【训练营_进阶班】互联网智能插座

一、项目简介

本项目基于stm32和esp8266，实现了手机APP控制插座、手机APP查看数据（温湿度、插座通断），板载OLED查看数据等功能。

stm32使用HAL库，esp8266使用RTOS3.0 SDK，它们之间使用串口通信进行数据交互。本项目为更复杂的物联网应用提供设计原型，更深层次的开发只需在该解决方案上增加外设即可。

如果只是实现一个插座的功能，可以直接使用ESP8266来完成，但是当ESP8266的引脚数量不够多，需要使用stm32来扩展功能的时候，本项目可以提供一套解决方案，完成了STM32与ESP8266相互通讯的软硬件设计。

二、硬件原理图设计（详细见原理图）

1、MCU选型

选择STM32F103C8T6，作为设计原型，选择一颗具有代表性的芯片即可。如果该芯片功能不够无法满足后续开发，可以替换为STM32F103VC、STM32F407ZE等芯片。（PS：主要是因为便宜+简单+熟悉）

2、WIFI芯片选型

选择ESP8266芯片，使用安信可推出的ESP-12F模组。个人感觉这颗芯片的知名度较高，网上资源比较多，学习成本较低。而EMW3080，网络上资料较少。在B站上分别搜索这两颗芯片，一目了然，一个是满屏的教程，一个是3080显卡。在csdn上也差不多。

3、STM32最小系统电路设计

1、BOOT电路：两个BOOT都下拉，程序从flash区域启动

2、下载电路：使用SWD下载程序，接口使用X9821WRS-04-9TSN，防呆，比用杜邦线插拔舒服，此处仅个人习惯，可改为2.54mm排针

3、晶振电路：8MHz，个人喜欢5032 两脚封装的晶振，比49S看起来舒服，就是贵一点

4、复位电路

5、电源指示灯

6、电源：使用SPX3819-3.3，LDO，用来给主控芯片供电较为合适

7、滤波：四个100nF的滤波电容

4、LED指示灯

一个电源指示灯、三个自定义LED

5、按键

两个按键，用来恢复出厂设置、控制OLED显示等

6、OLED

本次设计中没有给stm32加上USB电路，也没有预留串口引脚，无法串口输出信息，所以加上OLED可以方便调试，当然最主要的还是用户可以看到数据。

7、DHT11

采集温湿度可以说是插座的一个扩展功能，DHT11可以说是非常常见而且便宜的温湿度传感器了，所以用它。

8、ESP8266最小系统设计

1、ESP_EN、GPIO0、GPIO2上拉

2、GPIO15下拉

3、复位电路

4、CH340串口一键下载电路

9、ESP8266与STM32通信电路设计

ESP8266只有一个半UART，其中UART1用来输出日志，UART0用来下载程序，但是要实现与STM32串口通信需要做一些更改。将ESP8266的UART0的TX和RX映射到U0RTS（MTDO/GPIO15）和U0CTS (MTCK/GPIO13)。交换引脚之后，我们依旧可以使用之前的TXD0和RXD0来下载程序，但是和stm32通信则使用GPIO13和GPIO15。这样可以保证在不改变硬件连接的情况下，同时下载程序以及与STM32通信。

三、硬件Layout设计

1、USB走差分线

2、对晶振进行包地处理，内部不覆铜

3、220V区域不铺铜，采用2mm线宽

四、STM32软件设计

1、开发环境

MDK ARM 5.28

STM32CubesMX 6.0.1

2、SDK版本

STM32Cube MCU Package for STM32F1 Series 1.8.0

Keil.STM32F1xx_DFP.2.3.0.pack

3、使用freeRTOS，创建“SWTask”和“UARTTask”进行任务调度

3、创建结构体，使用UART DMA同步STM32和ESP8266的数据，不定长接收，判断帧头sof1、sof2接收数据

typedef struct
{
    uint8_t     sof1;
    uint8_t     sof2;
    uint16_t    temperature;
    uint16_t    humidity;
    _Bool       relay;
    _Bool       linkkit_started;
    _Bool       factory_restore;
} Model_Info_t;

4、OLED驱动程序，使用软件模拟IIC通信，显示数据

5、“SWTask”实现按键扫描，检测SW1，SW2长按或短按，并执行相应操作。

6、“UARTTask”实现发送数据，接收数据由DMA回调完成

五、ESP8266软件设计

1、开发环境

Visual Studio Code 1.47.3

gcc version 5.2.0 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-92-g8facf4c0)

2、SDK版本

ESP8266_RTOS_SDK 3.2

3、使用esp-aliyun框架

4、将日志输出和串口改为TX1

5、交换UART0的引脚，实现与STM32通信

6、采集DHT11数据

7、使用硬件定时器控制定时任务

六、机械设计

1、OLED支架。

我使用的OLED是0.96寸 IIC OLED，尺寸为25mm*26mm。考虑到OLED模块底部有元器件，所以特意在中间镂空1mm，使得元器件嵌入凹槽中。装配使用了M2*5mm的自攻螺丝。

2、外壳，这个版本由于同时使用了stm32、esp8266、oled、dht11等器件，板子的整体面积较大，所以并不想设计外壳。后续会设计一版去除dht11、stm32，只留esp8266以及继电器部分，使体积尽可能小再设计外壳。

七、公有APP

八、功能实现

1、实现公有APP一键配网，查看温湿度数据，控制插座

2、天猫精灵语音控制插座，“打开插座”、“关闭插座”

3、长按SW1，重置ESP8266，进入配网模式，指示灯闪烁，配网后，指示灯常亮

4、OLED显示温湿度数据、网络连接数据等

九、设计问题及改进

V2.0

1、修改了上一版本中的问题
2、黑色阻焊

V1.0

1、ESP8266电路中使用了GPIO9来读取DHT11的温湿度数据，如下图所示，设计的初衷是该引脚距离DHT11的摆放位置比较近，但是实测却发现使用这个引脚，板子就会重启，后经查找资料发现，ESP8266的GPIO9和GPIO10用于读写FLASH，使用了会造成读取程序出错。所以下一版我将使用GPIO5来读取DHT11。这一版只能通过外接一个DHT11模块来实现功能，板载的已经不能用了。

错误图1

2、OLED的封装出现问题，我购买的0.96寸 IIC OLED的实际尺寸为25mm*26mm，但是封装上的尺寸大于该设计，导致布局布线很紧凑。下一版将会更新封装。

失误图2

3、设计继电器电路的时候，输入端信号布线设置了“CH1”网络，但是在单片机那端没有添加该网络。而DRC的时候，由于这个引脚已将连接了上拉电阻，所以并没有提示网络端口只有一个，以至于没有检查出错误。这提醒了我设计完成后应当从头到尾每个网络都检查一遍，出现这样的纰漏实属不该。这一版只能将LED4去掉，将它的引脚通过跳线连接到“CH1”网络上，来实现继电器的控制。


错误图3

4、ESP8266与STM32联调的时候，日志会重定向到TX1（GPIO2）输出，但是这一版设计没有将TX1引出。初衷是作为一个插座，不需要添加多余的组件，在实际使用中TX1引脚是不会使用到的。但是在联调的时候由于看不到ESP8266的日志，这对于调试程序极为不利。考虑到目前处于测试阶段，而且一个焊盘的位置在板子上也是绰绰有余的，所以在下一版将添加GPIO2焊盘用于调试程序。

改进图4

5、为了使得STM32与ESP8266响应够快，将STM32的串口发送周期设为100ms，发送数据导致ESP8266的串口接收任务堆栈溢出，导致出错，故将其重新设置为1s周期。