Keil5编程实例之基于涂鸦IoT平台快速开发智能风扇

草帽王路飞 2021-01-06 3571

控制/MCU

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描述

智能风扇是一款常见的智能设备，用户可以使用手机 App 轻松控制，通过远程控制开关、风速、场景联动等来轻松创造出温暖、放松、舒适的室内空间。本教程采用 Keil5 进行编程，基于涂鸦 IoT 平台和三明治 BLDC 功能板，介绍如何快速开发一款安全性强的智能风扇的原型。

方案介绍

MCU 方案与 SoC 方案不同，传感器和联网模组的驱动代码写在 MCU 中，您可以自己开发 MCU 代码，拥有更多的可玩性。

涂鸦三明治开发板 BLDC 套件中，BLDC 板通过 PWM 接口接收 NUCLEO-G071RB 传过来的 PWM，BLDC 板通过接收到的 PWM 的占空比的大小对电机进行驱动。MCU 控制板通过串口 与 Wi-Fi 通信板连接，使用涂鸦智能 App 配网，可以将BLDC板的输出参数状态展现在手机端。MCU 型号为 STM32G071RB。

相关信息

只需简单的外围处理便可实现高效率的 FOC 电机驱动。FU6832 的有感启动无感运行FOC驱动主要应用在各类低压风机上，典型应用如落地扇、空气净化器等。

注意：虽然 BLDC 功能板支持串口，按键和PWM控制，但是 MCU 控制板和 Wi-Fi 通信板通过右下角串口通信，为了减少对 BLDC 控制的影响，该功能板默认是只支持 PWM 控制的。

BLDC 板的采样频率是 12M，通过 PWM 占空比的大小来控制电机转速的，输入 PWM 占空比越大转速越快。PWM 占空比越大转速越快，本教程中预设的输出频率为 1000HZ。

  • 开机 PWM 占空比：0.08，大于该占空比时开机

  • 关机 PWM 占空比：0.06，小于该占空比关机（停机占空比不要设置为改变转向占空比区间内）

  • 改变转向的 PWM 占空比：0.01~0.025，处于该占空比则停机改变方向

  • PWM 输出极性（Polarity）为低（LOW）

PWM配置示例（主频 16M）如下图所示：

智能风扇

 

物料清单

硬件 (4)

涂鸦三明治 Wi-Fi MCU 通信板（WB3S）

数量：1

板载涂鸦 WB3S 模组，负责智能化连接。模组已烧录通用固件，MCU 对接涂鸦串口协议，即可使用涂鸦模组、App、云一站式智能化服务。

涂鸦三明治BLDC电机驱动功能板

数量：1

负责通过判断接收到的 PWM 的占空比大小进行对电机的控制。

涂鸦三明治直流供电电源板

数量：1

用标准的 Arduino 外形尺寸，您可以直接将相应的开发板堆叠在上方进行供电。因对BLDC功能板需要 12V，5V，3.3V 电源，使用电源板可以减少排线。

NUCLEO-G071RB

数量：1

采用 ST 官方 MCU 主控板，负责传感数据接收和模组通讯控制。NUCLEO-G071RB 开发板支持 Arduino 接口。

  • 第 1 步：硬件连接和例程环境

本次使用的涂鸦三明治开发板 BLDC 套件主要包含：

BLDC 功能板

Wi-Fi MCU 通信板

NUCLEO-G071RB

涂鸦直供电源电源板将三明治开发板套件电源板，控制板、通讯板、功能板拼接组装，实物效果如下图。

 

软件开发过程主要基于 Keil5 实现 MCU 与传感器和模组协议对接。首先调通 MCU 和模组的通讯，可以实现App配网，MCU 数据传输到App。

  • 第 2 步：创建产品和工程

您可以根据以下步骤，快速在涂鸦 IoT 平台上开发一个智能风扇。

1、进入 涂鸦智能IoT平台。

2、参考 选品类创建产品 创建一款门磁产品。其中产品属性如下：

开发方式：自定义方案

联网方式：Wi-Fi

功耗类型：标准功耗

智能风扇

 


3、根据页面提示选择产品的标准功能和自定义功能。例如，功能选择为风向、风速、工作模式、开关等。您还可以对某一项功能进行编辑。例如，如果您选择了工作模式功能，可以继续修改模式为自然风和睡眠风两种。

智能风扇

 

4、选择您喜欢的面板，第一次开始调试也可以选择为开发调试面板，便于调试，后面也可以更换面板。

5、面板选择完后，进入 硬件开发 阶段，在页面拉到最下面，下载开发资料。

智能风扇

 

6、硬件测试。下载到 MCU 开发包后，使用开发包中的涂鸦模组调试助手，您可以使用助手模拟 MCU 模式，配合调试模组通讯板，验证模组是否通讯正常，同时也可以熟悉涂鸦串口协议提高对接效率。确定通信板正常可用的，可以跳过此步骤。若调试过程中对协议收发有疑问，也可以使用此助手协助查看正确数据交互格式。 使用步骤可参考 涂鸦模组调试助手使用说明。

  • 第 3 步：移植 MCU SDK

本章节简单介绍了移植过程和功能实现，将 mcu_sdk 中的文件加入工程后，编译根据报错提示，进行修改。如需查看详细的移植调试教程，请参考 MCU SDK 移植。

1、如果编译过程中发生错误 #40: expected an identifier DISABLE = 0 类似的错误提示，可以包含头文件#include "stm32f1xx.h来解决。对应头文件为实际芯片型号，例如，一个 G071RB 的芯片可以添加为 #include "stm32g0xx.h。本教程因为没有介绍 Wi-Fi 功能测试，所以注释了 WIFI_TEST_ENABLE 的宏。

//#define         WIFI_TEST_ENABLE

2、完善uart_transmit_output()函数。

智能风扇

 

3、完善uart_receive_input()函数。

智能风扇

 

4、在MCUWIFI通信板连接的串口的中断服务函数中添加以下代码，注意添加头文件或声明您用到的函数。

智能风扇

 

5、将wifi_uart_service()函数按照#error中的提示信息处理，处理后注释掉。

智能风扇

 

6、将wifi_protocol_init()函数按照#error中的提示信息处理，处理后注释掉。

智能风扇

 

接下来便是all_data_update()函数，该函数会自动上报系统中所有DP信息，您不需要调用该函数。

第4 步：定义结构体

定义一个结构体，用来记录电扇的工作状态。

//工作模式typedef enum {
	nature = 0,
	sleep
}fan_mode_t;//正反转typedef enum {
	forward = 0,
	reverse
}fan_direction_t;//电扇工作状态结构体typedef struct {
	_Bool OnOff;	fan_mode_t e_fan_mode;	unsigned long speed;	fan_direction_t e_fan_direction;
}fan_status_t;//电扇状态结构体，全局变量fan_status_t gs_fan_status = {
		.OnOff 					= FALSE,
		.e_fan_mode 			= nature,
		.speed 					= 10,
		.e_fan_direction 		= forward
};

在protocol.c文件中，完善dp_download_switch_handle()，dp_download_mode_handle()，dp_download_fan_speed_handle()和dp_download_fan_direction_handle()这四个功能处理函数。
在protocol.c文件的dp_download_switch_handle()函数中：

static unsigned char dp_download_switch_handle(const unsigned char value[], unsigned short length)
{    //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) {        //开关关
		gs_fan_status.OnOff = FALSE;
    }else {        //开关开
		gs_fan_status.OnOff = TRUE;
    }  
    //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;
}

在protocol.c文件的dp_download_mode_handle()函数中：

static unsigned char dp_download_mode_handle(const unsigned char value[], unsigned short length){    //示例:当前DP类型为ENUM
    unsigned char ret;    unsigned char mode;
    
    mode = mcu_get_dp_download_enum(value,length);    switch(mode) {        case 0:
					gs_fan_status.e_fan_mode = nature;	//自然风模式
        break;        
        case 1:
					gs_fan_status.e_fan_mode = sleep;	//睡眠风模式
        break;        
        default:
					gs_fan_status.e_fan_mode = nature;        break;
    }    
    //处理完DP数据后应有反馈
    ret = mcu_dp_enum_update(DPID_MODE, mode);    if(ret == SUCCESS)        return SUCCESS;    else
        return ERROR;
}

在protocol.c文件的dp_download_fan_speed_handle()函数中：

static unsigned char dp_download_fan_speed_handle(const unsigned char value[], unsigned short length){    //示例:当前DP类型为VALUE
    unsigned char ret;    unsigned long fan_speed;
    
    fan_speed = mcu_get_dp_download_value(value,length);    /*
    //VALUE类型数据处理
    
    */
    gs_fan_status.speed = fan_speed;	//将下发的速度值给全局变量
    //处理完DP数据后应有反馈
    ret = mcu_dp_value_update(DPID_FAN_SPEED,fan_speed);    if(ret == SUCCESS)        return SUCCESS;    else
        return ERROR;
}

在protocol.c文件的dp_download_fan_direction_handle()函数中：

static unsigned char dp_download_fan_direction_handle(const unsigned char value[], unsigned short length){    //示例:当前DP类型为ENUM
    unsigned char ret;    unsigned char fan_direction;
    
    fan_direction = mcu_get_dp_download_enum(value,length);    switch(fan_direction) {        case 0:		//判断当前风向是否为正转，当前风向若不是正转，则改变风向，并将当前状态给全局变量
					if(gs_fan_status.e_fan_direction != forward) {
						change_fan_direction();
						gs_fan_status.e_fan_direction = forward;
					}        break;        
        case 1:		//判断当前风向是否为反转，当前风向若不是反转，则改变风向，并将当前状态给全局变量
					if(gs_fan_status.e_fan_direction != reverse) {
						change_fan_direction();
						gs_fan_status.e_fan_direction = reverse;
					}        break;        
        default:        break;
    }    
    //处理完DP数据后应有反馈
    ret = mcu_dp_enum_update(DPID_FAN_DIRECTION, fan_direction);    if(ret == SUCCESS)        return SUCCESS;    else
        return ERROR;
}

第 5 步：功能实现

在main.c文件中，添加头文件#include "mcu_api.h"和#include “wifi.h”，定义以下宏和变量：

//最小速度时，输出的PWM占空比#define MIN_SPEED	10//最大速度时，输出的PWM占空比//最大速度输出的PWM占空比应该为100(建议最大设置为99)，我这里因为演示设置较低#define MAX_SPEED	35//关机输出占空比#define	OFF_SPEED	5//改变风扇转向输出的PWM值，在BLDC开发板中输出PWM在1%~2.5%之间改变电机转向#define DIRECTION_CHANGE_PWM 15//睡眠模式下，风速改变时间#define SLEEP_TIME 700//上一次风扇速度，全局变量unsigned long last_fan_speed = 0;//风速sleep模式下，改变风速计数值和风速改变标志，全局变量unsigned long fen_count = SLEEP_TIME;_Bool sleep_speed_flag = TRUE;

启动后，进入while(1){}循环前需处理的：

void setup(void)
{	//优先输出频率为1000HZ，占空比为5%，使电机处于关机状态
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_2);	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (OFF_SPEED * 10));	
	//打开与涂鸦三明治 Wi-Fi MCU 通信板（E3S）通信的UART1接收中断
	__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE);	
	//完成wifi协议初始化
	wifi_protocol_init();
}

在while(1){}循环内：

while (1)
  {		//wifi串口数据处理服务
		wifi_uart_service();		
		//进入配网模式，并改变LED灯状态进行提示
		connect_tuya();		
		if (gs_fan_status.OnOff == TRUE) { //开机
			//判断工作模式
			check_mode();
		} else {			set_fan_speed(0);
		}
  }
```

在connect_tuya()函数中：

```objectivec//该函数主要功能为：当PC3被拉低后，进入配网模式。根据不同联网状态，改变LED灯状态进行提示。void connect_tuya(void)
{	//判断PC3是否拉低
	if (HAL_GPIO_ReadPin(WIFI_KEY_GPIO_Port, WIFI_KEY_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {		HAL_Delay(300);		if (HAL_GPIO_ReadPin(WIFI_KEY_GPIO_Port, WIFI_KEY_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {			mcu_set_wifi_mode(0);
		}
	}	
	//获取当前连接状态，显示LED提示
	switch(mcu_get_wifi_work_state())
	{				case SMART_CONFIG_STATE:	//SMART配网模式，快闪
						HAL_GPIO_TogglePin(LED_GREEN_GPIO_Port, LED_GREEN_Pin);						HAL_Delay(250);				break;				case AP_STATE:	//AP配网模式，快闪
						HAL_GPIO_TogglePin(LED_GREEN_GPIO_Port, LED_GREEN_Pin);						HAL_Delay(250);				break;				case WIFI_NOT_CONNECTED: //慢闪
						HAL_GPIO_TogglePin(LED_GREEN_GPIO_Port, LED_GREEN_Pin);						HAL_Delay(250);				break;				case WIFI_CONNECTED://常亮，连接到WIFI
				case WIFI_CONN_CLOUD://常亮，连接到WIFI和云平台
						HAL_GPIO_WritePin(LED_GREEN_GPIO_Port, LED_GREEN_Pin, GPIO_PIN_SET);				break;				default:						HAL_GPIO_WritePin(LED_GREEN_GPIO_Port, LED_GREEN_Pin, GPIO_PIN_RESET);				break;
	}
}


在set_fan_speed()函数中：

//该函数主要功能为：根据不同转速，输出对应的PWM。PWM频率为1000HZ。void set_fan_speed(unsigned long speed)
{	//输入为0，关闭电机
	if (speed == 0) {
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (OFF_SPEED * 10));
		last_fan_speed = OFF_SPEED; //将当前转速，记录下来
		return;
	}	
	//判断输入值是否超出最大，最小值
	if (speed < MIN_SPEED) {
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (MIN_SPEED * 10));
		last_fan_speed = MIN_SPEED;
	} else if (speed > MAX_SPEED) {
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (MAX_SPEED * 10));
		last_fan_speed = MAX_SPEED;
	} else {
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (speed * 10));
		last_fan_speed = speed;
	}	
	return;
}
	在check_mode()函数中：void check_mode(void) 
{	if (gs_fan_status.e_fan_mode == sleep) { //进入睡眠模式
		if ((sleep_speed_flag == TRUE) && (fen_count >= SLEEP_TIME)) {
			
			set_fan_speed(gs_fan_status.speed);			//计数清零，改变风速
			fen_count = 0;
			sleep_speed_flag = FALSE;
		} else if((sleep_speed_flag == FALSE) && (fen_count >= SLEEP_TIME)) {
			
			set_fan_speed(MIN_SPEED);			//计数清零，改变风速
			fen_count = 0;
			sleep_speed_flag = TRUE;
		}
		
		fen_count++;
		HAL_Delay(10);
	} else {		if (last_fan_speed != gs_fan_status.speed) { //如果上一次转速和目标转速不一致，改变转速
				set_fan_speed(gs_fan_status.speed);
		}
	}
}

小结

基于涂鸦智能平台， 使用三明治开发板，Keil开发环境您可以快速地开发一款智能风扇产品的原型。

还等什么？

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更多信息

BLDC 功能板采用 FU6832s 作为主控芯片，FU6832 系列是一款集成电机控制引擎（ME）和 8051 内核的高性能电机驱动专用芯片，ME 集成FOC、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM 等诸多硬件模组，可硬件自动完成电机 FOC/BLDC运算控制。8051 内核用于参数配置和日常事务处理，双核并行工作实现各种高性能电机控制。其中8051 内核大部分指令周期为 1T 或 2T，芯片内部集成有高速运算放大器、比较器、Pre-driver、高速 ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、LIN、多种 TIMER、PWM 等功能，内置高压 LDO，适用于 BLDC/PMSM 电机的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驱动控制。

FU6832 内部具有全面保护，包括过压保护，欠压保护， 过流保护，FO保护，堵转保护，缺相保护，过温保护，过功率保护，运放偏置电压异常保护。可根据需要选择使能对应的保护，再根据实际情况微调。

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