基于STM32/GSM的嵌入式淋浴系统设计

吴琦，刘瑜，金冬子

（安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥236001）

基于STM32/GSM的嵌入式淋浴系统设计

吴琦，刘瑜，金冬子

（安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥236001）

本文基于STM32技术，设计了一种热水淋浴智能控制系统。本系统以STM32F407处理器作为控制器件，用户可以通过不同传感器，根据自身需求对水温进行调控，同时还可播放音乐提升淋浴的舒适性，系统故障信息用户也可通过GSM模块及时向管理人员反映；酒店管理人员可以通过GPRS实现对水温和水流量数据的远程采集分析。本系统通过嵌入式智能化控制技术，解决了智能家居和酒店中热水淋浴的有关问题和不足，性价比高，性能稳定。

STM32；GSM；嵌入式智能化控制技术；数据采集分析

随着以微控制器为代表的嵌入式控制技术的充分应用，日用产品的功能越来越多，对智能控制的要求也越来越高，在信息化高度发展的今天，人们日常生活与网络、信息结合的越来越紧密，蓬勃发展的旅游业和频繁的商务旅行活动使得客人对酒店住宿的舒适性体验有着更高的追求。在这样的背景下，本文设计了这样一个多功能淋浴系统[1]，旨在提高用户淋浴的舒适性。系统基于Cortex-M4内核，结合温度采集模块、水流量采集模块，音乐播放模块，无线传输模块设计完成。

1 总体设计和系统功能

根据系统的功能需求，系统分为8大部分:主控模块、水温测量、水流量测量、射频刷卡模块、采集数据上传分析和系统故障、音乐播放，数据存储、显示。系统的终端设备采用模块化的结构设计思想，各个模块运行相互独立，某一模块出现故障时不会影响到其他模块的正常运行。控制器电路中以STM32芯片为系统的核心，负责各种数据的处理，STM32具有性价比高，性能稳定的特点，所以与市场上其他同类相比具有优势。操作电路采用按键进行控制，进行功能的选择，系统显采用TFT液晶显示屏，主界面UI数据存放在SD卡中，温度采集使用DS18B20温度传感器，水流量传感器采集的水流量数据，同时通过GPRS数据网络将采集到的数据进行上传，便于管理者分析处理。热水阀的开启通过用户使用射频卡进行触发，用户在淋浴的时候可以通过按键开启播放音乐的功能，系统发生故障的时候，用户可以开启GSM模块中的发短信的功能向酒店管理人员反映[2]。实际电路模块结构及基本功能如图1所示。

图1 系统硬件结构

系统将STM32和GSM模块结合使用，使得系统不仅稳定，经久耐用，而且性能好，功能强大，满足用户的体验，对于酒店来说可以为自己树立一个好的名片，提高自己声誉[3]。

2 系统硬件设计

2.1 STM32处理器

STM32处理器是ST（意法半导体）公司基ARM的Crotex-M4内核开发的一系列新型单片机。Crotex-M4内核是ARM公司为了满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的新一代内核，具有门数少，中断延迟少，调试容易等特点，因此使用STM32处理器作为控制处理器是一套可靠的方案。系统采用STM32f407ZGT6芯片，需要用到此内核的IIC总线，SPI串行数据接口，IIS总线以及串口等与外设进行数据交换，实现系统数据的正常处理[4]。

2.2 显示模块实现

本系统显示模块采用的是LCD液晶显示屏，TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量[5]。

系统中使用IL19341芯片控制液晶屏，TSC2046芯片进行触摸屏控制。目前大多数液晶控制器都通过8080或6800接口与MCU进行通信，系统利用8080通信时序来控制IL19341，由于利用普通I/O接口模拟8080时序效率低，所以利用STM32F407ZGT6的FSMC接口驱动显示电路。FSMC接口是一种总线接口，有4个专用的片选信号，可以访问最多4个NOR、NAND闪存或SRAM存储设备，FSMC写SRAM的时序与8080时序相似，所以在这里LCD就可以当做SRAM设备使用使用。LCD的的显示驱驱动连接如图2所示。

图2 LCD驱动电路引脚连接

2.3 温度和水流量采集

2.3.1 温度采集

温度传感器的种类众多，其中DS18B20具有超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强的优点。DS18B20的主要特征:1）全数字温度转换及输出2）先进的单总线数据通信。所有的单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。DS18B20共有6种信号类型:复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1[6]。DS18B20的硬件连接如图3所示。

图3 DS18B20硬件连接

单总线上的所有通信都是以初始化序列开始，初始化过程包括复位过程和从机应答过程，按照DS18B20的时序图，相应的写0和写1并保持一定的时间，时间延时系统采用STM32内部的滴答定时器提供精准的时间定时，初始化之后，就可对DS18B20进行读写了，根据读写时序就可以对其进行一个字节的读取，读取到的数据是一个16位的带符号的二进制补码，对其进行相应的转换便能得到所需要的温度数据。

2.3.2 水流量采集

水流量传感器主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。它装在热水器进水端，用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，传感器输出脉冲波形如图4所示。

图4 流量传感器输出脉冲波形

STM32拥有强大的定时器功能，它的通用定时器TM2～TM5拥有捕获/比较寄存器[7]，寄存器在输入时被用于捕获输入脉冲在电平发生发生翻转时的TMxCNT的当前计数值，在对PWM脉冲输入进行分析的时候，将流量传感器的脉冲通过GPIO引脚输入到定时器的脉冲检测通道，通过相应的寄存器对捕获数据便进行计算可以得出输入脉冲的频率以及水流量的数据。

2.4 射频刷卡

系统中用到的射频模块为MFRC522，MFRC522是高度集成的非接触式（13.56 MHz）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（13.56 MHz）。

MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO 14443A/MIFARE®卡[8]和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路，用来处理兼容ISO 14443A/MIFARE®的卡和应答机的信号。MFRC522支持MIFARE®更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424 kbit/s[9]。

系统中RC522模块是采用SPI串行接口与STM32进行通信，STM32作为主机，RC522模块作为从机，要注意通信速度不能超过10 Mbit/s，否则数据读取可能会出错，造成系统工作的不稳定。系统启动时，RC522模块开启天线，当有射频卡靠近时，就可以得到卡的类型和ID号，完成刷卡工作。

2.5 GSM模块SIM9.0 A

2.5.1 GPRS数据采集

GPRS无线上网技术的快速发展给数据采集技术的发展带来了新的活力。GPRS是GSM网络通信向3G标准的过渡阶段，即2.5G标准。GPRS在现有的GSM网络的基础上引入分组交换的功能，支持TCP/IP协议，可以与Internet直接相通，因此已在消费电子中得到了广泛的应用。GPRS理论最高通信速率可达到171.2 kb/s，且国内外各大通信公司均推出了各自的GPRS通信模块，稳定性好，完全能够满足各种数据采集系统的需要[10]。

系统使用SIM900A模块进行GPRS通信[11]，实现模块与电脑的TCP数据传输。SIM900A兼有GPRS，短息，打电话的功能。

系统之前采集的温度和水流量的信息就通过此模块实时地向管理人员的所在IP的电脑不断传送数据，以供管理人员对数据进行分析处理。

2.5.2 故障信息反映模块

此模块使用GSM模块中的发短信的功能来实现，用户通过按键控制发送短信，发送的短信内容和发送人的号码已经在程序中写好，用户直接根据界面的提示便可完成向管理者发送故障短信的功能[12]。

2.6 音乐播放模块WM89.8

系统音乐播放模块所使用的音频解码器是WM8978，WM8978通过I2S接口（即数字音频接口）同MCU进行音频数据传输（支持音频接收和发送），通过两线（MODE=0，即IIC接口）或三线（MODE=1）接口进行配置[13]。

系统中将WM8978当做IIS的从机来使用，首先要对WM8978进行初始化，包括复位，DAC设置以及音量的设置，随后对IIS进行初始化，包括IIS模式，标准等，接下来要对WAV文件进行解析，取得音频信号的采样率和位数。IIS在播放音频的时候，一般是采用DMA来传输的，这样可以减轻CPU的工作量，系统通过开启DMA传输，并及时填充WAV数据到DMA的缓冲区，就可以进行音乐播放了。

系统在很多时候需要用到大量存储的数据，比如系统的界面UI，音乐播放模块所需要的音乐文件，STM32的内部RAM的空间有限，无法存储系统所需大容量的数据，此时系统就要利用STM32的SDIO接口驱动来进行扩展[14]。

3 系统软件设计

由于系统系统需要同时执行多项任务，为了保证各项任务能够正常的运转，程序当中使用了了UCOSIII系统。UCOSIII是支持多个任务拥有同一优先级的，这些任务采用时间轮转调度方法进行任务调度，也就是说将一个CPU时钟周期分成多片，每一个片分配一定的时间，当一个时间片的时间到了之后，自动切换到任务就绪表中优先级最高的任务。

程序中设置了4个任务，他们会随着时钟信号按顺序不断执行，系统在开启之后，不断地对温度和水流量信息进行采集，并实时地将采集到的数据传通过STM32的串口发送AT指令送到GPRS网络，并且程序中不断检测是否有有效距离内射频卡，检测到则开启热水阀，否则继续向下执行任务，随后的程序会不断查询按键值执行任务。程序运行的流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

4 结束语

文中完成了基于STM32/GSM的淋浴系统设计，性价比高，性能稳定，保证系统能够长时间稳定使用，减少了酒店管理人员的日常维护开销，系统设计中的GSM模块，保障了一旦系统故障能够及时维护。实验证明，由于STM32拥有灵活的静态存储器控制器FSMC，便于系统扩展存储器以及连接液晶显示屏，使得产品结构简洁，避免了了复杂的电路之间造成的干扰。系统具有温度和水流量采集的功能，提升用户的使用的舒适度，对水量的节约使用有了相应的控制，符合现在低碳环保的国家政策。同时音乐播放功能使得系统的设计更加人性化，所以此系统跟市场上的同类产品相比更具优越性，便于在未来市场中的推广，具有广泛的市场前景。

[1]蔡妍娜.基于STM32的热水器控制器与网络接口设计[J].微型机与应用，2014（2）:50-51，54.

[2]姚蔚蔚.低碳旅游视角下酒店管理模式研究[J].生产力研究，2012（5）:203-204.

[3]张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J].自动化技术与应用，2011，30（8）：98-101.

[4]丁力，宋志平，徐萌萌，等.基于STM32的嵌入式测控系统设计[J].中南大学学报：自然科学版，2013，44:260-265.

[5]尤卫卫，冒建亮，叶桦.基于STM32和CPLD的TFT-LCD显示控制器设计[J].液晶与显示，2015，30（3）:444-450.

[6]向阳，曾超尘，熊瑛，等.基于GPRS网络的育苗温室远程监控系统研究[J].农机化研究，2015（10）:228-231.

[7]曹彬乾，程远增，孙书鹰，等.基于STM32步进电机多细分控制的设计[J].科学技术与工程，2013，13（23）:6893-6897.

[8]MFRC523:非接触式读写13.56 MHz通信方案[J].世界电子元器件，2010（4）:17.

[9]袁乐民.基于RC522的RFID读卡器电路设计实现[J].数字技术与应用，2014（12）:168-169.

[10]Yanbo Zhao，Zhaohui Ye.A low cost GSM/GPRS based wireless home security system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54（2）:567-572.

[11]王铁流，冯正乾，周尚，等.基于SIM900的无线远程海洋监测终端机的设计[J].电子测量技术，2012（12）:108-111.

[12]潘朝，罗小巧，黄佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系统的设[J].电子测量技术，2013，36（6）:121-124.

[13]周鹏，王承，汤银焕，等.基于ALSA的WM8976音频驱动的设计[J].武汉理工大学学报·信息与管理工程版，2011，33（4）:517-520.

[14]黄晓曦，黄世震.基于ARM的SDIO驱动设计[J].计算机与数字工程，2010（1）:159-163.

Design of embedded shower control system based on STM32/GSM technology

WU Qi，LIU Yu，JIN Dong-zi
（College of Electronic and Information Engineering，Anhui University，Hefei236001，China）

In this paper，a kind of embedded intelligent control system used in the hot water shower was designed based on the STM32 technology.A STM32F407 processing unit was adopted as the control component.Users can adjust the water temperature through different sensors based on their requirements and enjoy music at the same time when showering，which improved the users’comfortability.Information also can be transmitted to the management personnel immediately through GSM modules when system malfunctions.On the other hand，the management personnel can also realize remote data acquisition and analysis of water temperature and water flow rate through GPRS.This system solved some problems occurred at home and hotels through embedded intelligent control technology which have many advantages such as high performance，low cost and stable operation.

STM32；GSM；embedded intelligent control technology；data acquisition analysis

TN919.6

A

1674-6236（2017）23-0155-04

2016-05-13稿件编号：201605131

安徽大学2015年国家级大学生创新创业训练项目（201510357052）

吴琦（1995—），男，安徽安庆人。研究方向：电子信息工程，信号处理等。