基于STM32的智能家庭无线网关的设计(录用发表终)Word格式.doc

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（1.FacultyofInformationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,china;

2.Radaelectronicindustrieslimited,Foshan528300,china）

Abstract:

InordertomakeourHouseholdlifebecomemoreconvenientandrelaxed,alsoinordertomeettherequirementofthemodernIntelligentHouseholdtomakecontrolequipmentintergratedandminiaturization,thispaperdesignsawirelessgatewaybasedonSTM32F103C8T6.ThiswirelessgatewayreceivingcontrolcommandfromthecontrolsoftwareofhomeappliancewhichinstalledintheTabletComputerthroughtheWiFimodule,afterthedataprocessingandprotocolconversion,thensendingthecontrolsignaltothehomeappliancenetworkunitedbyRF（slave）modulethroughtheRF（host）module.Thewirelessgatewayrealizesthecontrolofhomeappliancethroughthisway.Atthesametime,ifaparticularmodelofhomeappliancechangestate,italsocantimelyfeedbacktotheTabletComputertodisplaythroughthegateway.Thisplansolvedtheproblemofreal-timemonitoringofhomeapplianceinformationandthefunctionsofremotecontrol.Theexperimentalresultsshowthat,thewirelessgatewayhasthecharacteristicsoflightandhandy,highcontrolprecision,datalargequantityandhighspeed.It’sveryappropriateforintelligenthouseholdsystemapplication

Keywords：

STM32wirelessgatewayWiFimoduleRFmodule

0、引言

随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，以及人们物质生活水平的不断提高，人们的工作、生活与通讯、信息的关系日益密切，人们越来越注重家居生活的安全、健康、快捷和舒适。

由于日常家居中家电产品种类日益增多，如何有效地将它们结合成为一个有机的整体，解决分散控制所带来的不便，更好地为人们提供家居生活的各类信息，对它们进行统一的管理和监控，是人们一直追求的，也是家居生活的未来发展方向。

本文正是为了这一目的，提出了一种基于STM32的嵌入式智能家居无线网关，它可以通过RF模块把日常家电组成一个无线网络，使得智能家居中各家电具有更大的灵活性及流动性。

无线网关通过WiFi模块与平板电脑进行通信，使得控制起来可以灵活自如，不受拘束。

通过平板电脑Android系统下家电控制软件生动逼真的控制界面对相应的家电进行操控、组织管理和状态监控，更使得家居生活变得简单、快捷和充满乐趣。

1、无线网关总体设计和智能家居控制系统工作机理

1.1智能家居无线网关的总体设计

无线网关是整个智能家居控制系统的数据中转站和沟通媒介，是整个系统设计的关键。

该无线网关以STM32为控制核心，主要分为5个模块，分别是WiFi模块、RF模块、中央控制器模块、电源模块、JTAG仿真调试模块。

其结构如图1所示。

由于该网关采用了两种通信技术，为保证数据流流动过程中数据流流向的正确性以及数据的准确性，该网关分别对WiFi模块通信和RF模块通信设计了相应的通信协议和控制命令编码。

图1智能家居无线网关总体架构图

Fig.1Intelligenthouseholdwirelessgatewaygeneralframeworkmap

1.2智能家居控制系统的工作机理

如图2所示，平板电脑Android系统上的家电控制软件，当其相应的家电控制界面上对应功能的虚拟按键一经触发，便通过其自带的WiFi模块下发对应功能的编码命令。

与此同时，STM32主控芯片也通过WiFi模块接收相应的控制命令编码，并在内部经过协议转换和数据处理后，再传输给RF模块（主），RF模块（主）同样按照相应的协议标准对数据编码进行必要的处理后[1]，发射给对应家电的RF模块（从），当对应家电上的RF模块接收到正确的控制命令编码后，便可以通过家电控制器来控制家电执行相应的操作。

同时，STM32控制器也会定时的通过RF模块来查询所有联网家电的状态，如果某一款家电的状态发生了改变，当STM32接收到新状态后也会经过数据处理和协议转换，及时的通过WiFi模块反馈到平板电脑上进行显示，这样一来就达到了智能家居中，家电控制器集中管理、控制器位置不受拘束、灵活多变、家电状态实时监控的目的。

图2智能家居控制系统总体架构图

Fig.2Intelligenthouseholdcontrolsystemframeworkmap

2、智能家居无线网关硬件平台的设计

无线网关所涉及到的硬件部分主要包括主控芯片STM32、RF模块、WiFi模块、电源模块等。

对主要模块的硬件组成以及通信机制介绍如下：

2.1主控芯片

该网关主控芯片选用STM32F103C8T6，是ST公司生产的基于Cortex-M3内核的ARM处理器，48pin,最高主频达72MHz，拥有64K的FLSAH、20K的SRAM、1个高级定时器、3个通用定时器、1个DMA控制器、2个串行外设接口（SPI）、3个通用同步异步收发器（USART）、模拟/数字转换（ADC）等等，外设种类齐全、功能强大，特别是可以通过RCC对外设时钟进行管理，来达到低功耗的目的[7]。

STM32是整个网关的核心，作为整个网关的控制管理者和各模块间协调工作的调度者。

2.2RF模块

RF模块主要由PIC16F726单片机和通用ISM频段收发器SI4421构成。

STM32通过寄存器配置，把自身的SPI外设配置为主模式，并遵循预先制定的协议通过SPI向RF模块发送编码数据。

在RF模块中，PIC16F726单片机自身的SPI被配置为从模式，用来接收由STM32发送过来的编码数据，进行处理后再通过模拟SPI通讯发送给SI4421，SI4421再通过已设定的频段对外发射控制命令[2]，对应家电控制器上的RF模块一经接收到控制命令，便会通过家电控制器来控制家电执行相应的操作。

2.3WiFi模块

WiFi模块选用的是WIZ610wi，最大可达25Mbps的数据流传输，频率范围为2.412~2.485GHz，支持串口到无线的应用，提供RS-232C或以太网到IEEE802.11b/g的无线通信的桥接。

任何具有RS-232C接口和以太网接口的设备都可以很容易地建立起无线网络，实现远程管理和控制。

无线网关通过串口（USART）来把WiFi模块接收到的编码数据传输到STM32内部数据寄存器，并通过DMA加快数据流的流动，使接收到的编码数据及时的处理并通过RF模块发送出去[3]。

家电的反馈状态也可以通过DMA快速的传输给串口（USART），并通过WiFi模块反馈给平板电脑显示。

3、智能家居无线网关软件平台的设计

网关的软件平台是整个网关设计上的重点、难点与核心，是作为整个网关数据处理的载体。

软件主要涉及到一些模块间的通信及数据流的协议转换方面的工作。

3.1网关无线编码协议简介

为了达到无线控制家电的目的，在设计该网关的同时，我们特别定义了无线编码协议标准。

如表1所示，起始代码和公司编号都是为了确定接收或者发送的编码是否有效，产品编号决定具体是哪一款家电，消息体类型分为“00”（查询）和“11”（控制），决定了接收或者发送的10Byte是作为控制家电执行相应操作还是返回目前的状态。

最后一个Byte是校验位，是前9个Byte的异或，用于校验接收或者发送的数据是否在传输过程中出错[4]。

其他位分别代表家电的状态控制

1byte

7~4位

3~2位

1~0位

起始代码

公司编号

产品编号

产品个数

消息体类型

产品状态

3~0位

7~6位

5~0位

产品功能

无线发射次数

校验码

表1无线协议编码表

Table1Wirelessprotocolcodelists

3.2网关软件所涉及的外设及其中断

STM32外部拓展的WiFi模块与STM32芯片通过串口（USART）进行通信，并采用DMA进行数据的传输。

编码数据采用DMA接收中断进行接收，接收到的数据经过处理后，通过SPI接收中断进行发送。

所有这些操作都在通用定时器（TIM2）的定时中断所设定的标志位下完成。

即定时器中断为0号抢占优先级，相应的SPI接收中断为1号抢占优先级、DMA接收中断为2号抢占优先级。

3.3无线网关软件总体工作流程

每款家电的状态查询或状态改变都是由上述无线编码表的10Byte组成，N款家电即为（N*10）Byte。

我们把这（N*10）个数据放在Based[（N*10）]的一位数组里面，并在初始化的时候为其赋入一个可以对每一款家电进行状态查询的（N*10）Byte个有效的数据[5]。

当网关在没有接收到平板电脑通过WiFi发下来的家电控制编码数据的时候，将通过SPI与RF模块通信[6]，每隔500ms查询一下家电状态是否由于人工手动控制物理按键而改变。

若发生改变，则设置对应家电的标志位。

并通过WiFi模块把状态发生改变的家电对应的10Byte反馈给平板电脑，及时更新显示。

当网关接收到平板电脑通过WiFi模块发下来的家电控制编码数据的时候（注：

每一次只能改变一款家电的状态），网关通过数据处理，把原有家电所在数组位置的10Byte覆盖[7]，仍然通过判断500ms标志位，进行数据传输和无线发送，来及时的改变对应家电的状态[8]。

这里当SPI有数据传输，也即RF模块有数据发送的时候，LED指示灯会通过快速闪烁来进行提示。

具体的软件工作流程如图4所示。

图4网关软件总体流程图

Fig.4Gatewaysoftwareoverallflowchart

3.4RF模块软件总体工作流程

如图5所示，RF模块接收到STM32通过SPI发送过来的的控制命令编码后，在SPI数据接收处理函数中，首先要对对接收到的N*10Byte（即N款家电，每款家电数据编码占用10Byte）编码数据进行处理[9]，由于每一次通过平板电脑的家电控制界面只能对某一款家电进行操控，所以只允许一款家电的控制数据中的消息体类型为“11”。

通过循环判断那一款家电的消息体类型为“11”，就只保留该款家电控制数据的10Byte，其他数据全部舍弃[10]。

接着，判断这10Byte数据的产品编号是否是0xFF,若是则证明该组数据是用来控制家电全开全关的，否则该组数据是用来控制具体的某一款家电的。

经过上面的处理之后，数据将被传输给无线发送和家电状态反馈接收函数，在这个函数中，将根据前面对应的情况进行数据的发送和对应的家电状态的接收[11]。

若该10Byte是用来控制某一款家电的，那么通过无线发送后，RF模块将等待对应家电把它的状态反馈回来，来证明接收控制命令成功，否则，RF模块将继续向其发送控制数据，直到到达6s时长，即证明该家电离线[12]。

若该10Byte使用来控制所有家电的全开或者全关的，RF模块发送完控制数据后，将要等待这N款家电的状态反馈，其中某一款家电离线不会影响整个家电网络数据的反馈过程。

图5RF模块程序流程图

Fig.5RFmodulesprogramflowchart

4、无线网关样机

图6无线网关样机图

Fig.6Wirelessgatewayprototypefigure

5、结语

本文提出了一种嵌入式无线网关设计与实现方案，该网关采用低功耗的STM32位核心，通过WiFi模块与平板电脑通信，来接受控制命令和反馈家电状态。

通过RF模块对各个家电进行无线遥控和状态查询。

整个网关实现了对家电控制器的集中管理、家电状态的实时监控以及家电的远程遥控。

实验表明，该网关性能稳定、控制灵敏、抗干扰性强，协议转换效率高，同时具有很好的通用性，非常适合在只能家居系统中应用。

6、参考文献

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[12] 秦宏武，一种智能家居无线网关系统的研究与实现，硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2005

联系人：

王超，联系电话：

15220218936邮箱：

通信地址：

广东省广州市广州大学城广东工业大学工学一号馆713室邮编：

510006

作者简介：

1、王超、男、1986、学士学位、在读硕士研究生、研究方向：

嵌入式系统及其智能控制。

2、郑魏、男、1980、硕士学位、硕士学位、瑞德电子实业有限公司副总裁、研究方向：

物联网家电（电子信息）

3、骆德汉、男、1958、博士学位、博士学位、教授、博导、广东工业大学信息工程学院常务副院长、研究方向：

嵌入式控制系统及仿生嗅觉。

4、姚长标、男、1979、硕士学位、硕士学位、瑞德电子实业有限公司研发中心副主任、电子控制中心主任、研究方向：

物联网家电

5、廖中原、男、1983、学士学位、学士学位、瑞德电子实业有限公司电子控制中心嵌入式组项目经理、研究方向：

基于ARM嵌入式的智能家庭中控系统。

课题来源：

2011年省现代信息服务业发展专项资金（物联网家电关键技术研发及应用示范）

公司项目编号：

RD20120303003