基于PIC32的居室智能化平臺的設計與實(shí)現

摘要 系統以PIC32單片機作為核心控制器，植入TCP/IP通信協(xié)議和文件系統，通過(guò)WiFi模塊和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)存儲在SD卡設備文件中的系統參數和傳感數據，并能進(jìn)行參數的配置和數據的管理，進(jìn)而實(shí)現智能家居系統的遠程監控、管理和控制。系統可通過(guò)個(gè)人電腦或手機進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，具有較好的人機交互功能，方便易用，功能可擴展性強，且設計運行成本低。

關(guān)鍵詞 PIC32;智能家居;WiFi;信息管理;數據庫

隨著(zhù)人們對智能居室系統要求的不斷提高，智能化系統正向著(zhù)傳感節點(diǎn)多、數據量大、控制更加復雜的方向發(fā)展。針對具有復雜節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的系統來(lái)說(shuō)，系統參數的配置和數據的管理顯得尤為重要。通常情況下，系統會(huì )配合專(zhuān)用服務(wù)器及數據庫實(shí)現遠程控制和數據的管理。但對于小型的家居系統而言，整個(gè)系統的運行需使用專(zhuān)用的服務(wù)器來(lái)支撐，這通常是沒(méi)必要的，由此不僅增加了系統的設計成本，還會(huì )使系統的運行成本大幅增加，造成資源的浪費。本文旨在通過(guò)架構基于PIC32微控制單元(Micro Control Unit，MCU)的嵌入式服務(wù)器來(lái)實(shí)現更加簡(jiǎn)潔實(shí)用的居室智能化系統。系統控制核心兼做數據服務(wù)處理器，大幅降低了系統的設計和運行成本，適合于中小型智能系統中的參數和數據的管理。另外，系統還可配合云端服務(wù)器進(jìn)行使用，完成數據的同步等任務(wù)，更具有實(shí)際的設計價(jià)值。

1 系統組成與原理

系統核心微處理器采用Microchip公司的PIC32MX695F512L32位單片機，其內部資源豐富，具有圖形接口、USB控制器、CAN模塊、以太網(wǎng)接口、ADC模塊等，最高工作主頻可達80 MHz，適用于智能化系統中，不僅方便各種傳感數據的采集，人機交互功能的實(shí)現，也具有一定的數據處理能力。WiFi模塊選用的是該公司的 MRF24WGOMA，該模塊可通過(guò)SPI接口與PIC32 MCU進(jìn)行通信，通過(guò)該模塊使系統接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以達到通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對系統進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的目的?？梢暬瘎?dòng)態(tài)Web交互界面主要采用 HTML，JavaScript，AjaX，jQHery和CSS網(wǎng)絡(luò )前端設計語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，并將相應Web服務(wù)端文件存儲在SD卡中，核心處理器解析到網(wǎng)絡(luò )頁(yè)面或文件請求后，在SD卡中進(jìn)行相應文件的查找，若文件存在，則對SD卡相應文件進(jìn)行讀取，并將文件數據返回，以呈現在客戶(hù)端。若需要對系統進(jìn)行配置或控制，則處理器通過(guò)解析相應的請求和參數，將相應的信息寫(xiě)入文件，或直接轉化為對設備的控制信號。系統中數據的來(lái)源主要通過(guò)傳感器模塊進(jìn)行采集，而控制器指的是居室系統中的各種受控設備的控制驅動(dòng)電路。傳感器和控制器根據不同的系統會(huì )做出不同的調整，本文僅選擇單個(gè)節點(diǎn)用作測試。系統組成如圖1所示。

2 硬件平臺設計

2.1 WiFi模塊

MRF24WGOMA是符合IEEE 802.11的低功耗2.4 GHz表面貼裝模塊，含有所有相關(guān)的RF元件——晶振、帶集成MAC的旁路和無(wú)源偏置電路、基帶、RF和功率放大器，以及支持AES和TKIP(WEP、 WPA和WPA2安全性)的內置硬件。支持802.11 b/g無(wú)線(xiàn)通信，最高傳輸速率可達54 Mbit·s-1。

模塊采用從動(dòng)SPI接口與微控制器連接，配合中斷，休眠，復位控制接口，完成各項功能控制和數據傳輸，SPI接口的同步時(shí)鐘頻率最高可達25MHz，傳輸速率可達25 Mbit·s -1。典型的連接方式如圖2所示。PIC32微控制器做主設備，MRF24WG0MA模塊作為SPI從設備。因此SPI的同步頻率有PIC32MCU控制產(chǎn)生。

為中斷信號引腳，在WiFi模塊接收到數據后，負責向主控制器發(fā)出中斷處理信號以接收數據。HIBERNATE為冬眠控制引腳，主控制器可通過(guò)該引腳控制其工作模式，使其達到最佳節能效果。

MRF24WG0MA模塊需要與Mierochip的TCP/IP軟件協(xié)議棧配合使用。該軟件協(xié)議棧集成有驅動(dòng)程序，其實(shí)現的API在模塊中用于命令和控制，以及管理和數據包通信。

2.2 SD卡模塊

SD數據存貯卡可分為SD和SPI兩種工作模式，SD模式是標準的默認模式，該模式下利用SD總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，位寬一般為4 bit，讀寫(xiě)最高時(shí)鐘可達50 MHz，讀取速度能到達20 MByte·s-1以上，可充分發(fā)揮SD卡的性能。而SPI模式則是SD卡可選的第二種模式，該模式下利用SPI總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，位寬為1 bit，時(shí)鐘最高只能到25 MHz，讀取速度通常低于3 MByte·s-1，但該模式對硬件要求較低，可將設計花費減到最小。鑒于本次設計對SD卡的讀寫(xiě)速率要求不高，并需要能較好地與WiFi模塊通信帶寬和數據的處理速度進(jìn)行配合，采用SPI模式基本可滿(mǎn)足設計要求，系統采用Miero SD Card作為數據存儲器，器件引腳定義及典型SPI模式應用電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件架構

系統軟件部分，是在Microehip公司提供的TCP/IP協(xié)議棧和應用層Http協(xié)議基礎上進(jìn)行應用程序的設計與開(kāi)發(fā)的。整個(gè)系統架構框圖如圖4所示，其中用戶(hù)應用層的設計是本次設計的核心工作。

3.2 嵌入式服務(wù)器的設計

該平臺下嵌入式服務(wù)器，主要是基于PC端瀏覽器和移動(dòng)端APP進(jìn)行設計的。因此，僅采用HTTP協(xié)議即可滿(mǎn)足設計要求，HTTP協(xié)議是建立在TCP/IP 協(xié)議之上的應用層協(xié)議，客戶(hù)端進(jìn)行數據發(fā)送時(shí)會(huì )對報文進(jìn)行格式化，因此只需在服務(wù)器端對報文格式進(jìn)行解析，提取相應的控制信息和數據即可;返回數據時(shí)也需要將返回的內容格式化成HTTP協(xié)議報文格式，以便被客戶(hù)機解析。TCP/IP連接建立過(guò)程和數據收發(fā)流程如圖5所示。

首先服務(wù)器端需要進(jìn)行系統初始化工作，包括打開(kāi)套接字，綁定端口，建立偵聽(tīng)等，最后將狀態(tài)轉移到“接受連接請求”;TCP是面向連結的傳輸機制，客戶(hù)端與其套接字建立連接前需要進(jìn)行3次“握手”確認，才能通過(guò)建立連接的套接字進(jìn)行數據的收發(fā)，數據格式均采用HTTP協(xié)議，在HTTP報文解析部分，通過(guò)編寫(xiě)的應用程序，將HTTP請求的參數和數據解析出來(lái)，根據實(shí)際應用將服務(wù)器端狀態(tài)機進(jìn)行轉移，狀態(tài)機主要包括通過(guò)外設獲取信息，向I/O口發(fā)送控制信息，進(jìn)入文件系統讀取SD卡中的相應文件并將數據返回，或者將提交的數據信息寫(xiě)入文件或更新系統狀態(tài)等。套接字連接一旦建立將會(huì )一直保持，除非客戶(hù)端或服務(wù)器端主動(dòng)請求斷開(kāi)，例如客戶(hù)端直接關(guān)閉應用程序或服務(wù)器端長(cháng)時(shí)間無(wú)數據請求自動(dòng)斷開(kāi)。

3.3 數據管理軟件的實(shí)現

數據管理軟件部分是基于文件系統API進(jìn)行設計的。文件系統提供的基礎API主要包括open()，close();read()，write()，seek()等接口函數;而所需主要數據操作函數如表1所列。

數據存儲文件選擇普通的文本文件基本可滿(mǎn)足要求，但考慮到數據的增刪查改實(shí)際操作的需要，選擇標簽語(yǔ)言文件XML格式更便于應用程序的編寫(xiě)，另外當客戶(hù)端進(jìn)行數據加載時(shí)，通過(guò)MSXm12組件也能方便地直接加載數據。

考慮到人機交互的用戶(hù)體驗以及PIC32 MCU的數據處理能力，文中將眾多運算處理放在了前端文件中，前端文件一旦首次加載成功，便可在客戶(hù)機完成主要的人機交互操作，最終將處理后的數據通過(guò)部分提交的方式發(fā)送至服務(wù)器端，使用Ajax部分提交技術(shù)無(wú)需重載界面，提高微控制器的處理能力。另外，由于大部分人機交互的工作可放在前端通過(guò) JavaScript腳本語(yǔ)言處理。因此，需提交的數據量也會(huì )大幅減小，PIC32的處理任務(wù)也會(huì )相應減少，資源利用率也有所提高，能使系統達到一個(gè)比較好的運行狀態(tài)。

在表1所列出的關(guān)鍵函數中，file_read_line()按行讀取文件內容，多用于檢索數據。sys_config()實(shí)現的功能是更改指定標簽后的設定值，主要用于進(jìn)行系統參數配置。rc ad_config()用于讀取配置信息，即讀取指定標簽后的設定值，多用于系統參數的實(shí)時(shí)顯示和監控。modify_flag()用于修改固定格式數據條目中的指定數據，例如讀取數據條目時(shí)，若該條目已被讀取過(guò)，則修改條目中相應標記為已讀取或修改為已被讀取的次數。 rcad_next_schedule()按順序或條件讀取固定格式數據，其更多地用于管理具有時(shí)間標記的數據。

在智能居室系統多以時(shí)間為控制主線(xiàn)，很多數據都具有時(shí)間標記，通常需要根據時(shí)間節點(diǎn)進(jìn)行數據操作，由于日期和時(shí)間數據的特殊性，在進(jìn)行具有時(shí)間標記的數據條目的讀寫(xiě)前，進(jìn)行日期時(shí)間的計算是必須的，這在較多數據操作中均有體現。add_item()增加固定格式數據條目。del_line()按行刪除數據，被調用時(shí)會(huì )先按照標記如索引ID號查找該條目，然后刪除。clear_data()用于清除數據文件內容，因為用的是XML文件，所以實(shí)際進(jìn)行數據清除操作時(shí)應保留文件頭。run_log()用于記錄系統運行日志，設備運行狀態(tài)的變換都會(huì )被記錄下來(lái)，這對于系統運行的監控和維護是非常必要的。通過(guò)以上基本的數據操作函數，可以完成對數據的增、刪、查、改等操作，能夠滿(mǎn)足系統的設計要求。

4 系統測試

4.1 測試平臺

測試平臺采用Chipkit-WF32核心板與外圍設備擴展板組成。Chipkit-WF32核心板集PIC32MX695F512L單片機、MRF24WG0MA WiFi模塊和Micro SD卡接口于一體，配合設計的用于連接各類(lèi)傳感器、控制器和顯示設備的外設擴展板構成居室智能化系統硬件平臺。測試平臺硬件實(shí)物如圖6所示。

4.2 測試結果

通過(guò)系統配置的網(wǎng)絡(luò )參數對系統平臺進(jìn)行登陸訪(fǎng)問(wèn)，系統參數配置以及通過(guò)傳感器(溫度)實(shí)時(shí)采集的信息實(shí)時(shí)更新到客戶(hù)機前端，通過(guò)配置界面或者控制界面也可對系統的配置進(jìn)行更改和外設模塊的控制。另外實(shí)時(shí)數據也可以被記錄到系統后臺數據文件中，可單獨或批量調出，方便查看。系統的所有配置，數據詳情以及控制日志等數據均進(jìn)行相應存儲，并可進(jìn)行基本的管理。圖7為通過(guò)PC端IE瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)系統的部分結果。

5 結束語(yǔ)

采用PIC32 MCU移植TCP/IP協(xié)議和FAT32文件系統，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的居室智能化信息平臺可方便實(shí)現居室智能化系統本地數據的管理及控制，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據與云端同步，并實(shí)現遠程控制。大幅降低了智能控制類(lèi)家居系統的設計成本和運行成本，也在一定程度上提高了系統的易用性和易維護性。