單片機控制的智能開關總體方案設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22901單片機控制的智能開關總體方案設計案例 126551.1整體設計分析 1118421.2涉及主要技術 2318831.2.1藍牙技術 232081.2.2WiFi技術 3127891.2.3微信小程序 4122051.2.4MQTT協(xié)議 5250811.3整體設計結構 6103451.4小結 7整體設計分析智能開關是傳統(tǒng)開關發(fā)展的一個標志性產(chǎn)品，它結合了電子技術、計算機技術、通信技術等多種技術，通過外部設備（手機等）實現(xiàn)遠程控制功能，從而提高家居生活的便捷性。本論文在設計中主要存在三個問題：（1）如何在免拆線布線的前提下實現(xiàn)“普通開關”向“智能開關”的改造升級？（2）選擇哪幾種或者幾種相結合的通信方式可以達到最佳的通信效果？（3）控制端APP的設備兼容性問題，即如何在多部設備中運行同一款控制軟件？針對第1個問題，要在免拆線布線的前提下完成改造升級，一種方案是控制器覆蓋安裝在開關面板上，另一種方案是控制器安裝在開關面板的一側。對于第一種方案，若控制器覆蓋安裝在開關面板上，則需要借助伸縮臂來模擬完成人的開關動作，這種方式固然有它的優(yōu)點，比如占用空間小，美觀度高，不過它的缺點也很明顯，就是在控制模塊允許的電壓范圍內，很難找到體積較小且推力較大的伸縮電機或推拉式電磁鐵，若選用功率較大的伸縮電機或推拉式電磁鐵，勢必會影響到功耗問題，還有控制器覆蓋在開關面板上后，會影響到開關面板原始的觸發(fā)功能，容易本末倒置。對于第二種方案，若控制器安裝在開關面板的一側，可借助舵機的擺臂旋轉來模擬人的開關動作，而且在電壓允許的范圍內，對于舵機的選型也較為方便，另外還可以通過軟件上的改進不影響到開關面板原始的觸發(fā)功能。所以在控制器安裝方式上選擇第二種方案即安裝在開關面板的一側。針對第2個問題，可以采用兩種不同的通信方式相結合解決這個問題。在沒有局域網(wǎng)覆蓋的場景下選擇藍牙的通信方式，在有無線網(wǎng)絡覆蓋的場景下選擇WiFi的通信方式。目前這兩種通信方式可滿足在大多數(shù)場景下的信息交互。針對第3個問題，目前的移動終端操作系統(tǒng)主要分為兩大陣營，即Android陣營和iOS陣營，兩種系統(tǒng)并不互通，若想在兩種系統(tǒng)中運行同一款控制端APP，可以使用微信小程序進行APP的開發(fā)，但由于在微信小程序制作上知識儲備不足，所以借助“我的硬件”微信小程序進行二次開發(fā)作為控制端APP。涉及主要技術本小節(jié)將對智能開關面板控制器在設計中用到的主要技術進行介紹。藍牙技術（1）簡要介紹我們都知道Bluetooth，因為它對我們生活的影響是巨大的，從智能手機到耳機等。我們依靠Bluetooth技術將我們從有線的束縛中解放出來。這個名字可以追溯到一千多年前的哈拉爾德國王，他因兩件事而聞名。第一件事是958年他統(tǒng)一了由于宗教戰(zhàn)爭和領土爭議而分裂的丹麥和挪威，第二件事是他死后，牙是藍色的，所以得到了一個綽號Bluetooth……1996年，英特爾、愛立信和諾基亞三家行業(yè)領導者開會，計劃將這種短距離無線電技術標準化，以支持不同產(chǎn)品和行業(yè)之間的連接與協(xié)作。在這次會議上，來自英特爾的JimKardach建議使用Bluetooth作為臨時代號。后來有人引用Kardach的話說：“哈拉爾德國王因統(tǒng)一斯堪的納維亞半島而聞名于世，正如我們打算用Bluetooth來統(tǒng)一PC和手機行業(yè)一樣?！焙髞恚斝枰x擇一個正式名字時，發(fā)現(xiàn)Bluetooth已經(jīng)在業(yè)界傳開了，由此“Bluetooth藍牙”便成為短距離無線技術的代名詞。（2）技術選型當前最新的藍牙版本為5.2，相比之前的版本，它帶來了速度更快，傳輸距離更遠的優(yōu)點。但綜合考慮產(chǎn)品的價格以及對藍牙通信的技術要求，在本設計中選擇了藍牙4.0版本。藍牙4.0發(fā)布于2010年6月，是3.0的升級版，是2012年最新的藍牙版本。相比3.0版本，其在功耗、效率、可靠性、安全性等各個方面均有了很大提升，這使得藍牙技術的應用場景更加廣泛。藍牙4.0技術集三種技術于一身，分別是傳統(tǒng)藍牙技術、高速藍牙技術和低功耗藍牙技術。這三種技術可以單獨使用，也可以組合使用。其中藍牙4.0技術的核心內容是低功耗藍牙技術BLE（BluetoothLowEnergy）。當時的設計預期是使用一粒紐扣電池就可以運行數(shù)月甚至數(shù)年，如此低的待機功耗和穩(wěn)定的無線連接特性，讓藍牙4.0技術在物聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)展迅速。（3）功能特性①功耗低。藍牙4.0技術延續(xù)了之前的Wibree標準，運行功耗和待機功耗都非常低。②傳輸速率高。藍牙4.0版本支持非常短的資料封包，傳輸速率最高可達1Mb/s。③聯(lián)機速度快。藍牙4.0版本僅需要3ms就能完成聯(lián)機的建立，大幅縮短了聯(lián)機時間。④傳輸距離適中。藍牙4.0版本的標準有效傳輸距離是100米，在復雜環(huán)境下，傳輸距離可能會變短一些。基于以上特性，藍牙非常適合作為控制器的近距離通信方式，無論是從它的功耗低，還是傳輸速率高、聯(lián)機速度快、聯(lián)機速度快、傳輸距離適中等特性，都會為在進行產(chǎn)品設計時提供便利。WiFi技術（1）簡要介紹20世紀90年代，澳大利亞的一家研究機構CSIRO發(fā)明了WiFi，并于1996年在美國申請了專利。1999年WiFi被IEEE認定為世界上最好用的無線網(wǎng)絡技術，隨后開始應用于無線通信網(wǎng)絡。WiFi這個詞被大多數(shù)人誤解為WirelessFidelity，甚至WiFi聯(lián)盟自己也經(jīng)常在新聞和文件中使用“WirelessFidelity”這個詞。實際上，WiFi這個詞并沒有特殊含義，也不存在全拼的英文單詞。（2）技術選型目前WiFi通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射頻頻段。2.4GHz頻段的WiFi也被稱為第四代WiFi，5GHz頻段的WiFi一般被稱為第五代WiFi。兩種頻段相比，采用2.4GHz頻段的WiFi信號頻率較低，傳播距離更遠，但目前的大多數(shù)無線設備均使用2.4GHz頻段，包括無線鼠標、無線鍵盤等，這就造成了信號的干擾問題。采用5GHz頻段的WiFi具有更高的無線傳輸速率，且干擾少，網(wǎng)絡穩(wěn)定，但其由于頻率較高，信號衰減大，覆蓋距離相比2.4GHz頻段的WiFi較小。綜合考慮產(chǎn)品的價格以及對WiFi通信的技術要求，在本設計中選擇了兼容性更高的2.4GHz頻段WiFi。（3）功能特性①功耗更低。2009年，IEEE802.11行業(yè)標準發(fā)布了802.11n標準，在功耗方面處于領先水平。②傳輸速率更高。與藍牙1Mb/s相比，WiFi的理論傳輸速率可達到11Mb/s，如果使用了802.11n協(xié)議，則理論傳輸速率可以達到600Mb/s。③安全性更高。802.11w標準已獲得IEEE的認可，它可以保護無線管理框架，使無線鏈路更好地工作。④信號穩(wěn)定性更高。支持802.11n的無線芯片具有更高的穩(wěn)定性，這大大提高了信號的可靠性。綜上所述，WiFi可以擺脫通信距離的限制，只要在無線網(wǎng)絡覆蓋條件下就能實現(xiàn)遠程控制，大幅提高了控制器的使用便捷性，使應用場景更加廣泛。微信小程序（1）簡要介紹隨著移動智能終端的普及，以及人們對工作、生活、娛樂等方面日益增長的需求，各種移動應用APP誕生。但安裝太多的應用程序會占用較大的內存，手機的容量也會變得緊張，運行速度也會變慢。同時，APP本身的升級和下載也在消耗手機的帶寬和系統(tǒng)資源，導致APP的日益豐富與手機運行速度之間的矛盾日益突出。2016年，微信針對這一問題提出了小程序的解決方案。微信小程序簡稱小程序，英文名為MiniProgram，是一種不需要下載安裝即可使用的應用。簡而言之，小程序是運行在微信內部的應用程序。它不需要像APP一樣在移動應用市場下載、安裝、注冊或卸載，只能在微信內部打開，但可以擁有與APP相同的用戶體驗。（2）技術選型在本設計中，參照技術要求，在控制APP上不需要太多的邏輯處理，所以選用微信小程序比傳統(tǒng)APP更具有優(yōu)勢。（3）功能特性①成本更低。小程序大大降低了開發(fā)運營成本，在場景中的推廣使用率也更高。②流暢度更高。小程序重在用戶體驗，正在逐步補充其不足點，基本不會出現(xiàn)卡頓、延時、加載慢、授權不足等問題。③適用度更高。若選用APP進行設計，則需要針對每一種操作系統(tǒng)進行單獨開發(fā)，而選用小程序進行開發(fā)就不存在這個問題。④推廣度更高。提前在設備上印制小程序碼，通過掃碼快速進行遠程控制連接。MQTT協(xié)議（1）簡要介紹MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）是IBM開發(fā)的一個即時通訊協(xié)議。它是一種基于發(fā)布/訂閱模型的“輕量級”通信協(xié)議，建立在TCP/IP協(xié)議之上，專為有限的設備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡而設計。除了一對一的消息傳輸外，它還可以進行一對多和多對一的消息傳輸，即當一個數(shù)據(jù)源發(fā)布一條消息時，多個接收者可以同時接收該消息。這樣一來，物聯(lián)網(wǎng)的許多場景將會變得更加靈活。（2）技術選型在本設計中，參照技術要求，在WiFi模式下使用MQTT通信協(xié)議，在通信中，微信小程序、硬件都屬于MQTT客戶端，其關系圖如2-1所示。MQTT設備關系圖（3）功能特性①低協(xié)議開銷?？捎糜趷毫拥木W(wǎng)絡環(huán)境，在嵌入式設備中，傳輸數(shù)據(jù)越少，功耗越低。②發(fā)布/訂閱交互方式?？梢约皶r將消息傳遞給客戶端。③平臺支持廣?？蛇m用于各種處理能力較弱的單片機，同時支持在不同平臺上進行開發(fā)。④服務器支持連接數(shù)多。在HTTP服務器上，維護數(shù)百萬并發(fā)連接需要大量工作，而MQTT相對簡單。整體設計結構整個智能開關面板控制器分為STM32主控芯片、藍牙模塊、WiFi模塊、充放電模塊、舵機模塊、狀態(tài)指示燈（包括系統(tǒng)LED燈、使能LED燈、RGB模塊）以及外圍輔助電路七個部分。STM32主控芯片是系統(tǒng)的核心處理器，藍牙模塊和WiFi模塊負責信息交互通信，舵機模塊負責模擬人的開關動作，狀態(tài)指示燈進行系統(tǒng)狀態(tài)顯示，充放電模塊負責整個系統(tǒng)的供電，外圍輔助電路則與STM32主控芯片構成最小系統(tǒng)。把它們合理的組合在一起，加以軟件設計，并使用手機等移動終端進行交互，便實現(xiàn)了智能開關面板控制器的功能，整體示意圖如圖2-2所示。控制器整體示意圖其具體使用步驟如下：Step1：小程序控制界面上的相應控制按鍵一旦觸發(fā)，在藍牙模式下，對應編碼會直接發(fā)送給藍牙模塊，在WiFi模式下，對應編碼會通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到服務器，服務器再發(fā)送給WiFi模塊；Step2：藍牙或WiFi模塊通過串口把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32主控芯片，STM32主控芯片會對收到的數(shù)據(jù)進行解析并處理，