【《单片机控制的智能开关总体方案设计案例》3900字】

单片机控制的智能开关总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u22901单片机控制的智能开关总体方案设计案例 126551.1整体设计分析 1118421.2涉及主要技术 2318831.2.1蓝牙技术 232081.2.2WiFi技术 3127891.2.3微信小程序 4122051.2.4MQTT协议 5250811.3整体设计结构 6103451.4小结 7整体设计分析智能开关是传统开关发展的一个标志性产品，它结合了电子技术、计算机技术、通信技术等多种技术，通过外部设备（手机等）实现远程控制功能，从而提高家居生活的便捷性。本论文在设计中主要存在三个问题：（1）如何在免拆线布线的前提下实现“普通开关”向“智能开关”的改造升级？（2）选择哪几种或者几种相结合的通信方式可以达到最佳的通信效果？（3）控制端APP的设备兼容性问题，即如何在多部设备中运行同一款控制软件？针对第1个问题，要在免拆线布线的前提下完成改造升级，一种方案是控制器覆盖安装在开关面板上，另一种方案是控制器安装在开关面板的一侧。对于第一种方案，若控制器覆盖安装在开关面板上，则需要借助伸缩臂来模拟完成人的开关动作，这种方式固然有它的优点，比如占用空间小，美观度高，不过它的缺点也很明显，就是在控制模块允许的电压范围内，很难找到体积较小且推力较大的伸缩电机或推拉式电磁铁，若选用功率较大的伸缩电机或推拉式电磁铁，势必会影响到功耗问题，还有控制器覆盖在开关面板上后，会影响到开关面板原始的触发功能，容易本末倒置。对于第二种方案，若控制器安装在开关面板的一侧，可借助舵机的摆臂旋转来模拟人的开关动作，而且在电压允许的范围内，对于舵机的选型也较为方便，另外还可以通过软件上的改进不影响到开关面板原始的触发功能。所以在控制器安装方式上选择第二种方案即安装在开关面板的一侧。针对第2个问题，可以采用两种不同的通信方式相结合解决这个问题。在没有局域网覆盖的场景下选择蓝牙的通信方式，在有无线网络覆盖的场景下选择WiFi的通信方式。目前这两种通信方式可满足在大多数场景下的信息交互。针对第3个问题，目前的移动终端操作系统主要分为两大阵营，即Android阵营和iOS阵营，两种系统并不互通，若想在两种系统中运行同一款控制端APP，可以使用微信小程序进行APP的开发，但由于在微信小程序制作上知识储备不足，所以借助“我的硬件”微信小程序进行二次开发作为控制端APP。涉及主要技术本小节将对智能开关面板控制器在设计中用到的主要技术进行介绍。蓝牙技术（1）简要介绍我们都知道Bluetooth，因为它对我们生活的影响是巨大的，从智能手机到耳机等。我们依靠Bluetooth技术将我们从有线的束缚中解放出来。这个名字可以追溯到一千多年前的哈拉尔德国王，他因两件事而闻名。第一件事是958年他统一了由于宗教战争和领土争议而分裂的丹麦和挪威，第二件事是他死后，牙是蓝色的，所以得到了一个绰号Bluetooth……1996年，英特尔、爱立信和诺基亚三家行业领导者开会，计划将这种短距离无线电技术标准化，以支持不同产品和行业之间的连接与协作。在这次会议上，来自英特尔的JimKardach建议使用Bluetooth作为临时代号。后来有人引用Kardach的话说：“哈拉尔德国王因统一斯堪的纳维亚半岛而闻名于世，正如我们打算用Bluetooth来统一PC和手机行业一样。”后来，当需要选择一个正式名字时，发现Bluetooth已经在业界传开了，由此“Bluetooth蓝牙”便成为短距离无线技术的代名词。（2）技术选型当前最新的蓝牙版本为5.2，相比之前的版本，它带来了速度更快，传输距离更远的优点。但综合考虑产品的价格以及对蓝牙通信的技术要求，在本设计中选择了蓝牙4.0版本。蓝牙4.0发布于2010年6月，是3.0的升级版，是2012年最新的蓝牙版本。相比3.0版本，其在功耗、效率、可靠性、安全性等各个方面均有了很大提升，这使得蓝牙技术的应用场景更加广泛。蓝牙4.0技术集三种技术于一身，分别是传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙技术。这三种技术可以单独使用，也可以组合使用。其中蓝牙4.0技术的核心内容是低功耗蓝牙技术BLE（BluetoothLowEnergy）。当时的设计预期是使用一粒纽扣电池就可以运行数月甚至数年，如此低的待机功耗和稳定的无线连接特性，让蓝牙4.0技术在物联网时代发展迅速。（3）功能特性①功耗低。蓝牙4.0技术延续了之前的Wibree标准，运行功耗和待机功耗都非常低。②传输速率高。蓝牙4.0版本支持非常短的资料封包，传输速率最高可达1Mb/s。③联机速度快。蓝牙4.0版本仅需要3ms就能完成联机的建立，大幅缩短了联机时间。④传输距离适中。蓝牙4.0版本的标准有效传输距离是100米，在复杂环境下，传输距离可能会变短一些。基于以上特性，蓝牙非常适合作为控制器的近距离通信方式，无论是从它的功耗低，还是传输速率高、联机速度快、联机速度快、传输距离适中等特性，都会为在进行产品设计时提供便利。WiFi技术（1）简要介绍20世纪90年代，澳大利亚的一家研究机构CSIRO发明了WiFi，并于1996年在美国申请了专利。1999年WiFi被IEEE认定为世界上最好用的无线网络技术，随后开始应用于无线通信网络。WiFi这个词被大多数人误解为WirelessFidelity，甚至WiFi联盟自己也经常在新闻和文件中使用“WirelessFidelity”这个词。实际上，WiFi这个词并没有特殊含义，也不存在全拼的英文单词。（2）技术选型目前WiFi通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射频频段。2.4GHz频段的WiFi也被称为第四代WiFi，5GHz频段的WiFi一般被称为第五代WiFi。两种频段相比，采用2.4GHz频段的WiFi信号频率较低，传播距离更远，但目前的大多数无线设备均使用2.4GHz频段，包括无线鼠标、无线键盘等，这就造成了信号的干扰问题。采用5GHz频段的WiFi具有更高的无线传输速率，且干扰少，网络稳定，但其由于频率较高，信号衰减大，覆盖距离相比2.4GHz频段的WiFi较小。综合考虑产品的价格以及对WiFi通信的技术要求，在本设计中选择了兼容性更高的2.4GHz频段WiFi。（3）功能特性①功耗更低。2009年，IEEE802.11行业标准发布了802.11n标准，在功耗方面处于领先水平。②传输速率更高。与蓝牙1Mb/s相比，WiFi的理论传输速率可达到11Mb/s，如果使用了802.11n协议，则理论传输速率可以达到600Mb/s。③安全性更高。802.11w标准已获得IEEE的认可，它可以保护无线管理框架，使无线链路更好地工作。④信号稳定性更高。支持802.11n的无线芯片具有更高的稳定性，这大大提高了信号的可靠性。综上所述，WiFi可以摆脱通信距离的限制，只要在无线网络覆盖条件下就能实现远程控制，大幅提高了控制器的使用便捷性，使应用场景更加广泛。微信小程序（1）简要介绍随着移动智能终端的普及，以及人们对工作、生活、娱乐等方面日益增长的需求，各种移动应用APP诞生。但安装太多的应用程序会占用较大的内存，手机的容量也会变得紧张，运行速度也会变慢。同时，APP本身的升级和下载也在消耗手机的带宽和系统资源，导致APP的日益丰富与手机运行速度之间的矛盾日益突出。2016年，微信针对这一问题提出了小程序的解决方案。微信小程序简称小程序，英文名为MiniProgram，是一种不需要下载安装即可使用的应用。简而言之，小程序是运行在微信内部的应用程序。它不需要像APP一样在移动应用市场下载、安装、注册或卸载，只能在微信内部打开，但可以拥有与APP相同的用户体验。（2）技术选型在本设计中，参照技术要求，在控制APP上不需要太多的逻辑处理，所以选用微信小程序比传统APP更具有优势。（3）功能特性①成本更低。小程序大大降低了开发运营成本，在场景中的推广使用率也更高。②流畅度更高。小程序重在用户体验，正在逐步补充其不足点，基本不会出现卡顿、延时、加载慢、授权不足等问题。③适用度更高。若选用APP进行设计，则需要针对每一种操作系统进行单独开发，而选用小程序进行开发就不存在这个问题。④推广度更高。提前在设备上印制小程序码，通过扫码快速进行远程控制连接。MQTT协议（1）简要介绍MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）是IBM开发的一个即时通讯协议。它是一种基于发布/订阅模型的“轻量级”通信协议，建立在TCP/IP协议之上，专为有限的设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计。除了一对一的消息传输外，它还可以进行一对多和多对一的消息传输，即当一个数据源发布一条消息时，多个接收者可以同时接收该消息。这样一来，物联网的许多场景将会变得更加灵活。（2）技术选型在本设计中，参照技术要求，在WiFi模式下使用MQTT通信协议，在通信中，微信小程序、硬件都属于MQTT客户端，其关系图如2-1所示。MQTT设备关系图（3）功能特性①低协议开销。可用于恶劣的网络环境，在嵌入式设备中，传输数据越少，功耗越低。②发布/订阅交互方式。可以及时将消息传递给客户端。③平台支持广。可适用于各种处理能力较弱的单片机，同时支持在不同平台上进行开发。④服务器支持连接数多。在HTTP服务器上，维护数百万并发连接需要大量工作，而MQTT相对简单。整体设计结构整个智能开关面板控制器分为STM32主控芯片、蓝牙模块、WiFi模块、充放电模块、舵机模块、状态指示灯（包括系统LED灯、使能LED灯、RGB模块）以及外围辅助电路七个部分。STM32主控芯片是系统的核心处理器，蓝牙模块和WiFi模块负责信息交互通信，舵机模块负责模拟人的开关动作，状态指示灯进行系统状态显示，充放电模块负责整个系统的供电，外围辅助电路则与STM32主控芯片构成最小系统。把它们合理的组合在一起，加以软件设计，并使用手机等移动终端进行交互，便实现了智能开关面板控制器的功能，整体示意图如图2-2所示。控制器整体示意图其具体使用步骤如下：Step1：小程序控制界面上的相应控制按键一旦触发，在蓝牙模式下，对应编码会直接发送给蓝牙模块，在WiFi模式下，对应编码会通过无线网络发送到服务器，服务器再发送给WiFi模块；Step2：蓝牙或WiFi模块通过串口把接收到的数据发送给STM32主控芯片，STM32主控芯片会对收到的数据进行解析并处理，