián)通的2G網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)能夠進(jìn)行短信的收發(fā)以及語(yǔ)音電話。本次設(shè)計(jì)使用該模塊進(jìn)行煙霧報(bào)警，在系統(tǒng)檢測(cè)到煙霧情況下，該模塊就實(shí)現(xiàn)電話通訊，通過(guò)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(lè)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(kāi)始時(shí)要從官網(wǎng)下載然后燒寫(xiě)進(jìn)去的固件。有了該協(xié)議后，只要通過(guò)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(kāi)和常閉兩個(gè)狀態(tài)，通過(guò)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(cè)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(gè)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(duì)接機(jī)智云平臺(tái)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(gè)功能正常實(shí)現(xiàn)[9]。

6結(jié)束語(yǔ)

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(gè)既可以實(shí)現(xiàn)智能控制又可以對(duì)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(shí)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(méi)有加入目前主流的語(yǔ)音控制技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)成本方面也沒(méi)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)

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[2] FreeRTOS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開(kāi)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.

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[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(jiǎn)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。