基于可视化编程平台传感器基础实验_风扇控制实验

实验内容

在NodeRED创建图表用于控制硬件的按钮；
使用WiFi模块连接NodeRED平台；
使用485总线进行数据通信；
通过WiFi模块将硬件控制命令传送到控制对象实现控制。

实验目的

从NodeRED平台下发命令;
在NodeRED平台构建用户输入界面;
熟悉NodeRED平台的基本使用。

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	2个	·
3	Wifi模块	1个	·
4	风扇模块	1个	·
5	ST-Link下载器	1个	·
6	ST-Link下载器连接线	1根	·
7	风扇控制实验代码	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)

ST-Link下载器 & ST-Link下载器连接线

STLink下载器

STM32底座

WiFi模块

风扇模块

实验原理

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

智能综合实训台开机，等待开机完成。
打开系统的DOS界面，在界面上输入node-red。
打开google浏览器，在输入网址处输入(http://127.0.0.1:1880)，如下图：
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：
采用text控件实现表头(显示界面背景信息)，新Group，如下图：
编辑、添加节点加入的Group节点。
填写表头名称，名称为“重庆八城科技有限公司———————————风扇控制———————————物联网综合实验平台”，点击“添加”按钮完成退出，如下图：
设置宽度，点击“更新”按钮完成编辑，如下图：
编辑text控件，参数下图中的红框：
完成以上步骤就可以预先看看应用界面部署后的情况，在界面的右上角看到如下界面。点击“部署”。如下图：

部署完成后，“部署”图标变灰。如下图：
依次点击下图所示的按钮(位于编辑界面右上角)，查看部署后的的图面：
执行上一步骤后，看到如下界面：
回到编辑界面，在控件区中搜索框中输入button，如下图：
将图标节点button，拖入编辑界面中。
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。
到此，工作区内容如下图：
在控制区搜索框中输入tcp out搜索函数节点，如下图：
将函数节点tcp out拖入编辑界面中，如下图：
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：
到此工作区内容如下图:
各个节点之间进行连线，设置如下图所示，如下图：
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：
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。
点击右上角的“部署”按钮，部署成功后图标变成灰色，如下图：
依次点击如下图所示按钮，进入应用界面，如下图：
部署后的界面如下，等硬件实验连接上，就可以使用硬件控制风扇。
到此，NodeRED平台编辑完成，接下来，下载硬件程序，实现在NodeRED上控制风扇。
将WiFi模块、风扇模块分别安装在STM32底座上。确认各个节点，如下图所示，ST_LINK连接WIFI节点连接。
打开 Keil 5 工程软件，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：NodeRED平台实验\8.风扇控制实验\WiFi模块程序\USER\WiFi.uvprojx` 并打开。
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地址，端口为此前步骤NodeRED tcp out节点监听的端口。
编译工程，然后将程序下载到WIFI节点的底座。
将STLink连接到风扇节点，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：NodeRED平台实验\8.风扇控制实验\风扇模块程序\USER\FAN.uvprojx` 并打开。
编译工程，然后将程序下载到风扇节点中。
风扇节点与WIFI节点拼接，从STM32底座上取下STLink的USB线再重新接上，给设备重新上电。
部署应用，点击右上角“部署”图标，变成灰色部署成功，如下图：
NodeRED平台的界面上看到如下图所示，表明实验设备连接上NodeRED平台。
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。
显示界面如下图，点击按钮控制风扇的状态。

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                
                }
            }        
        }
    }

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.c中对串口、RS485协议进行初始化，并WIFI初始化并连接NODE-Red平台。初始化完成后，接收平台的指令,根据平台指令控制风扇节点的风扇状态。控制命令通过调用Rs485_Send()进行发送。

    int main(void)
    {
        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
        while(1)
        {
            if(USART2_RX_STA){
                HAL_Delay(50);//延时50ms等待接收完成
                printf("get cmd=%s\r\n",USART2_RX_BUF);//调试打印
                if(strstr((void*)&USART2_RX_BUF[0],(const char*)"$FAN")){//风扇 打开
                    FAN_Ctrl = 1 - FAN_Ctrl;//风扇控制命令
                    Rs485_Send(Addr_WiFi,Addr_Fan,FAN_ON,1,(void*)&FAN_Ctrl);//发送命令控制风扇             
                }           
                USART2_RX_STA = 0;//清空串口接收计数器
                memset((void*)USART2_RX_BUF,0,USART2_REC_LEN);//清空接收缓冲
            }
        }
    }

常见问题

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。
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。
- 模块没有安装稳妥。
Node-RED平台设备没有上线。
- WIFI名字、WIFI密码是否正确。
- 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

在NODE-Red平台设计两个按钮一开风扇、另一个关风扇。