内容介绍

项目介绍

项目背景：随着物联网（IoT）技术的迅速发展，智能家居系统的需求日益增加。因此，我使用了STM32WB09KE为核心主控设计了一个智能家居蓝牙控制中枢这么一个项目。这个项目不仅能够通过无线通信技术实现对家庭环境中灯光、风扇等设备的远程控制，还能实时采集温度、湿度、光照强度等环境参数，并将这些数据反馈终端（手机、电脑等），从而让居家生活更加的舒适。

创新点：

双向通信控制：不同于传统的单向控制系统，这个项目实现了指令下发与设备状态反馈的闭环控制逻辑。这意味我不仅可以发送控制命令，比如开关灯或调整风扇速度，还可以实时接收设备的状态信息，确保操作的有效性和准确性。
多任务实时处理：这个项目能够在控制设备的同时完成对多个传感器的数据采集工作，并且还可以实时上报数据终端设备。
低功耗设计：利用WB09KE是一款低功耗蓝牙和超低功耗的芯片，在不影响性能的前提下大幅降低了功耗，并且在没有连接蓝牙的情况下让它会进入睡眠模式。这对于电池供电且需要长时间供电的它来说，能够显著延长设备的工作时间，减少了频繁充电的情况。
支持蓝牙中继：扩展了终端的无线覆盖的范围，实现更广泛的网络覆盖和更稳定的通信质量

方案框图与设计思路

本次项目采用星型拓扑结构，以STM32WB09KE为核心节点，构建了多设备协同的智能家居网络。这样窝在家中的某一个角落中就可以控制家中的蓝牙设备。具体架构如下：

需要实现以下功能

主控制器（STM32WB09KE）作为网络协调器，负责：
接收手机/PC端的控制指令并分发至目标设备
聚合各从设备的传感器数据并回传至手机/PC端
维护蓝牙网络连接状态
从设备节点
执行器模块：驱动灯光和风扇
传感器模块：实时采集温湿度、光照等环境参数
独立通信协议栈：支持自定义数据帧格式（设备ID+指令/数据）
完成本次项目大致可以以下分为5个步骤

硬件介绍

主控：
- NUCLEO-WB09KE开发板
执行单元：
- 风扇
- 灯条
传感器模块：
- 光照传感器
蓝牙终端：
- 手机
- PC

主控

STM32WB09KE 是 Arm Cortex-M0+ 内核，具有 512 KB 的闪存和 64 KB 的 SRAM，采用VFQFPN32封装
符合Bluetooth®低功耗SIG核心规范版本5.3，支持点对点连接和Bluetooth® Mesh网络，允许以可靠的方式建立大规模设备网络
超低功耗和出色无线电性能的优化，电池寿命遥遥领先，关断模式下12 nA (1.8 V)
包含专用硬件功能：符合NIST特别出版物800-90B要求的真随机数发生器 (TRNG)、用于128位AES加密的安全协处理器、CRC计算单元、64位唯一ID、Flash存储器读/写保护以及公钥加速器 (PKA)
如下是NUCLEO-WB09KE这个板子的正反面介绍，标注出了重要的部分

这个内部框图庖丁解牛般的展示了电源的脉络、对外的接口。

执行单元

使用光耦来进行隔力，通过继电器来控制设备的通和断开，可以支持220V的交流电（但注意高压有风险，行动需谨慎！）

绘制的原理图和PCB就是硬件介绍中的执行单元

软件流程图

MCU

代码是参考官方提供的例程修修补补而来的，过程是非不易。以下是代码整体的运行流程图

graph TD
    A[系统初始化] --> B[硬件抽象层初始化 HAL_Init]
    B --> C[系统时钟配置 SystemClock_Config]
    C --> D[外设时钟配置 PeriphCommonClock_Config]
    D --> E[外设初始化]
    E --> F[GPIO初始化 MX_GPIO_Init]
    E --> G[无线电模块初始化 MX_RADIO_Init]
    E --> H[定时器初始化 MX_TIM16_Init]
    E --> I[加密模块初始化 MX_PKA_Init]
    I --> J[BLE应用层初始化 MX_APPE_Init]
    J --> K[主循环]
  
    K --> L[BLE事件处理 MX_APPE_Process]
    K --> M{按键检测}
    M --> |B1按下| N[BLE数据4号位+1]
    M --> |B3按下| O[BLE数据4号位+10]
    K --> P{接收数据处理}
    P --> |0x01标志| Q[切换蓝灯状态]
    P --> |0x01标志| R[更新BLE数据2号位]
    P --> |0x01标志| S[切换红灯状态]
    P --> |0x01标志| T[更新BLE数据3号位]
  
    H --> U[定时器中断触发]
    U --> V[周期计数器+1]
    V --> W[发送BLE数据]

上位机

PC端使用python来开发，下面是代码运行的主要流程图

graph T
    A[启动应用] --> B[初始化界面]
    B --> C[创建异步事件循环]
    C --> D[显示主界面]
    D --> E{用户操作}

    E --> |扫描设备| F[启动BleakScanner]
    F --> G[填充设备列表]
    G --> D

    E --> |选择设备| H[发起连接请求]
    H --> I{连接成功?}
    I --> |是| J[启用功能按钮]
    I --> |否| K[显示错误信息]
    J --> D

    E --> |发送数据| L[选择特征UUID]
    L --> M[编码输入数据]
    M --> N[通过GATT发送]
    N --> D

    E --> |订阅通知| O[选择特征UUID]
    O --> P[注册回调函数]
    P --> Q[持续接收数据]
    Q --> R[更新全局字节数组]
    R --> S[刷新界面状态]

    E --> |控制中心| T[显示控制面板]
    T --> U[设备状态操作]
    U --> V[发送控制指令]
    V --> D

    Q --> W[解析数据包]
    W --> X{灯光状态变化?}
    X --> |是| Y[更新LED图片]
    X --> |否| Z{风扇状态变化?}
    Z --> |是| AA[更新风扇图片]
    AA --> AB[温度/湿度显示]