摘要：為促進(jìn)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)并提高實(shí)踐動(dòng)手能力, 設計了基于STM32單片機的無(wú)線(xiàn)安燈實(shí)驗系統, 完成了刷卡、數字量I/O、Wi-Fi通信等硬件與軟件設計。該實(shí)驗系統能夠完成現場(chǎng)信息的采集、傳輸, 能夠接收、執行服務(wù)器的指令。通過(guò)該實(shí)驗系統的設計, 使學(xué)生能夠綜合運用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、微機原理與接口技術(shù)、計算機控制技術(shù), 培養實(shí)踐動(dòng)手能力。

　　關(guān)鍵詞：Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信; 安燈系統; STM32單片機; RFID射頻模塊;

　　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;

　　為幫助自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生掌握好網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù), 筆者設計了一個(gè)無(wú)線(xiàn)安燈實(shí)驗系統, 以便學(xué)生掌握相關(guān)知識, 提高實(shí)踐動(dòng)手能力[1-3]。

　　安燈系統是一種現代企業(yè)的信息管理工具, 主要用于收集生產(chǎn)線(xiàn)上物料、設備、異常等信息, 送入信息管理系統服務(wù)器進(jìn)行統計、分析和處理, 從而實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)信息透明化[4-5]。該系統采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式實(shí)現信息收集, 其中無(wú)線(xiàn)方式減少了現場(chǎng)布線(xiàn), 在使用中更為靈活、方便[6]。

　　目前, 很多現代制造企業(yè)都建立了基于Wi-Fi的廠(chǎng)區無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )[7-11], 無(wú)線(xiàn)射頻等技術(shù)也得到廣泛應用, 這為建立無(wú)線(xiàn)安燈系統提供了必要條件。文獻[12]給出一種基于Wi-Fi的安燈系統設計方案, 但并未給出具體設計;文獻[13]給出了一種基于單片機的車(chē)位檢測實(shí)驗系統設計, 包括具體軟硬件設計, 但使用的STC89C52單片機內存、串口等資源較少, 功能簡(jiǎn)單, 不便于進(jìn)行軟硬件的擴展;文獻[14]給出一種基于MF-RC500的射頻交通卡讀卡器設計, 給出了射頻模塊的硬件設計, 但未給出軟件方面的設計。

　　筆者針對安燈系統的實(shí)際應用, 完成基于STM32單片機的無(wú)線(xiàn)安燈實(shí)驗系統的硬件、軟件設計, 實(shí)現基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的信息傳輸。

　　1、實(shí)驗系統方案設計

　　基于STM32單片機的無(wú)線(xiàn)安燈實(shí)驗系統的主要組成部分包括: (1) 按鈕和刷卡模塊輸入; (2) STM32單片機及其外圍電路; (3) Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信; (4) 繼電器輸出; (5) PC端上位機。系統結構如圖1所示。

　　系統工作原理是:故障提報人通過(guò)刷卡模塊確認“身份有效”后, 通過(guò)按鈕將錯誤信息提報給單片機;單片機通過(guò)輸出通道控制三色燈亮滅。在這一過(guò)程中, STM32單片機通過(guò)Wi-Fi模塊實(shí)現與PC端通信。

圖1 安燈系統結構圖

　　2、實(shí)驗系統硬件設計

　　本實(shí)驗系統的主要硬件設計包括RFID刷卡部分、數字量I/O部分、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分和系統電源部分的硬件設計。

　　2.1、RFID刷卡部分硬件設計

　　本實(shí)驗系統使用RFID-RD522射頻模塊。RFID-RD522是一種非接觸式讀取IC卡的刷卡模塊[15], 該模塊由控制單元、EEPROM存儲單元、高速RF接口和繞線(xiàn)線(xiàn)圈天線(xiàn)組成。刷卡部分的工作原理是:讀寫(xiě)器向IC卡發(fā)1組固定頻率的電磁波, 在電磁波的激勵下, IC卡將卡內數據發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器的數據。RFID-RD522與STM32單片機之間采用SPI通信協(xié)議。RFID-RD522的接口電路設計如圖2所示。其中接口1—接口4與STM32的SPI2的4個(gè)數據接口NSS、SCK、MOSI、MISO相連接。

圖2 RFID-RD522刷卡模塊接口電路

　　2.2、數字量I/O部分硬件設計

　　I/O口輸入部分主要指按鈕信息的輸入。本實(shí)驗系統用到5個(gè)按鈕, 電路設計的任務(wù)是將每個(gè)按鈕“按下”的信息轉化為電平信號, 并通過(guò)I/O口傳給STM32單片機以便進(jìn)行下一步操作。本實(shí)驗系統按鈕輸入部分的硬件電路如圖3所示。

　　在數字量輸出接口硬件設計中, 用3個(gè)繼電器的通斷分別控制三色燈的亮滅。而繼電器的通斷由STM32單片機I/O口輸出的電平信號來(lái)控制。其中控制紅燈亮滅的數字量輸出接口電路如圖4所示。

　　圖4中的OP5為達林頓輸出光耦TLP127, 需滿(mǎn)足輸出端電流IC與輸入端電流IF之比IC/IF≥5。已知IC max=150mA (滿(mǎn)足繼電器電流驅動(dòng)條件) , 則IF≤30mA。取輸入IF=10mA時(shí), TLP127輸入端固有電阻R=115Ω。輸入端根據歐姆定律得到如下不等式:

圖3 按鈕輸入部分硬件電路設計

圖4 控制紅燈亮滅的數字量輸出接口電路

　　求得:R24≥215Ω, 這里取R24=1kΩ。

　　2.3、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分硬件設計

　　本實(shí)驗系統使用ESP8266實(shí)現Wi-Fi通信功能。該模塊內置TCP/IP協(xié)議棧, 能夠實(shí)現串口與Wi-Fi之間的轉換, 從而實(shí)現與單片機之間的通信。ESP8266模塊支持STA、AP和STA+AP等3種工作模式, 本實(shí)驗系統選用STA工作模式。

　　在STA模式下, ESP8266模塊通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng), 電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現對設備的遠程控制, 其接口的設計如圖5所示。圖5中接口3與STM32單片機串口3的RX相連, 接口4與STM32單片機串口3的TX相連。

圖5 Wi-Fi模塊接口電路

　　2.4、系統電源部分設計

　　電源部分的設計采用兩個(gè)原則: (1) 減少電源輸出電壓波動(dòng), 避免給工作模塊帶來(lái)干擾; (2) 輸出的電量能滿(mǎn)足各個(gè)模塊的用電需要。本實(shí)驗系統采用電源隔離來(lái)減少干擾:電源部分采用隔離電源模塊, 輸入輸出部分采用光耦來(lái)進(jìn)行電源隔離。

　　電源隔離后向刷卡模塊、Wi-Fi模塊和STM32單片機供電, 需要的電壓均為3.3V, 工作時(shí)能達到的峰值電流分別為30mA、200mA和150mA。要使所有的模塊正常工作, 供電電流至少為所需要電流的2倍, 即電源模塊至少能輸出760mA的電流。本實(shí)驗系統采用12V轉3.3V的隔離穩壓模塊, 其功率為5 W, 輸出電流為1.5A, 滿(mǎn)足上述要求。電源部分電路設計如圖6所示。

圖6 電源部分電路圖

　　使用Altium Designer對每部分硬件電路進(jìn)行原理圖設計, 并將原理圖導入成PCB圖, 經(jīng)過(guò)布板、布線(xiàn)并進(jìn)行覆銅后在3D視圖下查看效果, 如圖7示。

圖7 安燈系統PCB板

　　3、實(shí)驗系統軟件設計

　　本系統軟件設計使用結構化C語(yǔ)言編程, 主要包括:RFID刷卡部分、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分。整個(gè)系統的工作流程如圖8所示。

圖8 系統工作流程圖

　　3.1、RFID刷卡部分軟件設計

　　刷卡模塊與STM32單片機之間采用SPI通信, 因此在模塊初始化時(shí)要進(jìn)行SPI的初始化, 然后進(jìn)行模塊的軟件復位, 之后刷卡模塊會(huì )掃描感應區內所有符合14443A標準的卡。

　　當刷卡模塊掃描到有效IC卡時(shí), 會(huì )返回字符串“MI_OK”, 進(jìn)而進(jìn)行下一步讀取卡號的操作, 將讀取的卡號進(jìn)行奇偶校驗, 校驗成功后刷卡模塊會(huì )將卡號通過(guò)SPI通信傳給單片機, 單片機通過(guò)串口通信傳給Wi-Fi模塊, 通過(guò)Wi-Fi模塊發(fā)送卡號。RFID刷卡部分軟件設計的流程如圖9所示。

圖9 RFID刷卡部分軟件設計流程圖

　　3.2、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分軟件設計

　　先進(jìn)行Wi-Fi模塊的初始化和串口3的初始化, 然后STM32單片機通過(guò)串口檢測Wi-Fi模塊是否在線(xiàn)。確認Wi-Fi模塊在線(xiàn)后, 使用“AT”指令將Wi-Fi模塊設置為“Wi-Fi STA”模式, 并將傳輸方式設置為透傳方式。同樣用“AT”指令, 將模塊復位, 設置要連接目標路由器的IP地址和密碼。Wi-Fi模塊與目標路由器連接成功后, 可進(jìn)行下一步操作。Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分的流程如圖10所示。

圖10 Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信部分流程圖

　　無(wú)線(xiàn)傳輸就緒后, 單片機通過(guò)串口將數據幀傳給Wi-Fi模塊, Wi-Fi模塊再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據幀傳給服務(wù)器。反向傳輸同理。傳輸的數據幀包括幀頭、設備號、指令碼和狀態(tài)碼4部分, 如表1所示。

表1 數據幀舉例

　　4、實(shí)驗結果

　　使用裝有網(wǎng)絡(luò )調試助手的PC機作為服務(wù)器, 測試安燈實(shí)驗系統的有效性。無(wú)線(xiàn)傳輸的幀結構為幀頭A10011, 設備編號01-99, 狀態(tài)信息, 亮燈信息, 故障信息等, 可以根據需要擴展。

　　表1中第一條指令是服務(wù)器發(fā)送握手指令, 幀頭為A100011, 設備號為05, 指令碼05表示設備上電與服務(wù)器握手交互狀態(tài)。

　　第二條指令是服務(wù)器收到設備的握手指令返回給設備的信息803, 803表示此時(shí)服務(wù)器希望亮起綠燈。

　　第三條指令設備號“05”后面表示卡號, 設備讀取卡號將此條信息上傳給服務(wù)器。然后服務(wù)器校驗卡號通過(guò)后, 提報人可以按下按鈕。

　　下一條指令為設備將第一個(gè)按鈕按下的信息上傳給服務(wù)器。再后面的指令信息分別是服務(wù)器命令設備依次亮起紅燈、黃燈、綠燈的信息。圖11為網(wǎng)絡(luò )調試助手指令傳輸界面。圖12為設備亮起綠燈的實(shí)物圖。

圖11 安燈系統網(wǎng)絡(luò )調試助手界面

圖12 安燈系統實(shí)物圖

　　5、結語(yǔ)

　　基于STM32單片機設計的無(wú)線(xiàn)安燈實(shí)驗系統已在創(chuàng )新實(shí)踐環(huán)節中應用, 在山東科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)施, 使學(xué)生既掌握了新知識, 又綜合應用了微機原理與接口技術(shù)、計算機控制技術(shù)等課程的相關(guān)知識, 達到了培養學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

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