CN107703818A - 基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统，包括智能控制器、编程终端、无线路由器和服务器；所述编程终端运行上位机的图形化编程模块并编写用户信息，传给所述服务器，所述服务器编译之后通过所述无线路由器的网络下载到所述智能控制器中，所述智能控制器完成接收并运行所述上位机的用户信息，实现智能控制。本发明实现了智能控制器系统的可无线编程，从而打破了局域限制和布线束缚。

Description

基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统。

背景技术

随着近年来创客教育与STEAM教育等新兴教育模式的发展，教育机器人控制系统研究已经取得了很大的发展。中小学机器人教育涵盖多方面内容，强调手脑并用，是培养中小学生科学素养和创新能力的重要载体，也是在校园内开展创客教育的良好平台。但是，目前教育机器人控制系统大多只支持程序有线升级下载，对于使用数量不多并且控制器设备比较容易取回的工作环境，有线下载方式是可行的，但是在设备使用数量比较多，使用位置分散的环境下，有线下载方式布线困难，且需要较多数量的复杂编程设备，对此类控制器设备软件升级的成本就会大大增加，因此有线下载方式不适合在分散教学的课堂教学中使用。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统，实现了智能控制器系统的可无线编程，从而打破了局域限制和布线束缚。

本发明提供的基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统，其改进之处在于，包括智能控制器、编程终端、无线路由器和服务器；

所述编程终端运行上位机的图形化编程模块并编写用户信息，传给所述服务器，所述服务器编译之后通过所述无线路由器的网络下载到所述智能控制器中，所述智能控制器完成接收并运行所述上位机的用户信息，实现智能控制。

优选的，所述智能控制器包括核心板和扩展板；

所述核心板包括主控单元最小系统、USB接口、调试接口和核心板连接器；所述主控单元最小系统包括单片机处理器模块；所述USB接口、所述调试接口和所述核心板连接器分别与所述单片机处理器模块连接；

所述扩展板包括WiFi模块、开关机控制模块、电源模块、LCD显示模块、按键输入模块、存储模块、蜂鸣器、I/O端口、电机驱动模块和扩展板连接器；所述核心板与扩展板通过所述核心板连接器和所述扩展板连接器连接，所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口和所述电机驱动模块均通过所述扩展板连接器与所述单片机处理器模块通信；

所述电源模块包括第一低压线性稳压器、第二低压线性稳压器、DC/DC转换器、第一直流电源、第二直流电源和负载开关芯片；所述第一直流电源为锂电池组，其为所述智能控制器系统供电；所述第二直流电源为8.4V外部直流电源，其为锂电池组充电且或者为所述智能控制器系统供电；所述第一低压线性稳压器为所述单片机处理器模块供电；所述第二低压线性稳压器为所述WiFi模块供电；所述DC/DC转换器将电压进行转换后，用于所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口、所述电机驱动模块的供电；所述负载开关芯片用于控制所述LCD显示模块的供电。

较优选的，所述WiFi模块为串口转WiFi无线模块，其型号为ESP-12S型封装模块，其中：

RST引脚、ADC引脚、IO16引脚、IO14引脚、IO12引脚、IO13引脚、IO5引脚、IO4引脚、IO0引脚、IO2引脚和IO15引脚断路，EN引脚和VCC引脚接第二低压线性稳压器，TXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的RXD3引脚，RXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的TXD3引脚，GND引脚接地。

较优选的，所述扩展板包括电池监测模块，其采用单线总线控制方式，用于检测电池组剩余电量、当前电压和统计消耗电流作用。

较优选的，所述第一低压线性稳压器为5V低压线性稳压器，其采用AMS1117-5.0型芯片；

所述第二低压线性稳压器为带使能端的3.3V低压线性稳压器，其采用SPX3819M5-L-3.3型芯片；所述单片机处理器模块实现对所述第二低压线性稳压器的使能端控制；

所述DC/DC转换器为5V降压型DC/DC转换器(DCDC-5V)，其采用TPS562201型芯片；

所述负载开关芯片用于控制LCD显示模块的供电，其采用TPS27801A型芯片；

所述开关机控制模块用于控制所述智能控制器系统的供电，采用LTC2954-2型芯片。

较优选的，在所述智能控制器系统休眠模式下，所述单片机处理器模块通过控制所述第二低压线性稳压器，切断对所述WiFi模块供电；所述单片机处理器模块通过控制所述负载开关芯片，切断扩展板上的LCD显示模块供电。

较优选的，所述智能控制器包括BootLoader引导区模块；

运行BootLoader引导区模块后，通过扩展板上初始化后的WiFi模块，与所述服务器建立TCP/IP连接，再跳转运行所述用户信息。

较优选的，所述智能控制器采用FreeRTOS操作系统。

较优选的，编程终端包括平板电脑。

本发明的技术方案中，在硬件部分，根据硬件结构原理和主控功能模块分类，包括核心板和扩展板两个组成部分。核心板上设有主控单元最小系统以及USB接口，并留有调试接口可独立编程使用。扩展板上设有WiFi模块、开关机控制模块、电源模块、LCD显示模块、按键输入模块、存储模块、蜂鸣器、状态显示模块、外围I/O端口以及电机驱动模块等。核心板和扩展板之间通过连接器相连。主控单元最小系统通过连接器与扩展板上的各个模块进行电路连接。智能控制器通过WiFi模块与服务器进行无线通信，完成图形化编程程序的下载过程，摆脱了地域限制和布线束缚，使设备软件在线升级更方便、更有效。开关机控制模块由按钮开关和开关机芯片组成，通过按钮按下的时间长短控制电源的开关，稳定性好，开机芯片具有中断使能功能，支持菜单式对CPU进行断电操作。电源模块由DCDC转换器、低压线性稳压器、负载开关以及电池电量检测部分组成，进行了低功耗设计，在系统运行进入休眠期时，切断部分负载电源，减少功率损耗。

运行时，Bootloader引导区程序采用基于WiFi的无线更新方法。该方法对微控制器FLASH存储空间进行有效分配，设计IAP功能，利用WiFi通信接口采用TCP/IP协议下载新软件到FLASH，实现嵌入式软件在线更新，更新速度快，受环境影响小。本系统采用了轻量级的嵌入式实时操作系统FreeRTOS，并根据软件功能划分了6大任务，分别是按键输入任务、LCD显示任务、状态显示任务、测试程序任务、用户信息程序任务和电源管理任务。通过对系统多任务进行调度，具有优先级高的任务首先被执行，保证了系统的实时性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统网络拓扑图；

图2为本发明实施例的智能控制器的硬件结构框图；

图3为本发明实施例的电源模块框图；

图4为本发明实施例的系统软件更新时序图

图5为本发明实施例的BootLoader模块运行流程图；

图6为本发明实施例的智能控制器系统的任务分配示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例提出的基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统，其系统网络拓扑图如图1所示，其包括智能控制器、编程终端(如平板电脑)、无线路由器和服务器；编程终端运行上位机的图形化编程模块并编写用户信息，传给所述服务器，所述服务器编译之后通过所述无线路由器的网络下载到所述智能控制器中，所述智能控制器完成接收并运行所述上位机的用户信息，实现智能控制。

具体的，本实施例的智能控制器包括核心板和扩展板；

所述核心板包括主控单元最小系统、USB接口、调试接口和核心板连接器；所述主控单元最小系统包括单片机处理器模块；所述USB接口、所述调试接口和所述核心板连接器分别与所述单片机处理器模块连接；

所述扩展板结构示意图如图2所示，包括WiFi模块、开关机控制模块、电源模块、LCD显示模块、按键输入模块、存储模块、蜂鸣器、I/O端口、电机驱动模块和扩展板连接器；所述核心板与扩展板通过所述核心板连接器和所述扩展板连接器连接，所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口和所述电机驱动模块均通过所述扩展板连接器与所述单片机处理器模块通信；所述开关机控制模块用于控制所述智能控制器系统的供电，采用LTC2954-2型芯片，该芯片支持2.7V至26.4V的宽工作电压范围，且仅有6μA的消耗，可实现单键长按开/关机(长按响应时间可调)，并有一个中断输出可要求CPU进行断电操作。

所述电源模块框图如图3所示，包括第一低压线性稳压器、第二低压线性稳压器、DC/DC转换器、第一直流电源、第二直流电源和负载开关芯片；所述第一直流电源为锂电池组，其为所述智能控制器系统供电；所述第二直流电源为8.4V外部直流电源，其为锂电池组充电且或者为所述智能控制器系统供电；所述第一低压线性稳压器为5V低压线性稳压器，其采用AMS1117-5.0型芯片，对所述单片机处理器模块供电；所述第二低压线性稳压器为带使能端的3.3V低压线性稳压器，其采用SPX3819M5-L-3.3型芯片，对所述WiFi模块供电；所述DC/DC转换器为5V降压型DC/DC转换器(DCDC-5V)，为TPS562201型芯片，其将电压进行转换后，用于所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口、所述电机驱动模块的供电；所述负载开关芯片用于控制所述LCD显示模块的供电，其采用TPS27801A型芯片。

所述WiFi模块为串口转WiFi无线模块，其型号为ESP-12S型封装模块，选用ESP-12S型封装模块，具有较小尺寸封装、贴片设计、性能稳定等特点，支持完善简洁高效的AT指令，提供AP、STA和AP+STA共存三种模式。本控制器系统搭载的ESP8266工作在STA模式，与无线路由器(AP)进行连接。无线模块可通过UART与设备相连，其和主控单元最小系统(MCU)之间的通信主要是通过端口RXD、TXD与MCU上UART3的TXD3、RXD3之间的数据交换来完成。通过AT指令进行相关配置，WiFi模块可工作在透传模式，即WiFi模块接收和发送数据实现透明传输。具体的，RST引脚、ADC引脚、IO16引脚、IO14引脚、IO12引脚、IO13引脚、IO5引脚、IO4引脚、IO0引脚、IO2引脚和IO15引脚断路，EN引脚和VCC引脚接第二低压线性稳压器，TXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的RXD3引脚，RXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的TXD3引脚，GND引脚接地。

优选的，为了保障智能控制器的正常运行，本实施例在扩展板上还添加电池监测模块，其采用单线总线控制方式，用于检测电池组剩余电量、当前电压和统计消耗电流作用。

优选的，为了减少功耗，本实施例在智能控制器系统休眠模式下，所述单片机处理器模块通过控制所述第二低压线性稳压器，切断对所述WiFi模块供电，可减少0.3W的功率损耗；所述单片机处理器模块通过控制所述负载开关芯片，切断扩展板上的LCD显示模块供电，可减少1.2W的功率损耗。

本实施例的智能控制器系统采用FreeRTOS操作系统，在运行时主要分为BootLoader引导区模块和用户信息模块两部分。系统通过设计BootLoader引导区程序，具有支持基于WiFi的可无线编程功能，其实现方法为：控制器上电后，首先运行引导区程序，初始化WiFi模块ESP8266，并与服务器建立TCP/IP连接，然后进行软件更新下载，最后跳转执行用户信息程序，可无线编程控制系统的软件更新时序图如图4所示。

AVR单片机处理器模块提供了引导加载功能，即bootloader功能。单片机处理器模块可以通过运行常驻在Flash中一个特定区域的bootloader程序，实现“在应用编程”(IAP)以及系统程序的自动更新等功能。其IAP功能允许单片机引导加载程序对整个Flash存储器进行读写，并可对自身进行更新修改，甚至删除，还可以通过设置芯片的熔丝位来改变引导区的大小和地址。在本系统中，上电后先运行BootLoader引导区程序，然后有两种工作模式，即更新模式和正常模式。当选择进入更新模式后，首先对WiFi模块初始化，使其工作在STA组网模式，与服务器建立TCP/IP连接，最后进行数据传输。当引导区程序执行完毕后自动跳转至应用程序区执行用户信息程序。当选择进入正常模式后，则直接跳转至应用程序区执行用户信息程序。数据传输协议采用应用广泛的Xmodem协议，这是一种个人计算机通信中广泛使用的异步文件运输协议，能保证数据传输的正确性。BootLoader引导区程序实现流程图如图5所示。在用户下载程序之后，初始化WiFi模块，按Xmodem协议读取一页大小程序文件，FLASH页进行更新操作，在判断程序文件已经读完后，跳转到用户信息程序。

本实施例在运行时可以划分6大任务，分别是按键输入任务、LCD显示任务、状态显示任务、测试程序任务、用户信息程序任务和电源管理任务。FreeRTOS作为一种操作系统，任务调度的原则是高优先级的任务优先被执行，只有高优先级任务主动让出，低优先级任务才能被执行。FreeRTOS中优先级的数值越小，代表该任务的优先级越低，最小优先级的数值为0。所以为每个任务了分配不同的优先级，任务分配表如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于WiFi的无线编程创客教育智能控制器系统，其特征在于，包括智能控制器、编程终端、无线路由器和服务器；

所述编程终端运行上位机的图形化编程模块并编写用户信息，传给所述服务器，所述服务器编译之后通过所述无线路由器的网络下载到所述智能控制器中，所述智能控制器完成接收并运行所述上位机的用户信息，实现智能控制。

2.如权利要求1所述的智能控制器系统，其特征在于，所述智能控制器包括核心板和扩展板；

所述核心板包括主控单元最小系统、USB接口、调试接口和核心板连接器；所述主控单元最小系统包括单片机处理器模块；所述USB接口、所述调试接口和所述核心板连接器分别与所述单片机处理器模块连接；

所述扩展板包括WiFi模块、开关机控制模块、电源模块、LCD显示模块、按键输入模块、存储模块、蜂鸣器、I/O端口、电机驱动模块和扩展板连接器；所述核心板与扩展板通过所述核心板连接器和所述扩展板连接器连接，所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口和所述电机驱动模块均通过所述扩展板连接器与所述单片机处理器模块通信；

所述电源模块包括第一低压线性稳压器、第二低压线性稳压器、DC/DC转换器、第一直流电源、第二直流电源和负载开关芯片；所述第一直流电源为锂电池组，其为所述智能控制器系统供电；所述第二直流电源为8.4V外部直流电源，其为锂电池组充电且或者为所述智能控制器系统供电；所述第一低压线性稳压器为所述单片机处理器模块供电；所述第二低压线性稳压器为所述WiFi模块供电；所述DC/DC转换器将电压进行转换后，用于所述WiFi模块、所述开关机控制模块、所述电源模块、所述LCD显示模块、所述按键输入模块、所述存储模块、所述蜂鸣器、所述I/O端口、所述电机驱动模块的供电；所述负载开关芯片用于控制所述LCD显示模块的供电。

3.如权利要求2所述的智能控制器系统，其特征在于，所述WiFi模块为串口转WiFi无线模块，其型号为ESP-12S型封装模块，其中：

RST引脚、ADC引脚、IO16引脚、IO14引脚、IO12引脚、IO13引脚、IO5引脚、IO4引脚、IO0引脚、IO2引脚和IO15引脚断路，EN引脚和VCC引脚接第二低压线性稳压器，TXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的RXD3引脚，RXD引脚接所述主控单元最小系统的串口UART3上的TXD3引脚，GND引脚接地。

4.如权利要求2所述的智能控制器系统，其特征在于，所述扩展板包括电池监测模块，其采用单线总线控制方式，用于检测电池组剩余电量、当前电压和统计消耗电流作用。

5.如权利要求3所述的智能控制器系统，其特征在于，所述第一低压线性稳压器为5V低压线性稳压器，其采用AMS1117-5.0型芯片；

所述第二低压线性稳压器为带使能端的3.3V低压线性稳压器，其采用SPX3819M5-L-3.3型芯片；所述单片机处理器模块实现对所述第二低压线性稳压器的使能端控制；

所述DC/DC转换器为5V降压型DC/DC转换器，其采用TPS562201型芯片；

所述负载开关芯片用于控制LCD显示模块的供电，其采用TPS27801A型芯片；

所述开关机控制模块用于控制所述智能控制器系统的供电，采用LTC2954-2型芯片。

6.如权利要求5所述的智能控制器系统，其特征在于，在所述智能控制器系统休眠模式下，所述单片机处理器模块通过控制所述第二低压线性稳压器，切断对所述WiFi模块供电；所述单片机处理器模块通过控制所述负载开关芯片，切断扩展板上的LCD显示模块供电。

7.如权利要求2所述的智能控制器系统，其特征在于，所述智能控制器包括BootLoader引导区模块；

运行BootLoader引导区模块后，通过扩展板上初始化后的WiFi模块，与所述服务器建立TCP/IP连接，再跳转运行所述用户信息。

8.如权利要求2所述的智能控制器系统，其特征在于，所述智能控制器采用FreeRTOS操作系统。