基于WiFi网络的智能冰箱控制系统

PAGE18学位论文独创性声明本人郑重声明：坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名：

基于WiFi网络的智能冰箱控制系统摘要无线局域网技术随着社会经济的快速发展，该技术的无线终端现在已经融入了我们的日常生活中，不论是手持终端还是PC机，WiFi功能基本上是不可或缺的。不过现在WiFi技术主要还是应用于手持终端，但随着社会对于WiFi技术的需求越来越广泛，如工业控制，民用家庭办公等也需要WiFi技术的应用，这样便产生了不同形式的应用终端。为了适应物联网的发展及国家的号召，所以本次开发并实现为基于一种嵌入式开发平台STM32的WiFi模块，本次论文首先讲述了基于M3的嵌入式开发技术，这款单片机支持WIFI协议，通过该芯片厂商提供的WIFI协议编写程序，进行WIFI在嵌入式设备上的移植。根据最后毕业设计硬件和软件的调试，基本满足初期本次设定的预定目标。关键词：STM32；WiFi；单片机；路由；网络

DesignofIntelligentHomeFurnishingControlSystemAbstractWirelessLANtechnologywiththerapidsocialandeconomicdevelopment,thewirelessterminaltechnologyisnowintegratedintoourdailylives,whetheritisaPCorhandheldterminal,WiFifunctionisbasicallyindispensable.ButnowtheWiFitechnologyismainlyusedinhandsets,butwiththesocialneedsofWiFitechnologyformoreextensive,suchasindustrialcontrol,homeofficeandothercommercialapplicationsalsorequireWiFitechnology,thiswillproducedifferentformsofapplicationterminal.

Inordertomeetthecountry'sdevelopmentandcalledonthings,sothisdevelopedandimplementedasanembeddeddevelopmentplatformbasedontheSTM32WiFimodule,thispaperfirstdescribestheM3basedembeddeddevelopmenttechnology,thissingle-chipsupportWIFIprotocol,programmingthechipvendorsviaWIFIagreementWIFItransplantperformedonembeddeddevices.Accordingtofinallygraduatedesignhardwareandsoftwaredebugging,basicallymeettheintendedtargetearlyinthesecondset.Keywords:STM32;WiFi;SCM;routing;Network

目录摘要 IIAbstract III目录 IV第一章引言 51.1研究背景及意义 51.2研究现状综述 51.3本课题的研究内容 6第二章系统方案的设计 72.1方案的论证 72.2系统构成 7第三章系统硬件电路的设计 93.1供电电路的设计 93.2单片机电路的设计 93.3WiFi模块电路的设计 103.4控制电路的设计 113.5串口电路的设计 12第四章系统软件的设计 134.1Keil开发环境 134.2WiFi模块驱动 134.3系统控制电路的编程、 144.4系统效果分析 14总结 16致谢 17参考文献 18第一章引言随着物联网的深入发展，智能化的设备出现在我们生活的各个方面，我们都开始看到了智能化的身影，这使我们的生活方式产生了巨大的变化。人们日益增长的物质需求强制推动着智能家居的发展，我们需要将我们的整个居住水平提高到物联网的状态，并能够通过集中控制方案对被控设备进行远程或者近距离控制。1.1研究背景及意义随着人们日益增长的物质文化水平的增长，人们对家居环境的要求越来越高。任何事物都趋于智能化发展，在生活的各个方面，我们看到了越来越多的智能设备。物联网这个概念的推出，将会推动整个智能化社会的发展，我们的居住环境随着智能网的发展不断提高。物物联网，不仅仅是概念，通过我们不断的学习和研究，我们可以亲手打造属于我们自己的物联网时代。1.2研究现状综述国外，早在1999年，美国便提出了第一个关于物联网的概念——传感网。顾名思义，传感网就是感知技术建立的网络。在短短的几年内，国际相关组织也发布报告提到了物联网的相关概念。物联网可以通过射频技术、传感器技术、嵌入式系统等广泛运用，并且所有的物体因为internet的存在进行了主动交换。当处于物联网时代，任何的日常用品使用嵌入式设备进行联网后，都可以接收远程或者局域网的接收。奥巴马担任总统不久，他与美国工商界的相关负责人举行会议，其中IBM的作为代表公司之一，提出“智慧地球”的概念，该概念的实施为物联网的快速发展带来决定性的推动作用。建议政府支持智慧型基础设施的建设。该方案就是将各行各业都通过先进的互联网技术整合到一个平台，将传感器装备到各行各业的设备当中去，应用比较广泛的行业，目前为智能电网的智能抄表业务、交通行业的智能导向分流等等，运用“智慧地球”这个概念逐渐将各行各业带向物联网时代。国内，我国目前关于智能家居的定义基本化为四个部分：计算机等嵌入式设备、网络通讯手段、自动化控制设备、非接触射频卡。通过对设备联网的操作，将设备组成一个大型的局域网。在局域网内，每个设备的信息可以通过软件来访问，并通过网络来进行控制。目前结合互联网逐渐将局域网的智能设备带到了物联网的范畴内。具体的实施方案就是将现有的各行各业的服务通过技术手段整合到一个平台。比如，将小区的安防和用户住宅信息以及物业信息联系到一起，无需多个平台操作，可以通过简单的系统界面都可以操作，使我们的家居环境更加智能化。1.3本课题的研究内容通过对物联网概念的理解，要达到物物联网，无非需要的是底层硬件和网络协议。而联网的方式分为有线和无线，目前人们大多研究的方向为有线物联网方案，不过这个方案需要经过复杂的布线施工，不是所有的场合和环境都适合这种方案。所以我们开始寻求另一种方案——无线控制。因此本次毕业设计一款基于WiFi网络的智能冰箱控制系统。通过本系统我们可以使用无线网络来对一些设备进行控制，而不仅仅只是针对冰箱的控制，通过对软件和硬件的简单修改，便可以使用于其他场合。

第二章系统方案的设计2.1方案的论证方案一：使用计算机作为控制设备，通过串口将各个子设备进行组网。通过计算机上的软件编程和各个设备通过串行协议上传的数据进行分析判断、进行上位机的报警提示和对下位机的命令传送。该方案中主要构成设备为计算机、使用RS485或者RS232协议的底层设备。该组网方案比较简单，生产使用该协议的厂商非常多，无需自己研发该产品。不过本方案使用成本非常高，对软件的编程要求也非常的严格，每个总线上的组网设备不能超过256个。所以我们需要大量的拓展模块来添加可控设备的数目。方案二：系统中所有的数据采集及系统核心处理模块都使用嵌入式设备，该方案中，使用低级的单片机（MCU）来进行传感器的数据采集功能，核心处理模块使用高级的ARM处理器，通过触摸液晶屏进行数据参数的显示，并能够通过触控设备进行命令的写入和设置。该方案通讯协议可选性比较大，可以选择几乎所有的协议，设备的成本比较低，单个数据采集模块的软件和硬件的设计都非常简单。但是该方案中全部使用单片机作为控制器，安全性和稳定性都达不到一定的标准，系统的整体性能可能会存在一些问题。方案三：使用STM32作为控制器，进行数据的采集和分析。每个控制模块都可以作为服务器和客户端，根据我们的使用需求，我们可以随时切换它的工作模式。在服务器模式，我们通过网络设备登录该“服务器”进行数据的查询和系统参数的预览。在客户端模式，本模块主要工作在数据的采集分析和判断，并通过网络向服务器发送我们设定的参数。该方案移植性较强，系统的构成较为简单，单个或者N个模块都可以组成一个网络，只不过网络容量大小不同，所以我们针对不同的使用环境，可以用最少的相同的硬件设备来进行组网，实现我们所需要的功能。综上所述，从成本和系统的构成上，我们选择了方案三来实现本次毕业设计的设计内容。本次设计中只做模块设计，通过模块的叠加使用实现网络的控制功能。2.2系统构成本系统主要由STM32单片机、WiFi网络模块、串口和控制设备组成。其中，单片机的型号是STM32F103RC，使用的WiFi网络模块是SDIO接口网络模块，控制设备是使用继电器和LED来代替，从而达到演示功能。本系统的系统框图如下图2-2所示：图2-2系统框图

第三章系统硬件电路的设计3.1供电电路的设计本系统中使用的芯片大部分为3.3V供电的低功耗元器件，而本次设计中，其他设备需要5V的供电，所以本系统必须使用5V系统来进行供电，同时通过5V到3.3V的电路转换实现单片机芯片的供电。本次使用ASM1117-3.3芯片来进行电压的转换，电路结构比较简单，电路性能比较稳定，是最常用的5V转3.3V方案。其电路图3-1如下：图3-1供电电路3.2单片机电路的设计单片机的设计一般包括时钟电路和复位电路，本次使用的STM32F103RC这款单片机内部集成了RC时钟电路，在对时钟要求不高的情况下，可以不接晶振使用。但是本系统调试的过程中需要使用到调试串口，所以针对波特率的设置，为了系统的稳定，我选择了外接时钟源的方案。单片机的复位电路一般包括按键复位和手工复位两种模式，通过电阻、电容的串联，在系统上电的瞬间，会对电路中的电容进行充电的动作，就在复位管脚上形成了一个高电平，通过改变阻容的比例，可以调节该延时的时间。在达到了单片机的复位条件后，进行复位操作。手工复位就是在复位引脚对电源短接，形成复位动作。该系统的时钟电路和复位电路图3-1-2如下：图3-1-2单片机电路3.3WiFi模块电路的设计由于ST公司对于它们公司部分单片机产品提供了SDIO协议接口，该协议可以方便的移植运用到WiFi模块中去，该公司提供了基于STM32的WiFi模块的驱动程序。所以我们可以借鉴该公司源程序来进行WiFi程序的设计。对该例程进行移植，完成我们想要的功能。该电路的原理图3-2如下：图3-2WiFi模块电路3.4控制电路的设计本系统的最终设计方案是针对电冰箱的控制，而单片机本身不能对电冰箱进行直接控制。作为演示功能,本次毕业设计中，使用了继电器控制方案，通过单片机的I/O口控制继电器，通过继电器来控制强电设备。并且，使用LED的亮灭来直观的显示系统的运行状态。本控制模块的电路图3-3如下：图3-3控制电路3.5串口电路的设计本系统中主要使用的是WiFi，而本人对WiFi并不熟悉，无法一次就实现对WiFi的调试。所以，本次设计中使用串口来输出各项调测命令，通过对调测命令的判断，我们可以分析出WiFi模块是否工作正常。串口的设计非常简单，使用专用的MAX2232芯片进行电平的转换，使单片机输出的信号转变为标准的RS232信号。电路原理图3-4如下：图3-4串口电路

第四章系统软件的设计4.1Keil开发环境Keil包含编译器、连接器、库管理和仿真调试器等等在内的开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。KeilμVision4诞生于2009年，KeilμVision4增加了使用更加方便使用的窗口管理系统，这样可以使开发人员在同个时间使用多台监视器，而且该系统界面也提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。KeilμVision4引入新的用户界面，可以更高效的利用屏幕空间，同时也有效的组织了多个窗口。Keil优点也是相当的明显。比如KeilC5生成的目标代码的效率也相当的高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构上、可读性以及在可维护性上都有着明显的优势，所以学习该系统非常的简单，当然，用过汇编语言后再使用C开发，体会肯定更加深刻。4.2WiFi模块驱动本次使用基于SDIO的WiFi模块，其型号是WM-G-MR-08,其主控芯片是marvell8686。其官方的源码包提供了动态模块编程，通过简单的移植和主要函数的调用及通过编译软件进行编译。该模块的SDIO接口是基于SD卡的交户接口，以此来拓展到硬件模块。该接口其实是SPI接口的一个扩展，基本兼容了它本身。SDIO接口提供了一个时钟信号、一个命令信号和四个数据端口，通过软件上的GPIO配置进行该协议的模拟时序控制，实现数据的通讯，从而完成了WiFi模块的驱动。其WiFi工作流程如下图4-2所示：图4-2WiFi模块4.3系统控制电路的编程、本系统运行时，通过单片机对WiFi模块接触到的网络命令的解析，判断出我们将要对用电器（电冰箱）的控制目的，将命令转化问为开关量。驱动继电器的吸合，达到控制功能。本次设计中主要实现一个软件自锁的功能，我们只需要输入一次“开”命令，继电器就要自动吸合，并长期保持。在程序上我们可以将这个I/O口直接赋予高低电平。该部分控制程序如下：switch(CMD_WF[2]) { case0x0C:RELAY=1;LED1=1;break; //继电器吸合，关LED1 case0x16:RELAY=0;break; //继电器释放，关LED1 case0x02:RELAY=!RELAY;break;//继电器状态取反 default: break; }4.4系统效果分析经过最终的软件和硬件测试，通过网页访问该模块，并点击继电器开关按钮，继电器自动吸合或关闭。基本达到了系统预先设置的功能。其系统的实物效果图4-4如下：4-4实物效果图

总结本文在单片机和WiFi无线网络技术的基础之上，介绍了WIFI模块的参数和操作流程，重点分析了Kiel开发环境、WiFi驱动模块、系统控制电路编程等问题，以达到一个精简的目的。全文分为三大板块：1.详细介绍了单片机及WiFi无线网络的基础知识。2.详细介绍了单片机的硬件平台，其中包括芯片的选择,32位的STM32F103微处理器主要特点，以及WiFi模块的操作流程。3.在软件设计部分，首先给出了该系统软件设计的分层框图，详细介绍了Kiel开发环境、WiFi驱动模块、系统控制电路编程的编写，简述了UC/GUI在STM32嵌入式平台的移植，并在此基础上进行了WiFi无线热点接入图形界面的开发。本设计方案在性能方面超过了传统8位或者16位微处理器，提高了系统的性能，实现了更多的功能；在价格方面，由于32位ARM微处理器价格的不断下降，相对于那些大型服务器其成本已经非常便宜。

致谢在即将完成大学这个人生中既关键又宝贵的时间里，有许多曾经帮助过，支持过我的亲人，老师和同学，他们让我终生难忘!首先，我要非常感谢我的导师xxx老师!老师学识渊博、待人诚恳，分析问题深刻，能够抓住事情的本质，给予了我论文上很多细心的指导。在论文期间，老师给了我极大的帮助。由于对论文课题不是很了解，所以老师给我们做了详细的分析解释，让我们充分了解了自己的课题。研究这个课题的时候，经常会遇到很多问题，每次请教老师的时候，她都会给我耐心的解释，在此真的十分的感谢！此外，我还要感谢跟我一起研究讨论的同学，好多问题都是在他们的帮助下完成的。最后谨以此文献给所有关心，支持过我的人们!

参考文献[1]徐惠民，安德宁.单片微型计算机原理、接口及应用.第二版[M].北京：北京邮电大学出版社.2000.[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社.2007.[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术学习辅导与实践教程[M].北京：清华大学出版社.2003.[4]崔华,蔡炎光.单片机实用技术[M].北京：清华大学出版社.2005.[5]谭浩强编著.《c程序设计》.北京:清华大学出版社1999.[6]何立民.单片机应用系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用.1990.[7]李宁.《基于MDK的STM32处理器开发应用》北京