物联网实战--入门篇之(八)嵌入式-空气净化器

目录

一、风扇调速

二、通讯协议

三、净化器运行逻辑

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一、风扇调速

        单片机是不能直接驱动电机的，因为主芯片的驱动电流比较小(50mA左右)，他们之间正常还要有个电机驱动器，常用的有TB6612、L298和L9110等，目前项目用的这个电机它是内置了驱动器的，什么型号不清楚，作为应用层只要给个PWM信号就行了。

        PWM基本原理就是通过控制开关的时长进行调速，STM32通过定时器发生器，可以把开关周期控制在毫秒以内，这样我们宏观上就不会有卡顿的感觉了。

        下面是具体的代码，这些代码都比较常规，要注意的是PWM输出要手动开启TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE)，可能是PA8引脚与串口1的初始化有冲突了。

/*		
================================================================================
描述 : 风扇电机初始化
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
void app_motor_init(void)
{
// 使能TIM1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
 
    // 使能GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
 
    // 设置GPIOA_8为复用功能推挽输出
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
    // 初始化TIM1 PWM模式
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWMPeriodValue-1; // 周期为10k
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1; // 预分频器设置为7199，确保计数器的频率为1MHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
 
    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;	
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//选择PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//输出比较极性选择
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//输出使能
    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);//初始化 TIM1 OC1
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);//使能CCR1自动重装
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM1,ENABLE);//开启预装载  
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);//手动开启,防止与串口1冲突后不启动
 
 
    // 使能TIM1的输出比较预装载寄存器
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);
 
    // 使能TIM1
    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  
    
    
    printf("app_motor_init ok!\n");
}

        在使用上就很简单了，就是不断改变PWM值就行了，如下所示。这里还有个系数0.6主要是为了防止电流过大，影响主控设备稳定。

/*		
================================================================================
描述 : 设置速度
输入 : speed 0~255,速度分为256级
输出 : 
================================================================================
*/
void app_motor_set_speed(u8 speed)
{
  g_sAirWork.fan_speed=speed;
  u16 value=speed*PWMPeriodValue/255*0.6;//系数主要是防止电机电流过大影响设备稳定
  printf("pwm val=%d\n", value);
  TIM_SetCompare1(TIM1, value);
}

二、通讯协议

        这里的通讯协议是指在MQTT之上的应用层通讯协议，属于我们自定义的内容，由此我们也可以知道，协议也是一层一层堆起来的，每个场景有各自适合的协议。通讯协议在物联网系统里是最重要的，如果交流语言都不通了，还谈什么联网。

        自定义协议满足自己的要求即可，但是我们的要求也不能太低，至少要满足以下几个要求：

1、二进制传输，比较高效、省流量，这在使用4G流量卡的时候就很关键了；

2、易检索，可以在一堆数据包里找到明显特征并解析，可以解决粘包问题；

3、正确性，要有校验码，确保数据正确；

4、方便代码书写，这样可以在各类系统中使用；

5、没有网络大小端问题，这是早期很多人用结构体传输时候经常碰到的问题。

        上图是基本的协议框架，包含了帧头、数据长度、设备码、命令和校验码等关键通用的信息，需要注意的是，这里整形数据都采用高字节先传输的原则，比如数据总长Len，先传输Len的高8位，再传输低8位，具体的整合代码如下：

        这里面有个入口参数cmd_type，根据这个项目的定义如下。

        在实际使用的时候举例如下，把自己应用层的数据按你自己的顺序要求打包好发送就行了。

        细心的同学会发现，上图中在传输温度数据时候比较特别，先把数值乘以10再加1000，为什么要这么操作？主要是为了保证传输的数据都是正整数，避免了网络大小端的问题，这里的乘以10是保留小数点后一位，传感器返回的数据最小是-45.0，乘以10就是-450，再加上1000就可以保证这个数值是正整数，最后再把这个正整数高8位、低8位依次存进数组内。对于接收端，解析就是一个逆向过程了，具体如下图所示，获取到原始数据后先减1000再除以10.0，这里要记得是10.0而不是10，这样才能保持小数。

        对于接收端，就是按照协议一步步解析即可，代码很简洁、模式很固定的，具体的可以工程项目打开来看看。

 
/*		
================================================================================
描述 : 设备解析服务器下发的数据
输入 : 
输出 : 
================================================================================
*/
void app_air_recv_parse(u8 *buff, u16 len)
{
  u8 head[2]={0xAA, 0x55};
  u8 *pData=memstr(buff, len, head, 2);
  if(pData!=NULL)
  {
    u16 total_len=pData[2]<<8 | pData[3];
    u16 crcValue=pData[total_len]<<8 | pData[total_len+1];
    if(crcValue==drv_crc16(pData, total_len))
    {
      pData+=4;
      u32 device_sn=pData[0]<<24|pData[1]<<16|pData[2]<<8|pData[3];
      pData+=4;
      if(device_sn!=g_sAirWork.device_sn)//识别码确认
        return;
      u8 cmd_type=pData[0];
      pData++;
      switch(cmd_type)
      {
        case AIR_CMD_HEART://心跳包
        {
          
          break;
        }
        case AIR_CMD_DATA://数据包
        {
          
          break;
        }
        case AIR_CMD_SET_SPEED://设置风速
        {
          u8 speed=pData[0];
          pData+=1;
          app_motor_set_speed(speed);
          break;
        }        
        case AIR_CMD_SET_SWITCH://设置开关
        {
          u8 state=pData[0];
          pData+=1;
          g_sAirWork.switch_state=state;
          if(state>0)
          {
            app_motor_set_speed(100);//启动风扇
          }
          else
          {
            app_motor_set_speed(0);//停止风扇
          }
          app_air_send_status();
          break;
        }
      }
    }
  }
}

三、净化器运行逻辑

        到目前为止，嵌入式端的各个模块基本上讲解完成了，剩下的就是如何把他们整合起来的问题了。从任务上来讲就三个部分：一是通讯连接，二是传感数据采集和发送，三是风速和开关控制。这里面任务最繁忙的要数通讯连接了，要驱动WiFi连接以及MQTT的运行，比较庞大，理论上要用RT-Thread单独为它创建个任务，但是这里由于传感数据采集内容较为简单，这里就不那么麻烦了，直接放一起就好了。对于风扇和开关控制属于被动的，其实已经在数据解析里完成了，即跟MQTT主程序同一个任务。总的来讲，就是下图这个任务了，对照着注释看，很简单。

        这样，整个项目的嵌入式部分就讲解完成了，接下来继续讲解的是手机端开发的内容了。

        

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   写于2024-4-1