雷鋼 陳俊民 馬志豪

摘 要：闡述了單片機(jī)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，采用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以USB串口供電模塊、USB串口下載模塊、手機(jī)智能控制終端模塊、USR-WI-FI232-A2模塊、蜂鳴器模塊等進(jìn)行一鍵尋物系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、處理和終端指令的執(zhí)行的全過(guò)程，完成了尋物互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：尋物系統(tǒng);STC12C5A60S2單片機(jī);創(chuàng)新實(shí)踐

在日常生活中常常會(huì)遇到想要的東西卻怎么也找不到的情況，尤其是老年人這種情況尤為常見(jiàn)，讓人感到內(nèi)心焦躁，也會(huì)帶來(lái)一定的心理負(fù)擔(dān)，從而影響正常生活，給自己和周圍的人帶來(lái)煩惱。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步，在國(guó)家大力提倡大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的大背景下，一鍵直達(dá)尋物系統(tǒng)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，獲得了校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)。它優(yōu)勢(shì)在于采用了更先進(jìn)的Wi-Fi技術(shù)取代現(xiàn)有的藍(lán)牙技術(shù)，進(jìn)行尋物系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，更快速、更普及、更便捷，只要有Wi-Fi就可以隨時(shí)定位物品，真正的實(shí)現(xiàn)尋物聯(lián)網(wǎng)。而且裝置小巧，基本不會(huì)改變物品原來(lái)的大小，實(shí)用性更強(qiáng)，成本也低。

本設(shè)計(jì)了具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉、體積小巧等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性、商業(yè)性和技術(shù)性。系統(tǒng)以Android為上位機(jī)平臺(tái)，STC12C5A60S2單片機(jī)作為下位機(jī)，構(gòu)建快速尋物系統(tǒng)，對(duì)在Wi-Fi模塊和手機(jī)應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通過(guò)安卓端軟件與Wi-Fi硬件之間的無(wú)線通訊、Wi-Fi模塊與單片機(jī)之間的有線通信，構(gòu)建一個(gè)尋物系統(tǒng)。其工作流程圖如圖1所示。

1 硬件設(shè)計(jì)

一鍵尋物系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以USB串口供電模塊、USB串口下載模塊、手機(jī)智能控制終端模塊、USR-WI-FI232-A2模塊、蜂鳴器模塊等進(jìn)行系統(tǒng)搭建。開(kāi)發(fā)安卓端應(yīng)用程序，通過(guò)WI-FI將數(shù)據(jù)傳遞給Wi-Fi模塊，USR-WI-FI232-A2模塊將訊息發(fā)給智能單片機(jī)，進(jìn)而將命令通過(guò)相應(yīng)的接口模塊發(fā)出，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)蜂鳴器的控制。在尋找物品時(shí)，物品上的蜂鳴器震動(dòng)，引起尋找者的注意，從而快速的將物品找到。其核心硬件電路如圖2所示。

1.1 STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)

STC12C5A60S2RC是由STC公司開(kāi)發(fā)的一種高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其編程指令代碼能夠與傳統(tǒng)8051實(shí)現(xiàn)完全兼容，且運(yùn)行速度提高了8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，能夠在強(qiáng)干擾場(chǎng)合正常工作。由STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)建的系統(tǒng)中，采用C語(yǔ)言完成程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Wi-Fi模塊的串口通信，實(shí)現(xiàn)通過(guò)Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)拉低拉高IO口電位驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。通過(guò)設(shè)計(jì)控制蜂鳴器的程序和Wi-Fi通信程序完成對(duì)下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)上的固件程序主要是在Wi-Fi模塊和手機(jī)進(jìn)行Wi-Fi配對(duì)之后，建立了相應(yīng)的通信通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi模塊收到手機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行調(diào)制和解碼，然后把字節(jié)碼數(shù)據(jù)串口發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)收到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)后，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尋物的功能。復(fù)位電路由電容E1、電阻R1、開(kāi)關(guān)SW1與電源VDD構(gòu)成，連接主芯片第9腳復(fù)位管腳如圖2所示。單片機(jī)工作電路為時(shí)序電路，必須外接震蕩電路使其工作，在時(shí)鐘電路中，主頻選用11.059MHz晶振X1與電容C1、C2并聯(lián)而成，與主芯片第18、19腳相連，如圖2所示。

單片機(jī)串口通信在傳輸少量的數(shù)據(jù)時(shí)，指令方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。STC12C5A60S2單片機(jī)串口的傳輸方式有四種。本系統(tǒng)通信模式采用串口通信方式1，方式10位數(shù)據(jù)的異步通信口，其中1位是起始位，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位。

1.2 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)采用USR-WI-FI232-A2模組進(jìn)行Wi-Fi組網(wǎng)，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)串口與 WI-FI 之間數(shù)據(jù)的雙向透?jìng)鳌Ｆ潆娐穲D如圖2中wifi模塊所示，是一款一體化的 802.11 b/g/n 的模組，通過(guò)該模組，傳統(tǒng)的串口設(shè)備或 MCU 控制的設(shè)備可以很方便的接入 WI-FI 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制與管理。

模塊使用3.3v單電源供電，并支持 802.11b/g/n 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP/UDP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，同時(shí)該模塊最大傳輸距離為150M，功能十分強(qiáng)大。它可以提供十分靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，AP即無(wú)線接入點(diǎn)，是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。通常使用的無(wú)線路由器就是一個(gè) AP，其它無(wú)線終端可以通過(guò) AP 相互連接。STA即無(wú)線站點(diǎn)，是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端。

1.3 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，具有堅(jiān)固的機(jī)械外表，對(duì)環(huán)境溫度基本沒(méi)有要求，對(duì)輻射不敏感，抗靜電放電，強(qiáng)大的抗電磁干擾性，且價(jià)格低廉。其電路圖如圖2中蜂鳴器電路所示，由三極管Q1、發(fā)光管LED1、電阻R2、蜂鳴器B1與主單片機(jī)25腳相連。

2 軟件設(shè)計(jì)

在打開(kāi)手機(jī)尋物APP之后，初始化連接Wi-Fi后，輸入配對(duì)信息，手機(jī)就能和尋物器進(jìn)行自動(dòng)配對(duì)，手機(jī)通過(guò)UDP連接就能向Wi-Fi模塊發(fā)送指令，Wi-Fi模塊收到指令后就能告訴52單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器相應(yīng)了。其工作流程如圖1所示。

在Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，Android在調(diào)用Wi-Fi類去實(shí)現(xiàn)Wi-Fi通信的時(shí)候，必須在這個(gè)屬性配置文件中獲取相應(yīng)的Wi-Fi權(quán)限。獲取在運(yùn)行配置文件中獲取Wi-Fi權(quán)限的代碼如下：

<！—在Android 6.0之后，使用藍(lán)牙通信，必須打開(kāi)定位權(quán)限 -->

取權(quán)限之后，還要在尋物器的應(yīng)用程序中使用ContextCompat的子類checkSelfPermission類來(lái)檢查應(yīng)用程序是否從手機(jī)獲取相應(yīng)的權(quán)限，如果沒(méi)有則需要使用ActivityCompat的子類requestPermissions來(lái)彈出請(qǐng)求系統(tǒng)彈窗，好讓用戶選擇是否立即開(kāi)啟權(quán)限。如果只是在運(yùn)行配置文件AndroidMainfest.xml中獲取Wi-Fi權(quán)限，但是沒(méi)有檢查權(quán)限，應(yīng)用程序就會(huì)出現(xiàn)秒退的問(wèn)題。

管理Wi-Fi通信主要有三個(gè)類：Wi-FiManager類、Wi-FiInfo類、Wi-FiConfiguration類。其中Wi-FiManager類是Wi-Fi管理類，負(fù)責(zé)管理Wi-Fi的各種操作，比如斷開(kāi)、連接、搜索等;Wi-FiInfo類是獲取當(dāng)前正在連接的熱點(diǎn)的信息比如：IP地址、MAC地址、網(wǎng)關(guān)等;Wi-FiConfiguration類是WI-FI網(wǎng)絡(luò)的配置類，通過(guò)這個(gè)類可以查看Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)配置。手機(jī)和制定設(shè)備建立Wi-Fi連接有四個(gè)步驟：初始化、打開(kāi)關(guān)閉Wi-Fi、搜索顯示列表、點(diǎn)擊列表進(jìn)行配對(duì)。

Wi-Fi初始化主要是獲取Wi-FiManager類、Wi-FiInfo類的對(duì)象，并對(duì)類對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化，讓類在activity里面更好的被調(diào)用。打開(kāi)關(guān)閉Wi-Fi主要是通過(guò)調(diào)用Wi-FiManager類的setWi-FiEnabled（）方法來(lái)完成的，搜索周圍的Wi-Fi設(shè)備和進(jìn)行廣播主要是使用Wi-FiManager類的startScan（）方法來(lái)完成的，而獲取附近的Wi-Fi設(shè)備列表也是通過(guò)這個(gè)類的getScanResults（）方法完成的，而getScanResults（）方法會(huì)返回一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備信息的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象可以通過(guò)JAVA的基本方法ToString（）轉(zhuǎn)換成字符串。也是使用Wi-FiManager類的reconnect（）方法與制定的ID的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配對(duì)，建立通信通道。

在建立連接后，如果需要和Wi-Fi之間進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，必須使用socket網(wǎng)絡(luò)編程，本設(shè)計(jì)使用的是與Wi-Fi模塊之間建立UDP連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。主要使用了傳輸信息的DatagramPacket類和使用UDP協(xié)議的UDPSocket接口類。

3 結(jié)論

市面上大部分的尋物器都是基于藍(lán)牙技術(shù)，而本系統(tǒng)創(chuàng)新性的使用Wi-Fi技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)尋物器系統(tǒng)，讓尋物器反應(yīng)更加快速、更加普及、同時(shí)也能使用路由接入尋物器，讓尋物器聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)。引導(dǎo)未來(lái)發(fā)展的方向，為下一步機(jī)器人化做鋪墊。本系統(tǒng)還有以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)：（1）豐富功能;目前只有蜂鳴器報(bào)警的功能，以后可以開(kāi)發(fā)Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)尋物功能或者GPS地圖尋物功能等。（2）支持更多的操作系統(tǒng);目前，尋物器系統(tǒng)只開(kāi)發(fā)了Android系統(tǒng)的APP，但是還是有很大一部分用戶使用其他操作系統(tǒng)。（3）環(huán)境特殊性;蜂鳴器有一定的局限性，在某些情況下，比如黑天的情況下，被尋找物綻放出來(lái)光亮更方便于尋找，或者兩者相互結(jié)合，效率會(huì)更高。（4）局限性;Wi-Fi還沒(méi)有達(dá)到全部普及，沒(méi)有Wi-Fi的地方將無(wú)法使用。通過(guò)本次創(chuàng)新實(shí)踐，使得項(xiàng)目組成員對(duì)單片機(jī)應(yīng)用有了一個(gè)更加深刻的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)以致用的目的。

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（項(xiàng)目來(lái)源：鄭州工程技術(shù)學(xué)院 2019 年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃 項(xiàng)目編號(hào)：201911068036，項(xiàng)目名稱：一鍵直達(dá)尋物系統(tǒng)）

作者簡(jiǎn)介：雷鋼（1979-），男，河南鄭州人，碩士，副教授，主要研究方向：電子與通信工程。