一種可用于教學(xué)的CAN總線分布室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)

雷建和+萬斌+錢晶+劉明

摘 要： 設(shè)計(jì)一種室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中單片機(jī)STM32F103ZET6和STM32F103RBT6分別作為中央節(jié)點(diǎn)控制器和局部節(jié)點(diǎn)控制器并通過濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5傳感器、煙霧傳感器、步進(jìn)電機(jī)、音樂模塊、語音模塊控制器來完成溫濕度、光照度、PM2.5的采集與顯示、背景音樂的播放控制、室內(nèi)燈光的自動(dòng)調(diào)節(jié)、室內(nèi)百葉窗控制。由于需要采集和控制客廳、臥室、廚房等建筑單元的環(huán)境參數(shù)，故采用分布控制式控制系統(tǒng)，每個(gè)建筑單元的采集、控制節(jié)點(diǎn)以及中央控制器和局部控制器都掛在CAN總線上，所以其具有模塊化、可擴(kuò)展的特點(diǎn)并能實(shí)現(xiàn)各控制器之間的通信。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)可達(dá)到設(shè)計(jì)和教學(xué)要求。

關(guān)鍵詞： CAN總線； 傳感器； 信息采集； STM32； 通信； 控制器

中圖分類號(hào)： TN431.1?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0026?04

Abstract： An indoor environment information acquisition system is designed in this paper. The STM32F103ZET6 and STM32F103RBT6 microcontrollers are used respectively as the central node controller and the local node controller to accomplish acquisition and display of temperature， humidity， illuminance and PM2.5， and play control of background music， automatic dimming of indoor lamplight and control of indoor shutter by using temperature and humidity sensor， light illumination sensor， PM2.5 sensor， smoke sensor， stepper motor， music module controller and voice module controller. The distributed control system is used due to the need to collect and control the environment parameters of the living room， bedroom， kitchen and other building units. The central node controller， the local node controller， the acquisition node and the control node of each building unit are all collected to the CAN bus to make the system have characteristics of modularization and expansibility， and realize communication between controllers. The actual debugging and operation results show that the system can meet the design and teaching requirements.

Keywords： CAN bus； sensor； information acquisition； STM32； communication； controller

隨著科技水平的不斷提高，室內(nèi)智能建筑環(huán)境在人們生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的建筑模式。因此對(duì)家庭環(huán)境的要求便成為了智能建筑和環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展動(dòng)力。室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)就是為解決室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的。我國(guó)的室內(nèi)環(huán)境采集如今向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。童懷、王朝華等人設(shè)計(jì)了基于Android的智能家居系統(tǒng)[1]，通過單片機(jī)建立一個(gè)智能家居控制網(wǎng)關(guān)并利用基于Android手機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行家居信息控制采集；南忠良，孫國(guó)新設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[2]，通過利用ZigBee模塊、單片機(jī)和PC機(jī)對(duì)家居信息進(jìn)行控制采集。

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)，采用CAN總線組網(wǎng)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)[3]，完成室內(nèi)環(huán)境狀況的檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送以及環(huán)境狀況顯示，具有高性能、高可靠性的特點(diǎn)[4]。

1 室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用STM32作為控制器芯片[5]，將各控制器節(jié)點(diǎn)掛載在CAN總線上，來完成通信，將臥室、廚房?jī)?nèi)的CAN節(jié)點(diǎn)采集來的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到客廳內(nèi)的CAN節(jié)點(diǎn)上面[6]，并通過ALIENTEK 7寸TFTLCD觸摸屏顯示和監(jiān)控。該系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要完成以下功能：

1） 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在公共區(qū)域根據(jù)光照度自動(dòng)調(diào)光，根據(jù)照度有效調(diào)節(jié)控制百葉窗等；

2） 實(shí)現(xiàn)對(duì)家居背景音樂的點(diǎn)播和控制；

3） 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和日歷的實(shí)時(shí)顯示；

4） 實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境如溫度、濕度、光照度、PM2.5等實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示；

5） 實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)燃?xì)庑孤┗蚬艿缐毫Τ藜皶r(shí)預(yù)計(jì)或報(bào)警[7]；

6） 實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)插座等電源回路的定時(shí)控制。

1.2 主控單片機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F103ZET6，其具有512 kB FLASH，64 kB SRAM，外擴(kuò)的SPI FLASH，16 MB的W25Q128 為本系統(tǒng)開發(fā)提供充足的存儲(chǔ)資源[8]。endprint

2 系統(tǒng)硬件選擇及模塊電路設(shè)計(jì)

1） CAN總線模塊。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中STM32自帶CAN控制器，因此，只需將芯片的PA11和PA12與CAN收發(fā)器的1管腳和4管腳相連即可。另外，多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)掛載在CAN總線上時(shí)，收發(fā)器6管腳和7管腳上的電阻需要去掉；雙CAN通信時(shí)不需要去掉。CAN收發(fā)器原理圖如圖2所示。

2） MP3模塊。在該系統(tǒng)中要完成背景音樂的播放和控制，選擇ATK?VS1053 MP3。ATK?VS1053通過SPI接口與STM32單元中的SPI1通信，將存儲(chǔ)在SD卡的音樂文件取出來，發(fā)送到VS1053進(jìn)行音頻解碼，實(shí)現(xiàn)音樂播放等功能。MP3模塊引腳與STM32相連說明見表1。

表1中：RST是復(fù)位信號(hào)；DREQ是數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，來通知STM32，VS1053是否做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；其他管腳則是VS1053的SPI通信管腳。MP3模塊與STM32接口圖如圖3所示。

3） 觸摸屏液晶顯示電路。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，需要完成控制器參數(shù)的顯示，其顯示模塊選用ALIENTEK開發(fā)的7 寸 TFTLCD 模塊。

4） 語音播放模塊。WTW?16P語音模塊采用WT588D?20SS 作為核心控制電路。外部只需要接上電源、控制端以及揚(yáng)聲器就能正常工作。

5） 溫濕度度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)。DHT21是帶有自校準(zhǔn)的輸出數(shù)字信號(hào)的溫濕度復(fù)合傳感器[10]。DHT21溫濕度傳感器模塊與STM32單片機(jī)的PB13管腳相連接。當(dāng)其信號(hào)線小于20 m時(shí)，信號(hào)線要加上5 kΩ的上拉電阻。

6） 亮度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)調(diào)光和節(jié)約能源，需要檢測(cè)室內(nèi)光照環(huán)境，選擇BH1750FVI光照傳感器，其數(shù)據(jù)傳輸方式采用是兩線式串行總線方式。亮度檢測(cè)模塊BHT1750SCL，SDA與STM32單片機(jī)的PB10，PB11相連接，以I2C總線傳輸數(shù)據(jù)。光照傳感器BHT1750原理圖如圖4所示。

7） PM2.5模塊設(shè)計(jì)。PM2.5傳感器用 GP2Y1010

AU0F 。GP2Y1010AU0傳感器3管腳與STM32的PB7相連，點(diǎn)亮該傳感器內(nèi)部的LED；5管腳VO與單片機(jī)的PA0相連，是模擬量輸出。

8） 聲光報(bào)警模塊電路。本文采用MQ?2煙霧傳感器來采集廚房?jī)?nèi)的可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)濃度大于設(shè)定值時(shí)，PB8管腳電平置高，來使蜂鳴器動(dòng)作，來通知用戶燃?xì)庑孤?，做好安全措施?/p>

9） 客廳燈光設(shè)計(jì)。在辦公區(qū)域或家居內(nèi)根據(jù)不同情景模式需要，選擇性打開LED燈。

10） 百葉窗模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度，單片機(jī)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，來控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而調(diào)節(jié)百葉窗的開度。

11） 系統(tǒng)硬件搭建。根據(jù)系統(tǒng)硬件選擇完成最終搭建，系統(tǒng)硬件搭建如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)

完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，相當(dāng)于完成了“軀干”部分，要想使系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作，還得為系統(tǒng)注入軟件程序。系統(tǒng)在上電之后，會(huì)先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，初始化就是將系統(tǒng)的各個(gè)部分設(shè)置成默認(rèn)值。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

3.2 觸摸屏界面程序設(shè)計(jì)

觸摸屏界面是該系統(tǒng)人機(jī)交互的主要途徑，觸摸屏在使用前需要進(jìn)行初始化。LCD顯示設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3.3 CAN總線通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)的功能主要是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，首先應(yīng)對(duì)STM32中關(guān)于CAN的控制器進(jìn)行初始化。CAN控制器初始化配置，需要對(duì)中斷進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高；配置CAN用的I/O管腳；設(shè)置CAN的通信速度為450 kbit/s。

1） CAN發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖8所示。

2） CAN接收數(shù)據(jù)流程圖如圖9所示。

圖9表明了CAN接收數(shù)據(jù)的流程，但是缺少?gòu)腇IFO中讀出報(bào)文，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)3個(gè)報(bào)文之后，在下個(gè)報(bào)文到來之前，必須先讀出一個(gè)報(bào)文，否則FIFO將溢出，丟失數(shù)據(jù)。只要FIFO讀出一個(gè)報(bào)文，掛號(hào)就減1，F(xiàn)IFO不為0，就可以讀出報(bào)文。

3.4 溫濕度采集程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器（DHT21）工作方式為單總線。數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括起始信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)、溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位。起始信號(hào)：數(shù)據(jù)總線拉低，通知傳感器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。響應(yīng)信號(hào)：把總線拉低80 μs，再拉高80 μs以響應(yīng)主機(jī)的起始信號(hào)。濕度數(shù)據(jù)：前16位為濕度信號(hào)，高位在前，傳感器的值為實(shí)際濕度值的10倍。溫度數(shù)據(jù)：中間16位為溫度信號(hào)，最高位為1，表示負(fù)溫度信號(hào)，最高位為0，表示正溫度信號(hào)。校驗(yàn)位：校驗(yàn)位為8位數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

本文主要研究室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過分布式控制系統(tǒng)對(duì)客廳、臥室、廚房等建筑單元的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集控制，最終經(jīng)過實(shí)際搭建運(yùn)行調(diào)試，能夠達(dá)到實(shí)際使用和教學(xué)要求。

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