综合实验_基于NodeRED的智能家居系统实验

实验内容

  • 构建一个基于Node-RED的智能家居系统，实现传感器数据的显示。风扇、LED、继电器的控制。

实验目的

  • 加强对Node-RED平台的认识，巩固学习内容。

实验环境

实验所需硬件

序号 名称 数量 备注
1 电脑 1台 系统Windows7及以上
2 STM32底座模块 5个 ·
3 风扇模块 1个 ·
4 温湿度模块 1个 ·
5 LED模块 1个 ·
6 WiFi模块 1个 ·
7 继电器模块 1个 ·
8 ST-Link下载器 1个 ·
9 ST-Link下载器连接线 1根 ·
10 Node-RED智能家居实验代码 2份 ·

实验所需软件

  • MDK5 安装步骤

  • ST-LINK 驱动安装步骤

  • Git 软件下载(可选)

STM32底座

STM32底座

风扇模块

风扇模块

温湿度模块

温湿度模块

LED模块

LED模块

WiFi模块

WiFi模块

继电器模块

继电器模块

ST-Link下载器 & ST-Link下载器连接线

STLink下载器

实验原理

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WIFI技术基本概念

WIFI英语全称是Wireless Fidelity，中文译成无线保真。WIFI是建立连接和进行通讯的手段，它对应一套通讯的规则，保证让两个节点能互相连接，设备连接建立后，通过TCP/IP和UDP等协议，传输数据，连接互联网络。WIFI模块的STA模式和AP模式。

AP模式：Access Point，提供无线接入服务，允许其它无线设备接入，提供数据访问，一般的无线路由/网桥工作在该模式下。AP和AP之间允许相互连接。Sta模式（SP模式）：Station类似于无线终端，sta本身并不接受无线的接入，它可以连接到AP，一般无线网卡即工作在该模式。对照表如下。

分类 AP模式 SP模式
接入网络 接受 不接受
网卡 需要 不需要
终端 有线 无线

WiFi模块原理图

WIFI模块硬件电路

RS485总线标准

RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的ttl电平信号转换成差分信号a,b两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成ttl电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mv电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。rs-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10mb/s，传输速率与传输距离成反比，在100kb/s的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。rs-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。rs-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。rs-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

UART与RS-485性能对比

抗干扰性：RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰。

传输距离：RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米（9600bps 时），实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。

通信能力：RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。

传输速率：RS-232传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps。 信号线：RS485 接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线。

电气电平值：RS-485的逻辑”1”以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑”0”以两线间的电压差为-（2-6）V表示。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑”1”，-5- -15V；逻辑”0 “ +5- +15V。

实验底座RS485总线原理

每个底座周边都有RS485总线接口，由底座的485信号由MCU的UART信号+MAX3485 485总线转换芯片组成。

实验底座RS485总线原理

实验步骤

  1. 智能综合实训台开机，等待开机完成。

  2. 打开系统的DOS界面，在界面上输入node-red。

    启动node-red

  3. 打开google浏览器，在输入网址处输入(http://127.0.0.1:1880)，如下图：

    输入Node_RED地址

    NodeRED编辑界面

  4. 在编辑界面左边的控制区搜索框内输入“text”找到text控制件，如下图：

    NodeRED编辑界面

  5. 采用text控件实现表头(显示界面背景信息)，新Group，如下图：

    新建Group

  6. 编辑、添加节点加入的Group节点。

    添加新节点

  7. 填写表头名称，名称为“—————————————————————————————————智能家居系统—————————————————————————————————”，点击“添加”按钮完成退出，如下图：

    输入表头名称

  8. 设置宽度，点击“更新”按钮完成编辑，如下图：

    输入表头名称

  9. 编辑text控件，参数下图中的红框：

    输入表头名称

  10. 回到编辑界面，在控件区中搜索框中输入button，如下图：

    搜索button

  11. 将图标节点button，拖入编辑界面中。

    拖入button控件

  12. 双击刚拖入的button控件，编辑button，参数如下图。Group的选择一定要注意，否则部署后会看不到相应的控件。

    拖入button控件

  13. 拖出1个button，设备参数如下图

    图片

  14. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  15. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  16. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  17. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  18. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  19. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  20. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  21. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  22. 拖出1个button，设备参数如下图：

    图片

  23. 拖出1个button，设备参数如下图:

    图片

  24. 到此，工作区内容如下图:

    图片

  25. 在控制区搜索框中输入“switch”，搜索switch节点：

    图片

  26. 将switch节点拖入编辑区，双击switch节点，设置参数如图：

    图片

  27. 在控制区搜索框中输入switch，搜索switch节点。

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  28. 将switch节点拖入编辑区，双击switch节点，设置参数如图：

    图片

  29. 将switch节点拖入编辑区，双击switch节点，设置参数如图:

    图片

  30. 将switch节点拖入编辑区，双击switch节点，设置参数如图：

    图片

  31. 到此工作区，如图:

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  32. 在编辑界面左边的控制区搜索框内输入text找到text控制件，如下图：

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  33. 将text节点拖入编辑区，双击text节点，设置参数如图。Group加入“—智能家居–]设备控制”：

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  34. 加入“请输入密码”节点后，到此工作区，如图：

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  35. 在控制区搜索框中输入tcp out搜索函数节点，如下图：

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  36. 将tcp out节点拖入编辑区，如下图：

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  37. 双击 tcp out节点弹出tcp out节点编辑界面，进行参数设置，如下图：

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  38. 增加group:鼠标放在如图红箭头所示位置，出现“+group”字样，点击“+group”，出现新组group2。

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  39. 鼠标放在如图红箭头所示位置，出现edit字样，点击edit，编辑该组：

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  40. 设置名称为传感器数据，Tab连接“–智能家居系统–]传感器数据”：

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  41. 在控件区中搜索框中输入gauge，如下图：

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  42. 将图标节点gauge拖入编辑界面中：

  43. 双击刚拖入的gauge控件，编辑gauge，参数如下图，Group的选择一定要注意，否则部署后会看不到相应的控件。

    图片 图片

  44. 再从控件区中gauge控件拖入工作区中，编辑参数如下图，点击完成回到工作区。

    图片 图片

  45. 在控制区搜索框中输入function搜索函数节点，如下图：

    图片

  46. 将函数节点function拖入编辑界面中，双击函数节点，弹出编辑界面，为其添加功能代码，输出个数为2，如下图：

    图片

    代码如下：

    var temp1 = (msg.payload[0]-0x30)*10+(msg.payload[1]-0x30)*1;
var msg1 = { payload:temp1 }; 
var temp2 = (msg.payload[2]-0x30)*10+(msg.payload[3]-0x30)*1;
var msg2 = { payload:temp2 };  
return [msg1,msg2];

  47. 各节点之间进行连接，最终内容如图：

    图片

  48. 功能完成后需要对界面图标位置进行调整，在界面右边找到相应按钮，如下图：

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  49. 点击layout图标进入位置调整界面，随意拖动左边模块，到合适的位置，形成自己所要的排版模式，点击“完成”按钮退出到编辑界面：

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  50. 点击右上角的“部署”按钮，部署成功后图标变成灰色，如下图：

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  51. 依次点击如下图所示按钮，进入应用界面。

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  52. 部署后的界面如下，等硬件实验连接上，就可以控制硬件及显示传感器数据。

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  53. 到此，NodeRED平台编辑完成，接下来，下载硬件程序。

  54. 将WiFi模块、风扇模、LED模块、继电器模块分别安装在STM32底座上。确认各个节点，如下图所示，ST_LINK连接WIFI节点连接。

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  55. 打开 Keil 5 工程软件，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：综合实验\NodeRED智能家居实验\WiFi模块程序\USER\WIFI.uvprojx` 并打开。

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  56. 打开WiFi.h文件，修改WIFI热点名称和密码，实验台也必须连接到该WIFI热点，IP地址为运行NodeRED的计算机的IP地、端口为此前步骤NodeRED tcp out、tcp in节点监听的端口。

    图片

  57. 编译工程，然后将程序下载到WIFI节点的底座。

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  58. 将STLink连接到风扇节点，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：综合实验\NodeRED智能家居实验\风扇模块程序\USER\FAN.uvprojx` 并打开。

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  59. 编译工程，然后将程序下载到风扇节点的底座。

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  60. 将STLink连接到LED节点，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：综合实验\NodeRED智能家居实验\LED模块程序\USER\LED.uvprojx` 并打开。

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  61. 编译工程，然后将程序下载到LED节点的底座。

    图片

  62. 将STLink连接到继电器节点，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：综合实验\NodeRED智能家居实验\继电器模块程序\USER\Relay.uvprojx` 并打开。

    图片

63.编译工程，然后将程序下载到继电器节点的底座。

![图片](/assets/HomeAutomation/77.png)

  1. 各节点保持拼接，从STM32底座上取下STLink的USB线再重新接上，即给设备重新上电。

  2. 部署应用，点击右上角“部署”图标，变成灰色部署成功。

    进行部署

  3. NodeRED编辑界面右上角，依次点击如下图图标，进行部署，并查看应用界面。

    部署应用

  4. 在输入键盘上输入“123456”如图，继电器打开2秒后关闭。

    输入密码

  5. 操作开关对LED模块上的四个LED灯及风扇进行控制。

    风扇及LED灯控制

  6. 查看传感器数据。

    查看温湿度数据

代码讲解

风扇节点

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件，我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

程序目录结构

② main.c中对串口、风扇模块、RS485协议进行初始化。初始化完成后。调用函数DataHandling_485()获取控制指令，依控制指令控制风扇开/关。调用PWM_SetTIM4Compare2()设置风扇转运或者停止。

    int main(void)
    {
        HAL_Init();//初始化HAL库  
        /*PWM占空比100%~0%,分别对应，2000~0*/
        TIM4_PWM_Init(64-1,2000-1);//初始化定时器4输出PWM信号
        Rs485_Init();//初始化485
        UART1_Init(115200);//初始化串口1,用于485通信
        USART3_Init(115200);
        printf("this usart3 print\r\n");
        while(1)
        {
            HAL_Delay(10);//延时10ms每10ms检测一次指令
            if(!DataHandling_485(Addr_Fan)){//是发给本机的指令
                printf("get data\r\n"); 
                RelayState = Rx_Stack.Data[0];//控制指令
                if(RelayState){
                    PWM_SetTIM4Compare2(2000);//风扇打开 
                }
                else{
                    PWM_SetTIM4Compare2(0);//风扇关闭                
                }
            }        
        }
    }

继电器节点

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件，我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

程序目录结构

② main.c对串口、继电器模块、RS485协议进行初始化。初始化完成后。调用函数DataHandling_485()获取控制指令，依控制指令控制继电器1打开或关闭。

    int main(void)
    {
        HAL_Init();//初始化HAL库  
        Relay_Init();//初始化继电器
        Rs485_Init();//初始化485
        UART1_Init(115200);//初始化串口1,用于485通信
        USART3_Init(115200);
        printf("this usart3 print\r\n");
        while(1)
        {
            HAL_Delay(10);//延时10ms每10ms检测一次指令
            if(!DataHandling_485(Addr_Relay)){//是发给本机的指令
                printf("get data\r\n"); 
                RelayState = Rx_Stack.Data[0];//控制指令
                if(RelayState){
                    RELAY1_OPEN();//继电器1开 
                    HAL_Delay(2000);//延时2000ms
                    RELAY1_CLOSE();//继电器1关               
                }
            }        
        }
    }

温湿度节点

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件，我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

程序目录结构

② main.c中对串口、定时器器、温湿度传感器、RS485协议进行初始化。初始化完成后，定时读取传感器数据、显示传感器数据，处理WIFI节点的请求，并返回传感器数据到WIFI节点。

    int main(void)
    {
        uint8_t state = 0;//显示温度 还是湿度
        HAL_Init();//初始化HAL库  
        Rs485_Init();//初始化485
        SHT2x_Init();//初始化SHT20
        TM1640_Init();//初始化TM1640
        USART3_Init(115200);//用于调试
        UART1_Init(115200);//初始化串口1,RS485通信
        
        /*中断频率20HZ,关联RS485_HandlerCb()回调函数*/
        TIM3_Init(10000-1,320-1,RS485_HandlerCb);    
        while(1)
        {
            if((state == 0) && (HAL_GetTick()>(Tick_Disp))){//更新温度
                state = 1;
                SHT2x_GetTempHumi();//读取一次温湿度，保存在g_sht2x_param.TEMP_HM
                send_LED_Display(0xC0,g_sht2x_param.TEMP_HM,1);//数码管显示
                SendBuffer[0] = g_sht2x_param.TEMP_HM;//保存用于发送到WIFI节点
                Tick_Disp = HAL_GetTick()+1000/*1000ms*/;//设置下一次更新数据的时间点
            }
            else if((state == 1) && (HAL_GetTick()>(Tick_Disp))){//更新湿度
                state = 0;
                SHT2x_GetTempHumi();//读取一次温湿度,保存在g_sht2x_param.HUMI_HM        
                send_LED_Display(0xC0,g_sht2x_param.HUMI_HM,2);
                SendBuffer[1] = g_sht2x_param.HUMI_HM;//保存用于发送到WIFI节点        
                Tick_Disp = HAL_GetTick()+1000/*1000ms*/;//设置下一次更新数据的时间点        
            }
        }
    }

main.c->RS485_HandlerCb()(回调函数)，处理WIFI节点的请求，调用函数Rs485_Send()返回温湿数据。

    void RS485_HandlerCb(void)
    {
        if(!DataHandling_485(Addr_SHT20)){//是本机期望的485数据处理
            printf("get requery\r\n");
            /*485发送数据*/
            Rs485_Send(Addr_SHT20,Addr_WiFi,SHT20_All,2,&SendBuffer[0]);
        }
    }

LED节点

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件，我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

程序目录结构

② main.c中对串口、LED模块、RS485协议进行初始化。初始化完成后。调用函数DataHandling_485()获取控制指令，依控制指令调用LED_SetState()控制LED节点LED灯亮/灭。

    int main(void)
    {
        HAL_Init();//初始化HAL库  
        LED_Init();//初始化模块
        Rs485_Init();//初始化485
        UART1_Init(115200);//初始化串口1,用于485通信
        USART3_Init(115200);//用于调试
        printf("this usart3 print\r\n");
        while(1)
        {
            HAL_Delay(50);//延时100ms,每一100ms检测一次。
            if(!DataHandling_485(Addr_LED)){//是发给本机的命令
                printf("get cmd\r\n=%d,%d\r\n",Rx_Stack.Data[0],Rx_Stack.Data[1]);//调试打印
                LED_Index = Rx_Stack.Data[0];
                LED_State = Rx_Stack.Data[1];//LED1灯命令
                LED_SetState(LED_Index,LED_State);//LED灯控制
            }        
        }
    }

WIFI节点

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件，我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

程序目录结构

② main()函数中对串口、RS485协议进行初始化，并WIFI初始化并连接NODE-Red平台。

    HAL_Init();//初始化HAL库  
    Rs485_Init();//初始化485
    UART1_Init(115200);//初始化串口1 485总线使用
    UART2_Init(115200);//初始化串口2
    USART3_Init(115200);//调试串口   
    printf("this usart3 print\r\n");
    WiFi_Init();//初始化WiFi，并连接Node-RED  
    /*中断频率2HZ 关联回调函数RS485_HandlerCb*/
    TIM3_Init(10000-1,3200-1,RS485_HandlerCb);

③ PasswordInputProcess()处理输入的密码，密码保存在PassWordBuf中。利用strncmp()比较输入的密码与预先设置的密码是否相同。

    printf(">>>%s\r\n",RxBuffer);//打印接收到的指令
    if(isCommand(RxBuffer,"$BTN")){//密码输入
        if(PasswordInputProcess(&RxBuffer[0],&PassWordBuf[0])){//处理输入的密码
            if(strncmp((const char*)PassWordBuf,"123456",6) == 0){//密码相同
                RelayCtrl = 1;//使用发送开锁指令在RS485_HandlerCb()中调用
                memset((void*)PassWordBuf,0,12);
            }
        }
    }

④ 风扇控制指令解析，FANCtrl使用指令发送，FANCmd使用指令的动作开/关。

    else if(isCommand(RxBuffer,"$FAN")){//风扇控制指令
        FANCtrl = 1;//使用发送风扇指令在RS485_HandlerCb()中调用
        FANCmd  = RxBuffer[5] - 0x30;
    }

⑤ LED控制指令解析，LEDCmdProcess()从RxBuffer中解析指令，LEDCmd[0]保存的是控制哪个灯，LEDCmd[1]保存控制的动作(亮/灭)。

    else if(isCommand(RxBuffer,"$LED")){//是LED控制指令
        if(LEDCmdProcess(RxBuffer,&LEDCmd[0],&LEDCmd[1])){
            LEDCtrl = 1;//使用发送灯控制指令在RS485_HandlerCb()中调用
        }
    }

⑥ 传感器数据更新。

    if(HAL_GetTick() > Tick_SendSensor){//更新传感器数据
        Tick_SendSensor = HAL_GetTick() + 2000;//每两秒更新一次
        /*转成字符串*/
        sprintf((void*)&SendBuffer[0],"%02d%02d",SensorData[0],SensorData[1]);
        WiFi_SendSensor(SENSOR_LINK_ID,&SendBuffer[0]);//发送到Node-RED 
        printf("传感器数据==%d,%d\r\n",SensorData[0],SensorData[1]);//调试打印
    }

常见问题

  1. 弹出警告窗口，不能下载程序。

    • 请确认STLink驱动、STM32F103C8的DFP包是否安装。
    • STLink仿真器是否正常接入。

  2. 下载代码后程序没观察到实验现象。

    • 请重新上电，或者按下底座上的复位按键。

  3. NODE-Red平台设备没有上线。

    • WIFI名字、WIFI密码正确。
    • 实验设备计算机是否在同一个WIFI热点或者路由下。

实验思考

  1. 代码中预先设置的密码如何修改？