基于STM32的宜家式智能阅读系统设计

李层楼，黄海钊，黄典昆，周义冬

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

近年来由于智能家居的出现，人们的居住条件也在一定程度上得到了改善，虽然智能家居产品在市场上已经出现了很多但是其主要着力点还是集中于对人们日常生活中饮食、居住等方面，在宜家阅读这一部分涉及较少[1-3]。而对于家庭阅读起辅助作用的产品和设计也有很多但是其功能较为单一，如果多个一同使用又显得繁琐以及整合困难[4-6]。并且随着人们生活水平的不断提高，人们对精神建设的追求将达到新的高度，而书籍仍然是最好的选择。但是阅读时会遇到各种困扰，比如，有时在阅读书籍之前会有很难找到自己想要阅读的书籍或者书籍被放在一个不方便取的地方。在阅读的时候也会因为阅读环境氛围不好，或者是灯光造成不适感而中断阅读。亦或者阅读过于投入会错过重要的事，亦或者阅读时间过久而对眼睛造成伤害。

本系统有效的解决了这些困扰，致力于更好的阅读体验。系统使用基于Cortex-M3内核的32位高性能微控制器STM32F103ZET6为主控制芯片，以STM32F103RCT6为分控制芯片。结合物联网技术理念，通过RFID技术快速准确找到书籍，免去了找书以及取书的烦恼。通过智能调光，可以让人处于较理想的阅读光照环境，也可通过人机交互，自定义色温与亮度。也可一边享受音乐，一边阅读书籍。

1 宜家智能阅读系统硬件系统设计

1.1 主控制芯片：STM32F103ZET6

微处理器STM32F103ZET6是一款32位Cortex-M3内核处理器，其工作频率为72 MHz，其所拥有的资源非常丰富，包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个 CAN、3个 12位 ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。芯片采用2.0～3.6 V低电压供电，支持睡眠、停机和待机3种省电模式，具有功耗低、实时性强等优点。

1.2 RFID芯片：MF-RC522芯片

MF RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片。

1.3 硬件总体框图设计

宜家式智能阅读系统由主控制器、书架控制器、阅读灯控制器组成的控制系统进行控制，系统总体框图如图1所示。在各控制中分别配置了多种感应器，用于书籍识别、环境温度显示、光强度、红外指令接收等方面的感知以便系统的控制。并在主控制部分配置了电阻触摸屏，以便进行人机交互。

图1 宜家智能阅读系统总体框图

1.4 主控制部分

如图1所示，主控制部分以STM32F103ZET6为控制芯片，并包含了音乐播放器、LED、温度传感器、触摸屏、红外接收器等部分。其中音乐播放器以VS1053B高性能音频解码芯片及其外围电路为主加以功放电路用以清晰地高质量地播放播放SD卡中的音乐文件，VS1053是荷兰 VLSI公司出品的又一款高性能解码芯片。该芯片可以实现对MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音频格式的解码，同时还可以支持ADPCM/OGG等格式的编码。VS1053还拥有一个高性能的DSP处理器核VS_DSP，16K的指令 RAM，0.5K的数据 RAM，通过SPI控制，具有8个可用的通用IO口和一个串口，芯片内部还带了一个可变采样率的立体声ADC（支持咪头/咪头+线路/2线路）、一个高性能立体声 DAC及音频耳机放大器。温度传感器采用DS18B20温度数字传感器，可以达到精确获取周围环境温度的目的，当测量温度范围为-55～+125℃时 ，精度达到±0．5℃，完全满足在家庭环境中温度的精确获取。红外接收用HS0038作为红外接收头接收用户对系统的远距离控制指令。触摸屏使用TFT LCD 2.8寸电阻屏用于人机交互。

1.5 主阅读灯控制部分及书架控制部分

如图1所示，阅读灯控制由STM32F103RCT6芯片为控制芯片，包含了光感应部分和及阅读灯并通过485通信与主控制器进行数据交换。通过光数字传感器的数据和阅读灯控制器配备的控制算法控制阅读灯已获得让人感觉舒适和减少对眼睛的伤害。

书架控制部分同样是以STM32F103RCT6为控制芯片，包含了RFID感应模块、电机及其驱动模块。通过485通信与主控制器进行数据交换及对主控制器命令地接收。通过主控制器的指令和书架控制器配备的控制算法及RFID模块对贴有RFID标签的书籍地检测准确找到所需的书籍，并通过控制电机简捷快速获取。

1.6 机械结构

本系统以旋转书架为结构基础，通过电机转动和齿轮传动达到旋转书架的目的。如图2所示。

图2 旋转书架

2 宜家智能阅读系统软件系统设计

2.1 控制系统初始化

当系统上电后，主控制器开始工作，首先进行初始化，包括：时钟、GPIO、串口、LCD、中断及其分组、延时函数、定时器、SD卡、字库等的初始化。然后主控制器通过RTC时钟获取时间，从温度传感器获取周围环境温度，并显示在屏幕上。最后进入存取书功能页面。阅读灯控制器进行时钟、GPIO、定时器等初始化，然后获取环境光强度并对阅读灯进行控制，然后等待主控制器的命令。书架控制器在进行时钟、GPIO、定时器等初始化后，直接等待主控制器的指令的状态。如图3所示。

图3 控制系统初始化

2.2 串口通信

通信部分主要由RS485总线利用STM32内部串口的资源来实现主控制器和书架控制器、阅读灯控制器间的数据传递和指令的下达。图4为485通信流程图。

图4485 通信流程图

2.3 存取书功能实现

存取书功能，通过触摸屏进行人机交互，点击屏幕选择存书或者取书，主控制器通过485通讯将人机交互的结果发送至书架控制器。书架控制器通过485通讯获取主控制器指令并将书籍信息、成功与否等信息再次通过485通讯传回主控制器。存取书流程如图5、图6所示。

图5 存书功能实现流程图

图6 取书功能实现流程图

2.4 音乐播放

通过主控制器开启音乐播放功能，播放SD卡中的音乐文件，通过红外遥控器进行切歌，和音量调节等操作。如图7所示。

图7 音乐播放器控制流程图

3 系统测试与分析

测试步骤为先将几本书籍通过存书流程存入书架中，等全部存入成功后，点击功能页中取书指令，随机选取一本书籍。观察是否可以获取，然后继续点击存书指令，再次进行存书，以确保可以存入更多的图书。在阅读灯光下看书，看看是否出现不适感，以做进一步调整。通过红外遥控器控制音乐播放器和阅读灯，看是否到达控制效果。

测试结果无错误故障情况，基本达到预期要求，可以实现宜家阅读系统对实时性、准确性、可靠性以及移动性的要求。

4 结束语

智能宜家阅读系统采用RS485标准协议传输数据，数据传输实时性强，有效解决了其他通信方式在通信时延迟的问题，达到了系统实时性控制的目的，避免用户等待时间长的困扰。智能宜家系统采用模块化管理，各个模块功能分工明确，具有良好的抗干扰能力，也有利于系统维护以及升级。测试表明：该系统可实现RFID智能存取书，智能调光，音乐播放，阅读时间提醒等功能。并具有操作简单、高稳定性、能耗低等特点及较高的实用价值，有效的改善了用户的阅读环境。

参考文献：

[1]张佑春，任远林，马玉清，等.基于STM32的智能家居控制系统设计[J].兰州工业学院学报，2016，23（02）：60-63.

[2]滕 军.家庭智能系统设计[J].信息与电脑（理论版），2017（18）：92-93.

[3]许 诺.国内智能家居市场简析[J].日用电器,2017（01）：17-19，33.

[4]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.

[5]杨雪梅，张 慧.基于STM32的音乐播放器[J].信息通信，2016（03）：136-137.

[6]谭鹏飞，郭莉莉，范丽雯，等.智能家居照明系统设计与研究[J].科技展望，2017，27（18）：159.