基于STM32和μC/OS的家居智能防盜系統

周書友，代銀莉，莫建麟

（阿壩師范學院 電子信息與自動化學院，四川 汶川 623000）

0 引 言

伴隨5G網絡的正式商用[1]，萬物互聯的時代正式到來。智能家居行業目前發展迅速，沖擊傳統家居行業。人們開始對起居環境有了更高追求，不只是單一的智能家電，而是將所有的家居電器連接到一起，通過先進的計算機嵌入式技術，讓它們彼此互相通信，且能隨時了解它們的情況[2-3]。

1 家居智能防盜系統的方案設計

本文設計的基于STM32和μC/OS的家居智能防盜系統采用STM32作為主控制器，ZigBee大規模組網技術作為連接各個家居和傳感器的橋梁，再通過MQTT協議連接到私有云服務器，實現用戶手機APP的監視和控制。基于STM32和μC/OS的家居智能防盜系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 基于STM32和μC/OS的家居智能防盜系統總體設計方案

2 系統關鍵技術分析

2.1 STM32F103ZET6主控制器

該控制器基于ARMv7-M架構，包括了所有的16位Thumb指令集和一部分基本的32位Thumb-2指令集架構，支持線程模式和處理模式。它具有先進的中斷處理功能，其內部嵌套向量中斷控制器支持240條外部輸入中斷，憑借向量化中斷功能，在硬件去除判斷中斷源的軟件操作，大幅度縮短了中斷延時；工作主頻為72 MHz，ROM為512 KB，以及多個硬件外設。作為一款微控制器，其已經達到了很高水準。本設計主要使用了其3個USART串口控制無線WiFi模塊和ZigBee協調器，并通過FSMC通信接口操控LCD顯示屏[4-6]。

2.2 μC/OS-Ⅲ操作系統

μC/OS于1992年發布μC/OS-I版本，到2009年發布μC/OS-Ⅲ版本，μC/OS一直在取精棄粕，推陳出新。相比前2代版本，μC/OS-Ⅲ版本進步很大[7]。μC/OS-Ⅲ對任務數量和每個優先級的任務數擴展到了無限制，理論芯片資源數夠多，就會建立多個任務，同時對任務嵌套、信號量、消息隊列等實時操作必備的功能做出更多優化。因此，采用μC/OS-Ⅲ作為本系統的網關系統可提高網關的實時性、穩定性。

2.3 傳感器數據交互技術

ZigBee網絡也叫紫蜂網絡，是一種基于IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層和物理層的低速率短距離無線上網協議。其以低速率、低功耗、低成本、低復雜度、高安全性、大規模組網等優勢在物聯網領域有著很高知名度。

由于ZigBee強大的組網及萬物互聯能力，所以本設計采用ZigBee 3.0 協議版本的TI CC2530作為傳感器數據采集上報下發的最小節點，同時采用性能更強的Silicon EFR32作為所有節點的協調器，對所有節點進行管理，同STM32網關進行數據交互。每個節點讀取掛載在其上的傳感器信息來實現環境監控[8-10]。

3 硬件設計方案

本系統硬件總體結構主要分為兩部分：STM32網關設計和ZigBee節點外圍硬件電路設計。其中，網關模塊由STM32開發板、EFR32 ZigBee協調器和ESP8266最小系統板構成，它們之間通過串口通信；ZigBee節點模塊核心芯片為CC2530，且外圍搭載了溫濕度傳感器、火焰傳感器、氣體傳感器等。硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框圖

網關采用STM32開發板，包括3個串口、TFT液晶屏接口、豐富的外設接口，可快速搭建起網關環境。在設計中，2個串口用于交換數據，剩余的1個串口用于配置ZigBee模塊參數，使模塊具有多樣性；通過TFT觸控屏以及按鍵控制程序可設計出串口2連接ESP8266模塊、串口3連接ZigBee協調器方案[11]。STM32網關設計如圖3所示。

4 系統軟件設計方案與實現

4.1 μC/OS-Ⅲ操作系統在STM32F103的移植

4.1.1 μC/OS移植后能正常工作的條件

編譯微處理器代碼的編譯器可產生重入型代碼，即一段程序可以被多任務調用而不出問題。

由于μC/OS需要定時硬件中斷來實現任務調度，因而需要一個硬件中斷定時器。在μC/OS任務調度切換時，需要任務保存數據，再切換下一個任務，一次需要足夠的棧空間來保存現場，同時也需要能夠操作CPU寄存器和棧的指令，來完成任務切換，這樣大部分的32位處理器便能運行μC/OS。

4.1.2 STM 32上對μC/OS的移植

把μC/OS-Ⅲ移植到STM32F103上，需要改動OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三個與內核相關的文件，然后改動CPU.H、CPU_A.ASM、CPU_CORE.C三個CPU處理相關的文件，再改動BSP包相關的定時器中斷控制器等硬件初始化代碼。μC/OS移植流程如圖4所示。

圖4 μC/OS移植流程

4.2 STM32網關設計方案

網關是手機APP能和每個終端傳感器通信的橋梁，其流程如圖5所示。

網關開始時初始化3個串口，并創建5個任務，其中對串口數據流任務，系統上電便開始執行，并處理ZigBee協調器和ESP8266發來的各種數據。上電之初，如果在5 s內未收到ESP8266發來的NTP時間數據，系統將啟動所有任務，并初始化系統時鐘為默認時間；如果收到ESP8266傳來的NTP時間數據，系統將會啟動所有任務，并初始化系統RTC時間為當前NTP時間。

4.3 ESP8266網絡數據流

ESP8266將STM32網關發送來的數據進行解析并封裝成JSON包，建立一個TCP客戶端，通過MQTT協議將封裝好的JSON發送給服務器，完成上傳；同時，ESP8266通過MQTT的訂閱功能，實時準備接收服務器的消息，并會以1次/2 s來發送。當收到服務器數據時，將會把收到的數據發送給網關，完成控制操作[12]。ESP8266控制流程如圖6所示。

4.4 云服務器搭建

云服務器采用阿里云ECS云服務器，其為設計中的關鍵點，能通過公網IP進行遠程訪問，意味著能夠通過它傳輸數據，這也是人們能通過手機控制終端最重要的原因。此外，借助其優秀的平臺特性，能夠保證系統不宕機，以及實時地穩定訪問。

圖5 網關執行流程

圖6 ESP8266控制流程

4.5 EMQ軟件的安裝

EMQ基于高并發的Erlang/OTP語言設計，支持百萬級的連接，提供發布和訂閱的MQTT消息服務器。服務器安裝便捷，支持Windows、Linux、MacOS和FreeBSD操作系統平臺。EMQ運行時的Dash Board如圖7所示。它將服務器的所有參數都進行了列舉，包括當前客戶端的連接數量、服務器的負載情況等。通過該可視化本地物聯網平臺，可搭建好自己的服務器端，只需手機和ESP8266訂閱服務器消息，即能輕松通信。

4.6 上位機設計

安卓上位機借助Android Studio，開發流程為先將APP的布局界面設計出來，然后再逐一添加功能。在本設計中，由于需要添加Smart Config配網功能，因而最終由考量決定，通過下載樂鑫官網提供的Android SDK修改，既能進行ESP8266配網，也可以將自己的功能放在該SDK中。Android上位機執行流程如圖8所示。

圖7 EMQ運行時的Dash Board

圖8 Android上位機執行流程

在程序執行之初，即同Ubuntu服務器建立TCP連接，然后通過MQTT獲取消息并發布。安卓界面設計有1個主界面和3個副界面，其中主界面包含網關終端所有的設備節點狀態，而其余3個副界面分別為下發控制指令界面、插座配置界面、WiFi入網配置界面。Android上位機界面展示如圖9所示。

圖9 Android上位機界面展示

5 系統測試

5.1 硬件測試

網關是數據交換中心，因此硬件測試極為重要。測試中主要測試串口連線是否正確，對應模塊電源是否供電正常，上電時測試電源紋波是否波動異常等，通過網關發送串口數據給ESP8266，再通過ZigBee協調器來監測串口通信是否正常。

其中，ESP8266入網流程為：讀取FLASH原有WiFi配置進行連接，如果搜索不到便會進入SmartConfig流程，期間通過手機配置入網。ESP8266入網流程如圖10所示，SmartConfig如圖11所示，配網成功如圖12所示。

圖10 ESP8266入網流程

圖11 SmartConfig

手機配網流程入網成功后，即會定時發送網絡數據給網關，其中有手機端下發的指令和NTP時間信息。ESP周期下發數據如圖13所示。

圖13 ESP周期下發數據

5.2 系統整體運行測試

全部上電后，手機界面顯示如圖14所示，網關狀態展示如圖15所示。圖中將節點的狀態全部進行顯示，用戶可以控制及查看家居狀況。

圖14 手機顯示界面

圖15 網關狀態展示

6 結 語

本文針對目前家居智能防盜系統的成本高、兼容性差等缺陷，通過對嵌入式操作系統移植方法及技術、家居防盜相關技術及實現方法、物聯網感知技術在家居防盜上的具體應用、物聯網數據傳輸技術等進行深入研究，設計基于μC/OS的STM32家居防盜系統。目前，已完成所用物聯網技術選擇、硬件選擇、程序編寫和測試等內容。

本文雖已完成所有功能，但還有一些地方存在問題，需要后續改進：目前環境較為單一，需要在實際環境中使用才能發現更多不足；設備數量不能動態擴展，需要進一步更新；數據的轉發算法還需要優化，并增強處理速度。