多模式控制的可调光、调色60WLED灯控制电路的设计

多模式控制的可调光、调色60WLED灯控制电路的设计摘要 该设计的主控芯片为STM8单片机，利用DHT11温湿度传感器采集现场温湿度数据，传感器将采集到的数据由单总线发送给单片机处理。STM32单片机通过SPI协议将传感器数据发送给W5500以太网控制芯片，W5500芯片通过网线与路由器连接以建立客户端，并将数据通过HTTP协议上传至OneNET云服务器，用户可登陆服务器实时查看数据。当数据超出设定的阈值时，单片机会改变继电器开关状态并启动电机，同时OneNET云服务器会向用户发送邮件提醒。 该系统利用W5500嵌入式全硬件协议栈以太网接口芯片，使单片机得以更简单高效地接入互联网，借助物联网技术及当今热门的云平台，可实现远程监测传感器的数据。 关键词：W5500，物联网，TCP/IP，单片机，监控 AbstractThissystemtakesSTM32F103C8T6microcontrollerasthemaincontrolchipandcollectsfieldtemperatureandhumiditydatabyusingDHT11temperatureandhumiditysensor.Thesensorsendsthecollecteddatafromasinglebustothesinglechipmicrocomputerforprocessing.STM32microcontrollersendssensordatatoW5500EthernetcontrolchipthroughSPIprotocol.TheW5500chipconnectstotherouterviaanetworkcabletoestablishaclientanduploaddatatotheOneNETcloudserverviatheHTTPprotocol.Userscanlogintotheservertoviewdatainrealtime.Whenthedataexceedsthesetthreshold,theSCMchangesthestateoftherelayswitchandstartsthemotor,andtheOneNETcloudserversendsamessagealerttotheuser.ThesystemmakesuseoftheW5500embeddedall-hardwareprotocolstackEthernetinterfacechip,sothatthesingle-chipcomputercanaccesstheInternetmoresimplyandefficiently.WiththehelpoftheInternetofthingstechnologyandthepopularcloudplatform,remotemonitoringofsensordatacanberealized.Keywords:W5500,IOT,TCP/IP,MCU,monitoring目录TOC\o"1-3"\h\z\u1.绪论 11.1课题背景简介 11.2课题的目的与意义 31.3论文内容及组织架构 42.课题相关技术及平台介绍 42.1LED相关知识介绍 42.1.1LED基本原理与分类 42.1.2LED基本调光方式 52.2STM32主控介绍 62.3LED驱动介绍 72.4传感器介绍 82.2.2平台架构 92.2.3资源模型 92.2.4产品开发流程 102.3本章小结 113.硬件电路 123.1硬件整体框图 123.2各模块电路设计 133.2.1单片机最小系统模块 133.2.2以太网控制模块 133.2.3传感器模块 153.2.4继电器模块 153.3本章小结 154.软件设计 164.1主函数框架 164.2以太网模块 174.2.1SPI初始化 174.2.2Socket初始化 184.2.3建立TCPClient 194.2.4建立HTTP报文 204.3传感器模块 204.4继电器模块 224.5本章小结 225.系统调试 235.1调试过程 235.2调试结果 265.3本章小结 276.总结 28参考文献 29致谢 30附录A系统原理图 32附录B实物图 34附录C源程序 351. 主函数 351.1main.c 352. 以太网模块 352.1socket.c 352.2w5500.c 352.3w5500_config.c 352.4http_client.c 352.5bsp_spi_flash.c 353. 传感器模块 363.1bsp_dht11.c 364. 继电器模块 364.1bsp_relay.c 361.绪论1.1课题背景简介照明是指人类利用各种可发光物质照亮环境，观察事物的方式方法，它是人类发展历程中十分重要的一部分，作用非凡，它所产生的光，与空气和水成为了人们得以生存最为重要的三种因素，正是照明工具的出现，使得人类可以在黑夜中静候黎明的到来，在黑暗的环境中持续地去探索宇宙和未来，它给人类带来的希望与惊喜，也愈发促使我们对它的好奇，我们不断期望一天又一天更广阔的光芒。随着人类探索范围和知识面的拓广，科学技术的日新月异，我们未曾停下改变生活方式和居住形态的步伐，不断推进照明工具与应用方式的改善，积极创新的精神在全球绽放，自然也包括了受到高度关注与重视的半导体照明应用，各国都对其进行了重要的战略部署，半导体照明产业的发展不断提速，尤其是在照明技术变革以后，重新塑造了全球照明产业格局，LED也进入更多人的视野当中，照明工具市场的竞争态势也有所改变LED即发光二极管（Light-emittingdiode），顾名思义，是一种能够发光的半导体电子元件，在1907年，碳化硅电致发光现象的发现，让人们意识到一种新型电光源的可能性，之后在1961年，砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用首先被美国所发现，于是，在20实际60年代，第一种可实际应用的可见光发光二极管问世，1993年，日本日亚化学工业的中村修二制造出基于新半导体材料氮化镓和氮化铟镓的，并具有商业应用价值的蓝光发光二极管，并以此获得了2014年的诺贝尔物理学奖，基于红光、绿光、蓝光混合可产生白光的原理，在蓝光发光二极管成功研发后，人们也终于迎来了白光发光二极管——人们日常生活中接触最多最为普遍的发光二极管。进入到21世纪，因为能源稀缺的问题以及人们环保节能意识的日益高涨，人们愈加注重产品的环保特性，作为备受瞩目的绿色照明产品，LED在全球掀起了新一波的照明技术革命，过去一直在背光源领域使用的LED，也逐渐在照明领域发光发热，并逐步取代传统白炽灯在照明市场中的重要地位，成为了当代半导体固态照明的基础之一。在各国政府、企业的通力合作、大力推动之下，全球绿色照明应用趋势势不可挡，各国极力发展新绿色照明的关键技术，以达到新的环保节能标准，LED发射光亮度较高、使用寿命较长、能量转化效率较高等特点与人们的诉求相吻合，毫无意外成为主要的研究方向。与传统高压钠灯和白炽灯等传统照明光源在照明领域上的应用相比较，LED不仅能够实现各种灯光的颜色，使得产品设计更加灵活多变，同时可以提升能量转化的效率，更加显现出LED维护要求低、光源质量高，寿命长的优势。从19世纪的刚刚问世，到如今的技术突破发展成熟，半导体发光二级管在照明领域的商业价值越来越高，这也促进了高速发展的LED商业市场，时至今日，在家庭照明，道路照明，室内照明，室外照明，汽车照明，工业照明，办公照明，医疗照明，建筑照明等领域都能够看到发光二极管的身影，可以说是与我们的生活息息相关，于我们的生活中无处不在，每个人对其都不会陌生，这是LED带动的照明产业发展的新契机，也是发光二极管所推动的照明技术革命的巨大成果，是人类照明史上浓墨重彩的一笔，是照明产业跨入新领域的标志。同时，伴随着全球人口的增长，城市化与全球化的影响，经济增长带来了新的照明市场——各国基础设施建设等的推动，因为在这一过程当中，必然需要到照明产品的应用与使用。相较于欧美与日本等国家的半导体照明产业发展速度，我国LED照明产业起步于20世纪80年代，首先做的是下游封装，后来才有足够的能力进行上游外延片生产。21实际开始加大了对高亮度四元芯片和GaN芯片的投资，而在2003年我国的LED照明产业政策才刚刚修订完成，到2006年，出台《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，之后国家也不断地发布相关的照明产业政策，积极推动半导体照明产业佐以相关政策扶持，我国半导体照明产业才得以进入新的发展阶段，包括2014年的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）和2017年的《半导体照明产业“十三五”发展规划》，在国家政策支持下，我国半导体LED照明技术与产业逐渐发展并步入成长阶段。在2017年固态照明计划中，提及了全球照明产业在未来的三个发展方向，首先是照明的性能与设计，重点在于照明产品的发光质量、电能转化为光的效率、在建筑领域方面的应用及产品工作温度寿命等稳定性评估等，这几个方面都与产品性能质量直接挂钩，如果有了新的突破，将逐步改善人们使用照明产品的体验及带来生活质量的提高，这些研究都被列入了项目研发的技术发展重点;第二个发展的方向是互联照明，在物联网技术逐步发展的今天，我们也希望照明能够逐步智能化，试想在一个家庭当中，照明灯具是在房间中散布最广泛、触及节点数量最多的，如果能和其它家居设备构成联动，将智能照明设备作为家居的控制中心，将能真实完成家居产品之间的互联互通，通过互联照明使我们对灯具、家具的使用逐步智能化，我们希望照明系统能够充当小型计算机分布式网络的角色，同时托管其它各种应用程序，从而打造真正的智能互联服务体验，当然这需要真正的多厂商互通性，要求组件必须采用并遵循共同的技术标准，因而全球也开始关注照明控制元件、互联照明应用、IoT技术、照明管理系统等;第三个发展方向则是光照对人体健康的影响，通俗点讲就是通过LED照明，改善并提高人们工作、学习、生活的条件和质量，促进心理和生理健康，光对人的生物效应可分为视觉效应和非视觉效应，可见光穿过眼睛的角膜，通过晶状体成像在视网膜上，经感光细胞转化为生理信号，视神经接收后产生视觉，从而产生对空间中物体的颜色、形状和距离的信息的判断，视觉还可以引起人们心理机理反应，这就是光视觉效应的原理，它在我们的日常生活中也很常见，如在夏季，蓝、绿色的光会使人感觉凉爽，而冬季，红色使人感觉到温暖，现代家庭居室也常用一些红绿的装饰灯来点缀起居室和餐厅，以增加欢乐的气氛，在晚上将灯具调节较低的色温可有效改善人的睡眠状况，而光的非视觉效应则是指人眼视网膜上存在第三类感光细胞－内在光敏性视网膜神经节细胞（ipRGC），它负责调节机体视觉以外的非视觉效应，如管理时间的功能，协调和控制人们在不同时段里的活动节律和幅度，对人体心率、血压、警觉性、活力的影响等。此外，光引起的生理损伤也应该归到光的非视觉效应。本次设计也希望为改善LED灯具的光视觉效应对人们生活健康的影响而作出微薄的贡献。1.2课题的目的与意义本课题讨论的是搭建基于stm32平台搭建可调光亮度、调光色温的LED灯光电路系统。该系统可通过传感器收集外界信息，并经由STM32芯片接收、分析、处理后，对LED灯发出调节光亮度或色温的指令，当然也可以利用基本外设，直接对LED灯进行光亮度和光色温的调节。在LED照明产品逐步普及，并且逐渐取代传统照明工具的今天，在科技进步，人们愈发关注提高生活质量的今天，在卫生环境改善，人们开始关注自身生理健康的今天，我们不仅想要一款只有简单照明功能的照明产品，希望的是一款能够多个场合中应用的LED灯具，希望的是一款能够提高我们使用体验感受的LED灯具，希望的是一款对我们的身体健康带来正面影响的LED灯具。因此，本课题有较为广阔的设计空间，也有着较为广阔的市场应用前景,而且在全球政府的政策支持、各方企业的通力研发之下，该课题也成为了当代固态照明的重要发展方向之一，有较好的研发环境与效率，也能够带来不错的经济效益，希望本课题的研究能为人类社会文明的发展带来一丝一毫的贡献。1.3论文内容及组织架构本论文的主要内容及章节安排如下：第一章为绪论，主要介绍的是课题相关的背景，以及本课题研究的目的与意义，还有本篇文章的内容安排。第二章详细介绍了LED基本理论，LED调光调色的基本方式，本次作品所采用stm32系统构成的基本原理，LED驱动电路及传感器简略介绍等相关知识。第三章是各模块的硬件电路设计与分析。第四章是各模块的软件编程与分析。第五章介绍了系统测试及过程。第六章是总结。最后是本文参考文献、致谢及附录。2.课题相关技术及平台介绍2.1LED相关知识介绍2.1.1LED基本原理与分类发光二极管属于二极管中的一种，二级是指它具有两个电极，只允许电流由单一方向流过，叫做单向导电性，许多关于二极管的应用也是由此而产生，而发光二级管可以将电能转化为光能，LED的结构与一般的二极管相同，是由P型半导体和N型半导体烧结形成的PN结结构，称作半导体PN结。当在半导体中掺入受主杂质——Ⅲ族中的一种元素，原子带有3个电子，就得到了P型半导体，同样，若在半导体掺入施主杂志——Ⅴ族中的一种元素，原子带有5个电子，则得到N型半导体，在半导体中的传导主要通过载流子完成，多数载流子则是指较为容易移动的载流子，载流子又分为电子和空穴，P型半导体中的多数载流子为空穴，而N型半导体中的多数载流子为电子。当给发光二级管加上正向电压后，因自由扩散P型半导体向N型半导体中注入空穴，N型半导体则向P型半导体注入电子，两者在交界处数微米内复合，辐射发光，这种辐射称作自发辐射，发出的是荧光，是非相干光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。制作发光二级管的主要材料是Ⅲ族-Ⅴ族化合物半导体，常见的有磷化镓，砷化镓和氮化镓等，其中砷化镓和氮化镓属于直接跃迁型材料，而磷化价属于间接跃迁型材料，间接跃迁型材料在其电子和空穴复合形成电子空穴对时，所辐射的能量除了转化为光能外，还有部分能量被晶格振动所消耗，所以，相比于直接跃迁型材料，其发光效率会差一些。发光二极管依据辐射功率可分为普通亮度LED和超高亮度LED。按照LED的构型区分，则可分为面发光型LED和边发光型LED。除此以外，按照当代的实际应用产品来划分，还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极、管超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。2.1.2LED基本调光方式我们常常在对LED照明产品的讨论中，将LED开关控制和调光控制作为两个最基础的技术要点来讨论，但是，如果将LED的开启和关闭作为调光控制中的两个极端值，则调光控制部分可以说是LED照明产品中必不可少的一个关键部分了。与普通的白炽灯照明灯具相比，在调光调色方面，LED与其有着较大的差异，因为LED的色温并不随光通量的减少而显著减少，LED只有轻微的变化。因此，为实现LED的调光调色，满足照明舒适性的要求，常用的方法包括：正弦波电压调光、前沿相控调光和后沿相控调光三种，也由此发展出具体的LED调光方案。LED的控制模式有恒流控制和恒压控制两种，为了保证LED使用的稳定性，大多数LED都会采用恒流的控制模式。在恒流控制模式下，LED的亮度与通过其的驱动电流变化变化成正比例关系，但因不同的LED产品会采用不尽相同的电源驱动供电方案，对应的调光方案也有所不同。如果采用的是直流电源，一般采用线性调光技术，利用分压原理，根据LED发光亮度与驱动电流成正比的特性，改变通过LED的电流，就可以改变LED的发光亮度，达到大范围控制调整LED亮度的目的，它也是最简单的调节LED亮度的方式。另外一种调光方案同样应用于直流电源方案，基于正弦波电压调光的方式，利用了发光二级管可快速通断电的特性，使用开关电路以相对于人眼无法识别的频率快速开关LED，这种技术叫可脉冲宽度调制调光（Pulsewidthmodulation），亦称为PWM调光技术，也是本课题中所讨论到的技术，它的原理是在LED的控制电路输入一个脉冲信号，若控制这个脉冲信号的占空比，就可以控制LED开启和关闭的时间，亦即控制了LED的额定电流，从而达到调光的作用，。最后一种方式是基于前沿相控调光发展而来的，对应的，它可应用与交流与直流电源方案，可控硅在交流应用中有三种调光的方式：过零消波、断续、移相，其中以移相方式对人眼睛的损害最小，但价格会比较高；消波方式的器件寿命长且对外干扰小，这一种调光方式设计在电源输入端，是用可控硅调整波形的导通角来实现电压调节，可减少输出电压的有效值，以此来降低普通负载(电阻负载)的功率。性能稳定，工作效率较高，是可控硅调光的两大优点。2.2STM32主控介绍从字面上看，STM32中的ST，代表的是意法半导体公司，M则是Microelectronics的缩写，意即微电子，32表示32位机，也就是，这是意法半导体公司研发的32位微处理器。意法半导体公司成立于1988年，由意大利的SSG微电子公司和法国的Thomson半导体公司合并而来的，是世界最大的半导体公司之一。当ARM公司推出了基于ARMv7架构的32位CortexM3内核后，意法半导体公司便推出了基于Cortex-M3内核的STM32微处理器,后续该系列还继续推出了Cortex®-M0，M0+，和M7内核，为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计提供了极大的便利。凭借着简单易用的库开发方式、极高的性价比、产品线的多样化，STM32从一颗崭露头角的MCU，迅速成为当今人们最为常用的开发平台芯片之一，中低端的MCU市场也被其占领。STM32依据内核架构的不同可区分为主流产品（STM32F0、STM32F1、STM32F3）、高性能产品（STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7）和超低功耗产品（STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+）作为一个易于开发的微控制器，少不了的，STM32上搭载了各种丰富的通信接口，这些接口都十分常用，包括USART、I2C、SPI等接口，通过这些接口，可以接入许多传感器，收集外界信息，并传给MCU处理分析，再来控制其他设备，实现更多的功能。除此之外，STM32还具有价格低、型号丰富、实时性能优异、功耗控制好、开发成本低等优势。在我们的日常生活中，也有许多的产品应用了STM32，如智能手表，电饭锅、飞控等，甚至在近几年比较热门的3D打印技术中也有使用到，可以说是无处不在了。本次课题研究中便采用了STM32芯片。2.3LED驱动介绍发光二级管具有单向导电性，需要直流电为其供电，在应用过程中更需要对其进行稳定工作状态和保护，所以LED器件对于其驱动电源的要求是比较苛刻的，因而LED驱动便应运而生了。半导体二极管驱动电源是LED照明的核心技术之一，驱动电源在整个LED照明系统中起着转换交流电为直流电的作用，LED照明的质量亦由其驱动电源的设计是否合理、符合要求有关。LED一般所需要的直流电压并不是太高，但我国的供电网络是220伏的市电，所以LED应用的驱动便需要有降低电压的功能，并且保证一定的直流电转化效率，这对于我国LED的驱动电源设计是一大考验。同时LED的显著结构是PN结结构，由于P型半导体和N型半导体材料的不同，它的两端具有一定的电极性，会形成势垒电场，具有势垒电势，从而形成在电传导的限电压，电流只有在LED上所加的电压超过一定值，才能够导通，经研究测试，对于一般的LED而言，这一个有限的电压值为2.5V左右，但LED需要4～5V的电压才能正常工作。依据发光二极管驱动是否有转换交流电的需求，其类型可区分为直流电驱动和交流电驱动。直流电驱动一般为低电压驱动，需要增高电压，需要注意转换电压效率，而交流电驱动需要降低电压、整合稳定电流，需要考虑驱动电源的体积和安全问题。常见的驱动电路有：阻容降压电路、隔离反激电路和反激电路的原边方案。阻容降压即利用电容在交流下的阻抗限制输入电流，获得直流电平给LED供电，这种方式的优点是结构简单、成本低廉，但因为LED的输入电流与交流电没有完全电隔离，所以会有安全隐患，并且转换效率较低，无法进行恒流控制。隔离反激电路通过变压器在副边产生直流电平，再通过光耦将此电平的纹波反馈回原边，从而自激稳定，但是系统较为复杂，同时体积大，成本较高,优点是可以输出恒定电流，且转换效率与精度较高。原边方案即在交流原边控制输出的电压和电流，输出电流由原边电流乘以匝数比得到，原边电流则由限流电阻控制，而输出电压则由辅助边的反馈来控制，这种方案仅精度和转化效率高，而且搭建简单。2.4传感器介绍传感器是人们为了不仅从自身的感觉器官，获取外界的信息，更通过其他工具研究观察自然现象规律和社会生活活动而发明出来的，它在本质上是一种检测装置，有敏感元件和转换元件组成，能感受到被测量的信息，并按照一定的规律，将感受到的信息转换成为可用信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。本次课题研究中使用到了光敏传感器，利用光敏元件可以将光信号转换为电信号，也是最常见的传感器之一，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长，其工作原理是基于内光电效应，当光敏电阻受到光照，便会降低电阻，增加电流，它具有非接触、响应快、性能可靠等特点。2.2.2平台架构OneNET在物联网中的基本架构如下图所示，作为PaaS层，OneNET为SaaS层和IaaS层搭建连接桥梁，分别向上下游提供中间层核心能力。图SEQ图\*ARABIC1OneNET的基本架构2.2.3资源模型OneNET提供了开发者（包括个人用户和企业用户）对产品进行在线管理的工具，开发者通过登录OneNET的账号，即可进入OneNET的管理平台—“开发者中心”实现产品的在线管理和开发。OneNET的整体资源可见下图，针对具体的产品在线管理和开发有两种模型：资源模型一主要适合于包括LWM2M（NB-IOT）、EDP、MQTT、HTTP、TCP、MODBUS、JT/T808等7种协议类型的接入设备开展OneNET平台接入。资源模型二主要适合于包括RGMP等协议类型的接入设备开展OneNET平台接入。图SEQ图\*ARABIC2OneNET资源模型2.2.4产品开发流程OneNET平台作为中国移动通信集团推出的专业物联网开放云平台，提供了丰富的智能硬件开发工具和可靠的服务，助力各类终端设备迅速接入网络，实现数据传输、数据存储、数据管理等完整的交互。OneNET的接入协议包括EDP、MQTT、TCP透传等，主要是面向通过TCP与OneNET直连的终端，OneNET将接收到的数据按照协议解包存储，并以API的方式提供给应用层使用，如下图所示：图SEQ图\*ARABIC3OneNET平台协议对接方式根据上述资源模型以及南北向的对接方式，OneNET平台的开发者（包括个人用户和企业用户）可以按照以下流程进行产品开发，具体见下图：图SEQ图\*ARABIC4OneNET产品开发流程2.3本章小结本章主要介绍了该系统设计时所需要的协议，技术以及平台。其中详细介绍了TCP/IP协议栈涉及的以太网模型，以太网协议及其数据结构；在单片机技术中分析了单片机的历史发展及特点；在介绍OneNET云平台时，主要介绍平台架构，资源模型以及开发流程，并且分析了平台的价值与优势。3.硬件电路3.1硬件整体框图W5500以太网模块DHT11传感器RJ45接口STM32最小系统继电器W5500以太网模块DHT11传感器RJ45接口STM32最小系统继电器图SEQ图\*ARABIC5硬件整体框图1.单片机最小系统模块：本模块采用STM32F103C8T6单片机+最小系统，负责接收并处理传感器数据，将传感器数据交由以太网控制芯片上传至服务器，并且承担控制功能，当传感器数据超出阈值时，控制继电器的开关状态。2.以太网控制模块：本模块由W5500以太网控制芯片和RJ45连接器组成，负责将传感器数据上传至服务器。W5500芯片通过SPI总线与单片机连接，RJ45连接器通过网线与路由器连接。3.传感器模块：本模块由DHT11温湿度传感器采集数据，传感器的数据输出端与单片机的一个IO口连接。4.继电器模块：继电器模块由单片机的一个IO口控制。3.2各模块电路设计3.2.1单片机最小系统模块单片机采用STM32F103C8T6，基于ARMCortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，工作电压为2V~3.6V，工作温度为-40°C~85°C，工作频率为72MHz。图SEQ图\*ARABIC6stm32f103最小系统3.2.2以太网控制模块本模块由W5500芯片和RJ45连接器及其外围电路组成。W5500通过SPI总线与单片机连接，其SCS、SCLK、MISO、MOSI引脚分别对应单片机的PB12、PB13、PB14、PB15引脚。根据片选引脚SCS的接法，W5500有两种工作模式，分别是可变数据长度模式和固定数据长度模式。在可变数据长度模式中，W5500可以与其他SPI设备共用SPI接口，在固定数据长度模式，SPI将指定给W5500，不能与其他SPI设备共享。本系统选择的是可变数据长度模式。图SEQ图\*ARABIC7可变数据模式长度模式图SEQ图\*ARABIC8固定数据长度模式 PMODE2、PMODE1、PMODE0引脚是PHY工作模式选择引脚，该引脚决定了网络工作模式，具体如下图所示：图SEQ图\*ARABIC9网络工作模式W5500与RJ45的硬件电路如下图所示：图SEQ图\*ARABIC10W5500电路图SEQ图\*ARABIC11RJ45电路3.2.3传感器模块本模块采用DHT11温湿度传感器，其湿度精度+-5%RH，温度精度+-2℃，湿度测量范围20%~90%RH，温度测量0℃~50℃，工作电压为3.3V~5.5V，通过单总线与单片机的IO口连接。图SEQ图\*ARABIC12DHT11传感器电路3.2.4继电器模块本模块采用5V继电器，通过单片机IO口的高低电平控制三极管的通断，从而控制继电器的开关。图SEQ图\*ARABIC13继电器电路3.3本章小结本章介绍了各主要功能模块的电路设计与连接，分析了各模块电路的功能以及元件特性等。4.软件设计4.1主函数框架主控函数首先是对以太网模块、传感器模块、继电器模块等电路进行初始化，然后在主循环里获取传感器数据，当数据超出设定的阈值时接通继电器，否则断开继电器，接着将传感器数据上传至云服务器。程序详见附录C源程序的主函数模块之main.c。流程图如下：图SEQ图\*ARABIC14主函数流程图4.2以太网模块4.2.1SPI初始化SPI协议定义了四种工作模式（模式0，1，2，3）。每种模式的区别是根据SCLK的极性及相位不同定义的。SPI的模式0和模式3唯一不同的就是在非活动状态下，SCLK信号的极性。SPI的模式0和3，数据都是在SCLK的上升沿锁存，在下降沿输出。W5500支持SPI模式0及模式3。MOSI和MISO信号无论是接收或发送，均遵从由最高标志位（MSB）到最低标志位（LSB）的传输序列。图SEQ图\*ARABIC15SPI模式0和3 W5500与外设主机的通讯受SPI数据帧控制，W5500的帧分为3段：地址段，控制段，数据段。 地址段为W5500寄存器或TX/RX内存指定了16位的偏移地址。控制段指定了地址段设定的偏移区域的归属，读/写访问模式以及SPI工作模式（可变长度模式/固定长度模式）。数据段可以设定为任意长度（N-字节，1≤N）或者是固定的长度：1字节，2字节或4字节。在可变数据长度模式下，SCSn控制SPI帧的开始和停止：SCSn信号拉低（高电平到低电平），即代表W5500的SPI帧开始（地址段）；SCSn信号拉高（低电平到高电平），即代表W5500的SPI帧结束（数据段的随机N字节数据结尾）。程序详见附录C源程序的以太网模块之bsp_spi_flash.c。4.2.2Socket初始化W5500的操作需要设置以下寄存器的参数：1．模式寄存器（MR）。2．中断屏蔽寄存器（IMR）。3．重发时间寄存器（RTR）。4．重发计数寄存器（RCR）。接下来就是设置网络信息，下面的寄存器是关于网络的基本配置，需要根据网络环境来进行设置。1．网关地址寄存器（GAR）。2．本机物理地址寄存器（SHAR）。3．子网掩码寄存器（SUBR）。4．本机IP地址寄存器（SIPR）。本机物理地址寄存器（SHAR）的地址是MAC层的硬件地址，这是生产商指定使用的地址。MAC地址可由IEEE指定。最后设置端口存储信息，这一步设置端口TX/RX存储信息，每个端口的基地址和屏蔽地址在这里确定并保存。。W5500有1个通用寄存器，8个Socket寄存器区，以及对应每个Socket的收/发缓存区。每一个Socket的发送缓存区都在一个16KB的物理发送内存中，初始化分配为2KB。每一个Socket的接收缓存区都在一个16KB的物理接收内存中，初始化分配为2KB。无论给每个Socket分配多大的收/发缓存，都必须在16位的偏移地址范围内（从0x0000到0xFFFF）。W5500有一个16KB的发送内存用于Socketn的发送缓存区，以及一个16KB的接收内存用于Socketn的接收缓存区。16KB的发送内存初始化被分配为每个Socket2KB发送缓存区。初始化分配的2KBSocket发送缓存，可以通过使用Socket发送缓存大小寄存器（Sn_TXBUF_SIZE）重新分配。一旦所有的Socket发送缓存大小寄存器（Sn_TXBUF_SIZE）配置完成，16KB的发送内存就会按照配置分配给每个Socket的发送缓存，并按照从Socket0到7顺序分配。16KB物理内存的地址是可以自增的。但是，为了避免数据传输错误，需要避免发送缓存大小寄存器（Sn_TXBUF_SIZE）的和超过16。程序详见附录C源程序的以太网模块之socket.c。4.2.3建立TCPClient建立TCPClient可以通过调用getSn_SR(Socket号)来读取W5500的Socket的状态值。当Socket处于关闭状态时，在进行通信之前，我们需要先将该Socket初始化，这里通信协议这里我们将配置成TCP，即Sn_MR_TCP。当程序成功执行socket()函数后，socket0将处于SOCK_INIT状态。此时，作为TCP客户端，就要调用connect()函数连接远程服务器。待TCP连接的3次握手完成后，socket0的状态将会转变为SOCK_ESTABLISHED状态。在进入SOCK_ESTABLISHED状态后，便可进行数据收发。数据通信完毕之后，可以由W5500先发起断开连接请求，即执行close()函数。在连接的建立和断开的过程中，只要出现错误，Socket都会进入关闭状态。程序详见附录C源程序的以太网模块之http_client.c。流程图如下：图SEQ图\*ARABIC16以太网模块流程图4.2.4建立HTTP报文 本系统是通过HTTP协议与ONENet云平台进行通信，在建立TCPClient后，需组建ONENet所要求的JSON数据格式。 HTTP报文格式示例：图SEQ图\*ARABIC17HTTP报文示例程序详见附录C的以太网模块之http_client.c。4.3传感器模块DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据分小数部分和整数部分，具体格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。其工作模式为：用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。DHT11数字温湿度传感器的通信协议如下：图SEQ图\*ARABIC18DHT11发送数据流程图SEQ图\*ARABIC19DHT11复位时序图SEQ图\*ARABIC20DHT11信号“0”和“1”时序图 总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。 总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。程序详见附录C源程序的传感器模块之bsp_dht11.c。4.4继电器模块在继电器模块的程序中设定了对传感器数据检测的阈值，当传感器采集完数据后，对数据进行判断，如果超出阈值，则把PB3置为高电平，三极管Q1导通，继电器常闭端断开，常开端接通；如果数据没有超出阈值，则把PB3置为低电平，三极管Q1截止，继电器常闭端接通，常开端断开。程序详见附录C源程序的继电器模块之bsp_relay.c。4.5本章小结本章首先介绍了主控函数的框架，包含了整个系统软件设计的思路，接着分析了各模块电路的程序设计，在以太网模块中逐步分析了从初始化到建立HTTP连接的整个过程，在传感器模块中根据了DHT11传感器的数据格式和通信协议进行程序编写，在继电器模块中根据电路的硬件设计及系统要求进行程序设计。5.系统调试5.1调试过程1.登录ONENet云平台。图SEQ图\*ARABIC21OneNET云平台登陆界面2.创建产品，设备接入协议选择HTTP协议。图SEQ图\*ARABIC22OneNET云平台创建产品界面 3.添加设备。图SEQ图\*ARABIC23OneNET云平台添加设备 4.分别在产品概况和设备管理中获取APIKey和设备ID。图SEQ图\*ARABIC24获取APIKey图SEQ图\*ARABIC25获取设备ID 5.在程序http_client.c文件中，将apikey和onenet_id分别宏定义为获取到的APIKey和设备ID。图SEQ图\*ARABIC26宏定义APIKey和设备ID6.创建触发器，当数据达到触发条件时，ONENet云平台会向指定的邮箱发送邮件提醒。图SEQ图\*ARABIC27在OneNET创建触发器7.创建应用，以便更直观形象地查看数据变化。图SEQ图\*ARABIC28在OneNET创建应用 8.把程序烧录到系统板上，上电并连接路由器。5.2调试结果 1.DHT11温湿度传感器成功采集数据，并由W5500成功发送到ONENet云平台。图SEQ图\*ARABIC29系统应用界面 2.当传感器数据达到触发条件时，ONENet云平台成功向指定的邮箱发送邮件提醒。图SEQ图\*ARABIC30接收OneNET的Email 3.当传感器数据超出阈值时，继电器接通，电机转动。5.3本章小结本章介绍了系统调试的整个过程，传感器得以成功采集数据并且由W5500上传到ONENet云平台，用户可登陆ONENet查看数据变化，当数据超出阈值时，ONENet向指定的邮箱发送邮件提醒，同时单片机控制继电器接通，电机旋转。整个测试结果达到了系统的要求，实现了远程监控功能。6.总结本次的毕业设计对我的能力是一个很大的考验，所设计的远程数据监控系统综合运用了单片机编程技术和物联网TCP/IP技术，最终成功达到题目要求，实现了远程数据监控功能。在做毕业设计之前，我还不会32位的单片机编程，而且从没接触过物联网TCP/IP技术，甚至连服务器和客户端的概念都搞不清楚。在寒假的时候，我特意买了块STM32的开发板，跟着教学视频自学了STM32的库函数编程技术。今年三月份我去到公司实习，在实习中接触到W5500芯片，于是选择这款芯片做一个远程数据监控系统作为我的毕业设计。由于自身欠缺网络方面的知识，通过查看书籍，手册，在技术论坛上以及技术交流群上请教他人等途径逐步提高自身的水平。每天下班后我还继续写程序验证自己的方案，期间遇到许多的问题，我都没有放弃，在迎难而上解决掉一个又一个问题后获得了极大的满足感。因此，这次的毕业设计很大程度上锻炼了我的学习能力以及提高了我的技术水平。当然，这次所设计的远程数据监控系统还是有很大提高的空间，例如可以通过添加其他类型的传感器协调工作升级为智能家居监控系统。另外，本次设计中利用了HTTP协议，该协议只能向ONENet上传数据点，并不能从ONENet接收命令，不能很好地实现远程控制功能，只能通过单片机自动控制。后期通过更换为EDP协议或者MQTT协议等可以实现远程控制功能。因此，毕业设计只是我自主学习，自主创作的一个起点，只有认识到不足，不断完善创新，才能在技术的路途上走得更远。参考文献崔建峰,陈海峰.物联网TCP/IP技术详解[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.朱升林,欧阳骏,杨晶.嵌入式网络那些事儿[M]:STM32物联实战.中国水利水电出版社，2015.杨余柳.基于ARMCortex-M3的STM32微控制器实战教程(第2版)[M].电子工业出版社，2017.刘海涛.物联网技术应用[M].北京:机械工业出版社,2011.Stevens