以STM32单片机为控制核心的无线安灯实验系统开发

　　摘要：为促进自动化专业学生掌握网络通信技术并提高实践动手能力, 设计了基于STM32单片机的无线安灯实验系统, 完成了刷卡、数字量I/O、Wi-Fi通信等硬件与软件设计。该实验系统能够完成现场信息的采集、传输, 能够接收、执行服务器的指令。通过该实验系统的设计, 使学生能够综合运用无线通信技术、微机原理与接口技术、计算机控制技术, 培养实践动手能力。

　　关键词：Wi-Fi无线通信; 安灯系统; STM32单片机; RFID射频模块;

　　Abstract：In order to promote the automation major students to master the network communication technology and improve their practical ability, a wireless Andon experimental system based on STM32 SCM is designed, and the design of the hardware and software for the credit card, digital I/O, WiFi communication, etc., is completed.This experimental system can complete the collection and transmission of the field information, and can receive and execute the instructions of the server.Through the design of this experimental system, students can comprehensively use the wireless communication technology, microcomputer principle and interface technology and computer control technology, which is helpful to cultivate their practical ability.

　　Keyword：WiFi wireless communication; Andon system; STM32 SCM; RFID radio frequency module;

　　为帮助自动化专业的学生掌握好网络通信技术, 笔者设计了一个无线安灯实验系统, 以便学生掌握相关知识, 提高实践动手能力[1-3]。

　　安灯系统是一种现代企业的信息管理工具, 主要用于收集生产线上物料、设备、异常等信息, 送入信息管理系统服务器进行统计、分析和处理, 从而实现生产现场信息透明化[4-5]。该系统采用有线和无线两种方式实现信息收集, 其中无线方式减少了现场布线, 在使用中更为灵活、方便[6]。

　　目前, 很多现代制造企业都建立了基于Wi-Fi的厂区无线通信网络[7-11], 无线射频等技术也得到广泛应用, 这为建立无线安灯系统提供了必要条件。文献[12]给出一种基于Wi-Fi的安灯系统设计方案, 但并未给出具体设计;文献[13]给出了一种基于单片机的车位检测实验系统设计, 包括具体软硬件设计, 但使用的STC89C52单片机内存、串口等资源较少, 功能简单, 不便于进行软硬件的扩展;文献[14]给出一种基于MF-RC500的射频交通卡读卡器设计, 给出了射频模块的硬件设计, 但未给出软件方面的设计。

　　笔者针对安灯系统的实际应用, 完成基于STM32单片机的无线安灯实验系统的硬件、软件设计, 实现基于Wi-Fi网络环境的信息传输。

　　1、实验系统方案设计

　　基于STM32单片机的无线安灯实验系统的主要组成部分包括: (1) 按钮和刷卡模块输入; (2) STM32单片机及其外围电路; (3) Wi-Fi无线通信; (4) 继电器输出; (5) PC端上位机。系统结构如图1所示。

　　系统工作原理是:故障提报人通过刷卡模块确认“身份有效”后, 通过按钮将错误信息提报给单片机;单片机通过输出通道控制三色灯亮灭。在这一过程中, STM32单片机通过Wi-Fi模块实现与PC端通信。

图1 安灯系统结构图

　　2、实验系统硬件设计

　　本实验系统的主要硬件设计包括RFID刷卡部分、数字量I/O部分、Wi-Fi无线通信部分和系统电源部分的硬件设计。

　　2.1、RFID刷卡部分硬件设计

　　本实验系统使用RFID-RD522射频模块。RFID-RD522是一种非接触式读取IC卡的刷卡模块[15], 该模块由控制单元、EEPROM存储单元、高速RF接口和绕线线圈天线组成。刷卡部分的工作原理是:读写器向IC卡发1组固定频率的电磁波, 在电磁波的激励下, IC卡将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。RFID-RD522与STM32单片机之间采用SPI通信协议。RFID-RD522的接口电路设计如图2所示。其中接口1—接口4与STM32的SPI2的4个数据接口NSS、SCK、MOSI、MISO相连接。

图2 RFID-RD522刷卡模块接口电路

　　2.2、数字量I/O部分硬件设计

　　I/O口输入部分主要指按钮信息的输入。本实验系统用到5个按钮, 电路设计的任务是将每个按钮“按下”的信息转化为电平信号, 并通过I/O口传给STM32单片机以便进行下一步操作。本实验系统按钮输入部分的硬件电路如图3所示。

　　在数字量输出接口硬件设计中, 用3个继电器的通断分别控制三色灯的亮灭。而继电器的通断由STM32单片机I/O口输出的电平信号来控制。其中控制红灯亮灭的数字量输出接口电路如图4所示。

　　图4中的OP5为达林顿输出光耦TLP127, 需满足输出端电流IC与输入端电流IF之比IC/IF≥5。已知IC max=150mA (满足继电器电流驱动条件) , 则IF≤30mA。取输入IF=10mA时, TLP127输入端固有电阻R=115Ω。输入端根据欧姆定律得到如下不等式:

图3 按钮输入部分硬件电路设计

图4 控制红灯亮灭的数字量输出接口电路

　　求得:R24≥215Ω, 这里取R24=1kΩ。

　　2.3、Wi-Fi无线通信部分硬件设计

　　本实验系统使用ESP8266实现Wi-Fi通信功能。该模块内置TCP/IP协议栈, 能够实现串口与Wi-Fi之间的转换, 从而实现与单片机之间的通信。ESP8266模块支持STA、AP和STA+AP等3种工作模式, 本实验系统选用STA工作模式。

　　在STA模式下, ESP8266模块通过路由器连接互联网, 电脑通过互联网实现对设备的远程控制, 其接口的设计如图5所示。图5中接口3与STM32单片机串口3的RX相连, 接口4与STM32单片机串口3的TX相连。

图5 Wi-Fi模块接口电路

　　2.4、系统电源部分设计

　　电源部分的设计采用两个原则: (1) 减少电源输出电压波动, 避免给工作模块带来干扰; (2) 输出的电量能满足各个模块的用电需要。本实验系统采用电源隔离来减少干扰:电源部分采用隔离电源模块, 输入输出部分采用光耦来进行电源隔离。

　　电源隔离后向刷卡模块、Wi-Fi模块和STM32单片机供电, 需要的电压均为3.3V, 工作时能达到的峰值电流分别为30mA、200mA和150mA。要使所有的模块正常工作, 供电电流至少为所需要电流的2倍, 即电源模块至少能输出760mA的电流。本实验系统采用12V转3.3V的隔离稳压模块, 其功率为5 W, 输出电流为1.5A, 满足上述要求。电源部分电路设计如图6所示。

图6 电源部分电路图

　　使用Altium Designer对每部分硬件电路进行原理图设计, 并将原理图导入成PCB图, 经过布板、布线并进行覆铜后在3D视图下查看效果, 如图7示。

图7 安灯系统PCB板

　　3、实验系统软件设计

　　本系统软件设计使用结构化C语言编程, 主要包括:RFID刷卡部分、Wi-Fi无线通信部分。整个系统的工作流程如图8所示。

图8 系统工作流程图

　　3.1、RFID刷卡部分软件设计

　　刷卡模块与STM32单片机之间采用SPI通信, 因此在模块初始化时要进行SPI的初始化, 然后进行模块的软件复位, 之后刷卡模块会扫描感应区内所有符合14443A标准的卡。

　　当刷卡模块扫描到有效IC卡时, 会返回字符串“MI_OK”, 进而进行下一步读取卡号的操作, 将读取的卡号进行奇偶校验, 校验成功后刷卡模块会将卡号通过SPI通信传给单片机, 单片机通过串口通信传给Wi-Fi模块, 通过Wi-Fi模块发送卡号。RFID刷卡部分软件设计的流程如图9所示。

图9 RFID刷卡部分软件设计流程图

　　3.2、Wi-Fi无线通信部分软件设计

　　先进行Wi-Fi模块的初始化和串口3的初始化, 然后STM32单片机通过串口检测Wi-Fi模块是否在线。确认Wi-Fi模块在线后, 使用“AT”指令将Wi-Fi模块设置为“Wi-Fi STA”模式, 并将传输方式设置为透传方式。同样用“AT”指令, 将模块复位, 设置要连接目标路由器的IP地址和密码。Wi-Fi模块与目标路由器连接成功后, 可进行下一步操作。Wi-Fi无线通信部分的流程如图10所示。

图10 Wi-Fi无线通信部分流程图

　　无线传输就绪后, 单片机通过串口将数据帧传给Wi-Fi模块, Wi-Fi模块再通过网络将数据帧传给服务器。反向传输同理。传输的数据帧包括帧头、设备号、指令码和状态码4部分, 如表1所示。

表1 数据帧举例

　　4、实验结果

　　使用装有网络调试助手的PC机作为服务器, 测试安灯实验系统的有效性。无线传输的帧结构为帧头A10011, 设备编号01-99, 状态信息, 亮灯信息, 故障信息等, 可以根据需要扩展。

　　表1中第一条指令是服务器发送握手指令, 帧头为A100011, 设备号为05, 指令码05表示设备上电与服务器握手交互状态。

　　第二条指令是服务器收到设备的握手指令返回给设备的信息803, 803表示此时服务器希望亮起绿灯。

　　第三条指令设备号“05”后面表示卡号, 设备读取卡号将此条信息上传给服务器。然后服务器校验卡号通过后, 提报人可以按下按钮。

　　下一条指令为设备将第一个按钮按下的信息上传给服务器。再后面的指令信息分别是服务器命令设备依次亮起红灯、黄灯、绿灯的信息。图11为网络调试助手指令传输界面。图12为设备亮起绿灯的实物图。

图11 安灯系统网络调试助手界面

图12 安灯系统实物图

　　5、结语

　　基于STM32单片机设计的无线安灯实验系统已在创新实践环节中应用, 在山东科技大学自动化专业实施, 使学生既掌握了新知识, 又综合应用了微机原理与接口技术、计算机控制技术等课程的相关知识, 达到了培养学生实践能力的目的。

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