【训练营】涂鸦智能家居空调控制器-695432A - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 项目描述 ## 设计描述 ### 应用需求 参加此次立创EDA&涂鸦智能实战训练营，要求做物联网相关的，使用涂鸦的云模组。一提到云，我最先想到的是智能家居，自己平时工作之余，也做了不少的与物联网相关的项目，做的大大小小的项目不少。家里电器差不多都自己改成智能的。正好最近有做红外遥控空调的想法，加上工作原因，有涂鸦智能云开发需求，所以参加此次训练营。 冬天来了，早上起床太早都不敢掀被子（太冷 /笑哭），一直想改成智能的，用手机控制，支持定时开启/关闭，支持智能场景联动。 ### 功能设计 要实现空调控制，就是要发送红外，所以要有红外发送功能。市面上空调种类繁多，肯定要适用多种品牌和机型，所以要有红外学习功能。要支持场景联动，就要有环境感知传感器。要支持手机控制，就要有云端和模组。 综上，设计功能有： 1、红外发送（红外发射管）；2、红外学习（一体化接收头）；3、室内温度检测（DHT11）；4、手机控制（涂鸦模组）。 ## 成品效果 在实际场景中，空调的安装位置一般都不固定，所以，红外控制器不能近距离控制。参考其他大品牌红外控制器设计，采用壁挂式设计。可以挂在天花板或墙壁上。 控制板全部用立创EDA绘制，自己手工贴片，涂鸦模组上面的文字是被清洗剂洗掉了，操作时大意了（/捂脸）。  使用的公模外壳，安装效果。    ## 硬件设计 ### 原理图设计 ### 电源 电源部分采用Micro USB接口，直接提供5V电源，经过内部分压得到3.3V电压，为MCU、涂鸦模组和外围电路供电。降压采用TI的TLV62569DBVR电源芯片，外围器件少，功率大，纹波小。  ### 云模组 采用涂鸦智能提供的WBR1D-IPEX模组，WBR1D是双频双模模组，支持WIFI和蓝牙，采用MCU接入方案。通过串口与MCU连接。  ### MCU MCU采用ST的STM32F103C8T6，64K的Flash。 ### 红外发射 红外发射采用红外管，因为是壁挂式安装方式，所以对控制范围要求，本设计中采用8颗红外发射管并联，每科管子由一颗大功率三极管驱动，所有三极管由一个控制端驱动。以提高发射功率，提高发射功率后，红外控制范围会明显扩大。（多颗红外管最好并联控制，不要为画PCB方便或者节省器件而选择串联，串联的管子都不会正常工作，发射功率会大幅度下降。）  ### 红外接收 红外接收比较简单，直接采用一体化接收头。  ### 附加电路 #### 按键 按键用于配网使用，但是在实际调试时，模组会自动配网，所以按键改为清除红外预存的数据。 #### LED LED用于只是配网状态和指示进入红外学习模式，以及故障闪烁。 #### DHT11 DHT11用于检测室内温湿度，在本设计中，红外遥控器做为单品使用，DHT11可以向云端上报室内温度、湿度，可实现智能场景联动。 ### PCB设计 PCB设计时，因为是壁挂式，所以选了一个公模外壳，[采购链接](https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.0.0.20272e8dzstiKJ&id=570522908699&_u=62n6hgju95e3)。在设计时器件布局和PCB外形要符合外壳尺寸。 外壳： 
PCB：初版PCB有几个错误，按键位置与LED位置反了，丝印错误，已经更新。

 ## 软件设计 ### 红外接收实现 红外接收比较简单，如果是易于解析的NEC格式编码，直接用定时器捕获外部输入电平时间长度即可，对于不易解析的编码（厂家自定义的编码）采用外部中断和定时器方式测电平时间长度。对于NEC格式编码，按照NEC编码格式的规范，先判断低电平时间，通过长度区分起始码、数据码和结束码。网上例程比较多，这里就不赘述了，要注意的是：有的厂家空调虽然是NEC编码，但是他们的编码中高低电平长度一般都不同，所以在中断中判断电平长度时，要注意设置范围。 具体实现代码请参阅附件中的程序。 ### 红外发射实现 红外发射是红外管完成，注意：红外管不发射红外在接收端输出1，发射红外在接收端输出是0，这里要注意区分。 实现方式用定时器输出一个38K的方波，控制方波输出的时间长度即可实现发送不同的数据和编码。本项目采用两个定时器来实现发送红外，TIM1输出38K载波，TIM3定时，由TIM3计时，控制TIM1输出/关闭PWM，这样可以实现任意时间长度发送。但是这样比较耗费MCU资源，对于STM32来说，影响不大，对于小型MCU就要考虑资源了。 下面是实现红外发送的关键代码： 发送一组完整红外编码Inf\_RX\_NECcoding（） ``` cpp void Inf_RX_NECcoding(uint8_t *pbuff,uint8_t Length,uint8_t quantity) { uint8_t i; TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //开输出 TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); //开定时器 TIM_Cmd(TIM1,ENABLE); while(Inf_RX_StartCode()); //起始码 if(Length>InfraredDataLength) //数据有效长度限制 Length = InfraredDataLength; for(i=0;iInfraredDataLength) Length = InfraredDataLength; for(i=0;i数据发送（1个8位） ``` cpp uint8\_t Inf\_RX\_StartCode\(void\)  {   if(!retemp)   {   retemp=1;   TimerOclk=0;   TIM_SetCompare1(TIM1,1100); //设置占空比为50%   }   if(TimerOclk==441) //低电平时间到   TIM_SetCompare1(TIM1,0); //设置占空比为0   if(TimerOclk==881) //高电平时间到   {   retemp=0;   TimerOclk=0;   }   return retemp; //状态返回  } ``` 篇幅有限，其余代码请参阅附件。 ### 红外学习功能 本项目中只实现NEC编码红外学习，当按下手机端控件时，如果没有指令，会自动进入学习状态，等待发送红外指令。红外指令接收到以后，会自动保存。 ### 云功能实现 因为使用涂鸦的MCU接入方案，云端只做功能和APP界面的配置，并下载MCU的SDK，将SDK移植到代码中即可 云端功能配置  APP界面配置  ### 防跑飞 在实际测试过程中遇到了，设备掉线和控制无反应问题，起初以为是网络问题，更换网络以后，问题依旧存在。拆下板子发现整个PCB发烫，测量MCU供电只有接近2V左右，照理说可以正常工作。拔掉电源，重插，MCU供电恢复。等待问题再次出现时，测得红外管驱动三极管控制端一直是低电平，问题发现了：8颗红外发射管的发射功率比较大，在关闭输出时可能是被中断打断，导致关断不成功，红外管一直处于发送状态，时间一长，8红外管总电流增大，提供给MCU的电流减小，出现假死现象。 为了解决这个问题，增加了三道防线，一是每次发送完成后将输出和定时器一起关闭，这样可以减少中断冲突的几率。二是增加STM32内部测温，一旦检测到温度超过允许值，再管定时器和PWM输出1次，如果超过警报值，直接复位MCU。三是增加看门狗，定时喂狗，防止假死和程序跑飞。 加上这三道防线后，实测问题不再发生。具体实现代码，请参阅附件。 ## 关键点分析 ### MCU_SDK 移植 涂鸦提供配套的MCU SDK，具体使用方式涂鸦也提供很多的文档，b站也有很多案例。我们只需要移植到MCU中即可，通过串口通讯，实现MCU接入。注意接涂鸦模组串口的波特率，一般默认是9600，也可以修改为115200，具体在云端控制台的硬件开发->模组固件中修改。在移植时有以下几个地方要注意： **mcu_api.c** 1、串口接收函数uart\_receive\_input\(\)，要用中断法接收，防止数据丢包 涂鸦提供串口数据接收缓存和数据处理方法，我们不需要再单独去做处理，只需要在串口接收中断里面调用uart\_receive\_input\(\)函数即可。 ``` cpp //USART2中断服务函数  void USART2_IRQHandler(void)  {    uint8_t value ;    if\(USART\_GetITStatus\(USART2\, USART\_IT\_RXNE\) \!= RESET\)  //接收中断   {     value = USART_ReceiveData(USART2); //读取接收数据   uart\_receive\_input\(value\); //数据存入涂鸦缓冲器   }  } ``` 2、数据轮询函数wifi\_uart\_service\(\)，要轮询这个函数，不然模组下发的数据MCU接收不到。放在主循环里面就行。 ``` cpp while (1)  {      wifi\_uart\_service\(\); //轮询涂鸦数据      /*        用户其他函数      */  } ``` 3、协议初始化函数wifi\_protocol\_init\(\)，这是为涂鸦串口数据提供一个缓存空间，在初始化中调用，初始化后不需要再调用。 ``` cpp int main(void)  {   wifi\_protocol\_init\(\); //涂鸦模组协议初始化      /*        用户其他初始化函数      */* *     while(1)* *    {* \*        wifi\_uart\_service\(\); //轮询涂鸦数据\* *     /*        用户其他函数      */     }  } ``` **protocl.c** 1、串口发送函数uart\_transmit\_output\(\)，用调用法发送，也可以用中断。 涂鸦提供串口发送数据处理方法，我们也不需要再单独去做处理，只需要将串口发送语句放在uart\_transmit\_output\(\)函数里即可。 ``` cpp void uart\_transmit\_output\(unsigned char value\)  {    while((USART2->SR &(1<<7))==0);   USART2->DR = value;  } ``` 2、所有数据上报函数all\_data\_update\(\) 我们要在all\_data\_update函数中实现设备数据的传入，涂鸦模组或向MCU申请返回设备全部数据，设备数据通过all\_data\_update函数发送，所以要把设备的数据项传入到对应的函数中。注意：这个函数根据自己云端定义的功能对应，不能直接添加。 ``` cpp void all\_data\_update\(void\)  {      //此代码为平台自动生成，请按照实际数据修改每个可下发可上报函数和只上报函数      mcu\_dp\_bool\_update\(DPID\_SWITCH\,AirControlStructure\.AirPowerControl\); //BOOL型数据上报; //当前开关      mcu\_dp\_value\_update\(DPID\_TEMP\_SET\,AirControlStructure\.AirRunTemper\); //VALUE型数据上报; //当前温度设置  // mcu\_dp\_value\_update\(DPID\_TEMP\_CURRENT\,AirControlStructure\.AirRunTemper\); //VALUE型数据上报; //当前当前温度      mcu\_dp\_enum\_update\(DPID\_MODE\,AirControlStructure\.AirRunMode\); //枚举型数据上报; //当前工作模式      mcu\_dp\_enum\_update\(DPID\_FAN\_SPEED\_ENUM\,AirControlStructure\.AirRunFan\); //枚举型数据上报; //当前风速  //   mcu\_dp\_enum\_update\(DPID\_STATUS\,AirControlStructure\.AirRunFlag\); //枚举型数据上报; //当前状态      mcu\_dp\_bool\_update\(DPID\_AUTO\,AirControlStructure\.AirForceful\); //BOOL型数据上报; //当前自动模式      mcu\_dp\_bool\_update\(DPID\_HEAT\,AirControlStructure\.AirHeat\); //BOOL型数据上报; //当前辅热  } ``` 3、单个数据下发处理函数，在protocl.c中涂鸦定义了与功能对应的处理函数，我们要在对应函数中实现控制代码。示例 ``` cpp static unsigned char dp\_download\_switch\_handle\(const unsigned char value\[\]\, unsigned short length\)    //开关  {      //示例:当前DP类型为BOOL      unsigned char ret;      //0:关/1:开      unsigned char switch_1; switch\_1 = mcu\_get\_dp\_download\_bool\(value\,length\);      if(switch_1 == 0) {   AirControlStructure.AirPowerControl=OFF;//关   AirControlStructure.AirHeat = OFF;       //辅热关      AirControlStructure.AirForceful = OFF;   //强劲关     }else {   AirControlStructure.AirPowerControl=ON; //开     }   AirControlInfRX(); //发送红外代码 //处理完DP数据后应有反馈      ret = mcu\_dp\_bool\_update\(DPID\_SWITCH\,switch\_1\);      if(ret == SUCCESS)          return SUCCESS;      else          return ERROR;  } ``` **其实MCU接入方案，就是串口通讯。涂鸦提供有SDK，在云端定义好功能，配置好固件和APP面板，下载SDK包，移植到MCU代码中就可以用，不要单独做函数设置配网，上云等繁琐的工序。这对产品研发者来讲，不管是测试，还是研发，都是非常友好的。** ### 空调控制 以上工作完成后，重点来了，代码写得再漂亮，电路设计在完美，控制不了空调都等于0。大家都知道空调是红外遥控控制，所以本项目就是发射空调遥控器发射得红外编码，代替遥控器控制控制空调。这里的难点在于如何获得空调的红外编码，目前市面上销售的空调，红外编码都是厂家自定义的。售后或者说明书里面也不会提供具体的编码协议，所以只能自己去解析。下面简述解析过程，解析过程繁琐，文档篇幅较多，详细内容请移步语雀文档[空调遥控码解析](https://www.yuque.com/zhongkezhikuliyongyuanfang/qcr6dc/ke4l6u) 首先要获得红外的编码，我的方式是用逻辑分析仪和红外接收头，按遥控器的一个键，查看分析仪捕获的波形，通过波形解析出数据，这个过程不难，但是很繁琐。  以开机为例，按下开机键，遥控器发送一组红外编码，逻辑分析仪捕获到波形，如图  重复按下开机键，每次分析仪捕获的波形都相同，将波形放大后打印，如图：  这就是完整的一组红外波形，我只要发送与这组波形一样的编码即可控制空调开机。但是现在只是知道了电平变换时间，具体变换的时间长度代表什么还不知道。但是通过这组完整的波形可以看出，它是符合NEC编码格式（不了解NEC红外编码格式的，请先查查相关资料），只是电平变换时间长度略有不同而已，所以先尝试用NEC编码接收程序试一下。通过NEC编码红外接收程序测试，发现能够接收到数据：  那么现在直接发送这组红外数据，就能控制空调开机。但是实测没有办法控制，空调无反应。反过来查看逻辑分析仪捕获的波形，这个波形与标准NEC编码的发射波形除了高低电平变换时间长度不同，总长度也不同。细看这个开机波形，它的前半部分和后半部分是相同，按照NEC格式截取前后半个部分波形， 前半部分：  后半部分：  惊奇的发现它们的起始码、数据码是相同的，结束码略有不同，由此可以看出，这个红外编码是由两帧构成，两帧之间有一个中间码，是连接以及第一帧和第二帧用的。将第一帧波形、第二帧波形和完整波形，得到中间码的波形。  通过逻辑分析仪得出，中间的电平变化时间关系：   由此，解析出起始码、数据码、中间码和结束码的电平变化时间间隔，按照解析结果重新定义红外发送函数，测试能正常开机。 ### AAP功能配置 APP界面除了默认功能外，加了部分功能，因为使用的公版APP界面，所以界面UI和功能自定义的范围有限，后期会改成面板SDK开发，现阶段时间不多，做不了开发。 以强劲功能为例，本项目设计时，没有添加强劲功能。现在要添加，首先进入涂鸦IoT平台，找到项目，进入APP面板配置页面，在页面点击“编辑”，  进入编辑页面，先选择按钮添加的位置，这里添加到更多页面  配置好属性和关联功能以后，点击发布，涂鸦会自动打包，打包好了以后，会提供测试二维码，扫二维码可以测试这个面板，如果测试通过点正式发布，发布以后，手机端退出“涂鸦智能”APP，重新进入，添加的功能就生效。