25 卷Vol.25 第 第 23 期No.23 基于 Electronic Design Engineering 电子设计工程 STM32/GSM 的嵌入式淋浴系统设计 2017 12 Dec. 2017 月 年 吴 琦，刘 瑜，金冬子 （安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 236001 ） 摘要：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。 关键词：STM32；GSM；嵌入式智能化控制技术；数据采集分析 中图分类号： 1674-6236 2017 23-0155-04 ） （ A 文献标识码： TN919.6 文章编号： Design of embedded shower control system based on STM32/GSM technology WU Qi LIU Yu ， JIN Dong⁃zi ， 236001 ，China） （College of Electronic and Information Engineering，Anhui University，Hefei Abstract: 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 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 Key words: STM32 low cost and stable operation. embedded intelligent control technology ， ； which improved the users ， data acquisition analysis ； GSM ； 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 ，旨在提高用户 淋浴的舒适性。系统基于 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 [1] Cortex-M4 8 大部分：主控 201605131 稿件编号： 根据系统的功能需求，系统分为 2016-05-13 2015 收稿日期： 1995 基金项目：安徽大学 作者简介：吴 琦（ 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 STM32 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 ， 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 UI 控 制 ，进 行 功 能 的 选 择 ，系 统 显 采 用 液 晶 显 示 DS18B20 卡 中 ，温 度 采 集 使 用 屏 ，主 界 面 温度传感器，水流量传感器采集的水流量 数据，同时通过 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 数 据 存 放 在 GPRS TFT SD 201510357052 ） 年国家级大学生创新创业训练项目（ —），男，安徽安庆人。研究方向：电子信息工程，信号处理等。 -155 - 

《电子设计工程》 2017 23 期 年第 1 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 模块中的发短信的功能向酒店 GSM 管理人员反映 图 所示。 系统将 STM32 [2] 。实际电路模块结构及基本功能如 GSM 和 模块结合使用，使得系统 1 图 系统硬件结构 SRAM 2 做 如图 所示。 设备使用使用。 LCD 的的显示驱驱动连接 [3] 内核是 STM32 IIC 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 。 2 系统硬件设计 2.1 STM32 处理器 ST （ 意法半导体）公司基 处理器是 ARM ARM STM32 Crotex- M4 Crotex-M4 内 核 开 发 的 一 系 列 新 型 单 片 机 。 的 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 STM32f407ZGT6 处理器作为控制处理器是一套可靠的方 用 SPI IIS 芯片，需要用到此内核 案。系统采用 串行数据接口， 的 总线， 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 。 2.2 显示模块实现 TFT-LCD 液 晶 显 示 屏 ， 即薄膜晶体管液晶显示器。它在液晶显 TFT 示 屏 的 每 一 个 象 素 上 都 设 置 有 一 个 薄 膜 晶 体 管 （ ），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 TSC2046 像质量 系统中使用 6800 8080 芯片进行触摸屏控制。目前大多数液晶控制器都通 8080 进 行 通 信 ，系 统 利 用 过 或 STM32F407ZGT6 8080 ，由于利用普通 接 通信时序来控制 FSMC FSMC 时序效率低，所以利用 口模拟 4 4 接口是一种总 的 接口驱动显示电路。 NAND NOR FSMC SRAM 线接口，有 个 LCD 8080 写 、 - 就可以当 的时序与 芯片控制液晶屏， MCU IL19341 个专用的片选信号，可以访问最多 闪存或 存储设备， 时序相似，所以在这里 本 系 统 显 示 模 块 采 用 的 是 IL19341 SRAM -156 LCD 接 口 与 I/O [5] 。 [4] 2 LCD 2.3 温度和水流量采集 2.3.1 温度采集 图 驱动电路引脚连接 DS18B20 温度传感器的种类众多，其中 具有超 1 DS18B20 小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高， 2 附加功能强的优点。 的主要特征： ）全数 ）先进的单总线数据通信。所有 字温度转换及输出 的单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数 1[6] 据的完整性。 种信号类型：复位脉 3 冲、应答脉冲、写 的硬 件连接如图 DS18B20 0 1 、写 所示。 6 和读 DS18B20 0 共有 、读 。 3 DS18B20 图 硬件连接 单总线上的所有通信都是以初始化序列开始， 

STM32/GSM 的嵌入式淋浴系统设计 ID 可以得到卡的类型和 2.5 GSM 模块SIM900A 2.5.1 GPRS 数据采集 号，完成刷卡工作。 吴 琦，等 基于 0 STM32 和写 1 的时序图，相应的写 DS18B20 初 始 化 过 程 包 括 复 位 过 程 和 从 机 应 答 过 程 ，按 照 并保持一定的 DS18B20 时间，时间延时系统采用 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 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 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 16 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 所示。 4 4 [7] / STM32 TM2~TM5 流量传感器输出脉冲波形 的当前计数值，在对 图 拥有强大的定时器功能，它的通用定时 比较寄存器 器 ，寄存器在输入 拥有捕获 PWM TMxCNT 时被用于捕获输入脉冲在电平发生发生翻转时的 GPIO 脉冲输入进行分 析的时候，将流量传感器的脉冲通过 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 MFRC522 ， ）读写卡芯片。此 是高度集成的非接触式（ 13.56 MHz 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（ 系统中用到的射频模块为 13.56 MHz MFRC522 ）。 MFRC522 ISO 14443A/MIFARE® [8] 卡 MFRC522 的 内 部 发 送 器 部 分 可 驱 动 读 写 器 天 和应答机的通信，无 线与 ISO 14443A/ 需其它的电路。接收器部分提供一个功能强大和高 MIFARE® 效 的 解 调 和 译 码 电 路 ，用 来 处 理 兼 容 MIFARE® 的 卡 和 应 答 机 的 信 号 。 支 持 424 kbit/s[9] 更高速的非接触式通信，双向数据传输速 RC522 。 率高达 STM32 STM32 串 行 接 口 与 模块作为 进行通信， ，否则数据 从机，要注意通信速度不能超过 读取可能会出错，造成系统工作的不稳定。系统启 动时， 模块开启天线，当有射频卡靠近时，就 SPI RC522 10 Mbit/s 作为主机， 模 块 是 采 用 RC522 系 统 中 是 标准。 GSM GPRS GPRS 2 .5G 标准的过渡阶段 ，即 Internet GPRS 3G 术的发展带来了新的活力。 GSM 向 TCP/IP 的 费电子中得到了广泛的应用。 速率可达到 出了各自的 足各种数据采集系统的需要 无线上网技术的快速发展给数据采集技 网络通信 在现有 网 络 的 基 础 上 引 入 分 组 交 换 的 功 能 ，支 持 协议，可以与 直接相通，因此已在消 171.2 kb/s 理论最高通信 GPRS ，且国内外各大通信公司均推 通信模块，稳定性好，完全能够满 GPRS [10] SIM900A TCP GPRS 。 SIM900A 模块进行 数据传输。 [11] 通信 兼有 GPRS ，实现 ， 系统使用 模块与电脑的 短息，打电话的功能。 GSM 系统之前采集的温度和水流量的信息就通过此 的电脑不断传送数 模块实时地向管理人员的所在 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 IP [12] 通过 此模块使用 接口）或三线（ IIS 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 。 2.6 音乐播放模块WM8978 I2S WM8978 WM8978 系 统 音 乐 播 放 模 块 所 使 用 的 音 频 解 码 器 是 MCU 接口（即数字音频接口） ， IIC MODE=0 MODE=1 进行音频数据传输（支持音频接收和发送）， 同 通过两线（ ） ，即 [13] WM8978 接口进行配置 。 DAC WM8978 系统中将 当做 IIS 进行初始化，包括复位， 要对 WAV 进行初始化，包括 音量的设置，随后对 IIS 标准等，接下来要对 信号的采样率和位数。 DMA 是 采 用 DMA 量，系统通过开启 到 UI 系统在很多时候需要用到大量存储的数据，比 RAM ，音乐播放模块所需要的音乐文件， 的空间有限，无法存储系统所需 接 的从机来使用，首先 IIS 设置以及 模式， 文件进行解析，取得音频 在播放音频的时候，一般 的 工 作 数据 STM32 如系统的界面 的内部 大容量的数据，此时系统就要利用 口驱动来进行扩展 的缓冲区，就可以进行音乐播放了。 来 传 输 的 ，这 样 可 以 减 轻 CPU WAV 传输，并及时填充 STM32 DMA 的 。 [14] SDIO -157 - 

2017 《电子设计工程》 23 期 年第 3 系统软件设计 系统。 UCOSIII 由于系统系统需要同时执行多项任务，为了保 UCOSIII 证 各 项 任 务 能 够 正 常 的 运 转 ，程 序 当 中 使 用 了 了 是支持多个任务拥有同一优 CPU 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 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。 AT STM32 程序中设置了 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 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 的串口发送 GPRS 指令送到 所示。 5 4 5 图 主程序流程图 4 结束语 STM32/GSM STM32 文中完成了基于 GSM FSMC 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 模 块 ，保 障 了 一 旦 系 统 故 障 能 够 及 时 维 中 的 护。实验证明，由于 拥有灵活的静态存储器 ，便于系统扩展存储器以及连接液晶显 控制器 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 -158 - 2 54. :50-51 STM32 的热水器控制器与网络接口 基于 微型机与应用， 低碳旅游视角下酒店管理模式研究 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] . 参考文献： [J]. 蔡妍娜 [2] . 设计 姚蔚蔚 [3] 产力研究， 张逢雪，王香婷，王通生，等 的无线智能家居控制系统 用， 丁力，宋志平，徐萌萌，等 测控系统设计 2014 :203-204. . [J]. 98-101. [J]. 44:260-265. 的嵌入式 中南大学学报：自然科学版， 单片机 自动化技术与应 STM32 STM32 2012 2011 [J]. [4] 30 基于 基于 ）： 5 8 （ ） ， 生 （ ） ， （ . [5] [6] [7] ， 2013 TFT-LCD 30 3 （ ） :444-450. 尤卫卫，冒建亮，叶桦 基于 ） 10 :228-231. 向阳，曾超尘，熊瑛，等 温室远程监控系统研究 （ 曹彬乾，程远增，孙书鹰，等 机多细分控制的设计 [J]. :6893-6897. 13 23 [J]. . 基于 [J]. . . STM32 和 CPLD 2015 的 ， GP S Ｒ 网络的育苗 2015 农机化研究， STM32 基于 科学技术与工程， 步进电 ， 2013 [J]. 显示控制器设计 液晶与显示， （ ） ） （ 基于 通信方案 读卡器电路设计实 [8] MFRC523: [9] . [10]Yanbo Zhao 13.56 MHz 4 :17. RFID 2014 12 security 2010 RC522 :168-169. Zhaohui Ye.A low cost GSM/GPRS system[J].IEEE 54 非接触式读写 （ 的 数字技术与应用， 世界电子元器件， 袁乐民 现 [J]. based wireless home Transactions on Consumer Electronics 2 SIM900 [J]. GSM （ 王铁流，冯正乾，周尚，等 程海洋监测终端机的设计 的无线远 电子测量技术， :567-572. 2008 2012 [11] 12 基于 ） ， ， ， ） （ ） . . : 短信的智能家 ） 2013 6 36 WM8976 ， （ 潘朝，罗小巧，黄佳，等 居控制系统的设 121-124. 基于 电子测量技术， 基于 [J]. 2011 33 . 音 周鹏，王承，汤银焕，等 武汉理工大学学报·信息与管 频驱动的设计 （ 理工程版， 基于 黄晓曦，黄世震 计算机与数字工程 ， SDIO :159-163. ALSA . 4 :517-520. ARM 2010 1 驱动设计 的 ） [J]. ， ） （ 的 :108-111. [J]. [12] [13] [14]