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摘要: 主要針對(duì)一些中小型表演劇場(chǎng)中使用到的舊式媒體設(shè)備時(shí)效性差、可靠性低、穩(wěn)定性弱、通信范圍小、魯棒性差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)備控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為主控單元，與機(jī)智云配置使用，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接，讓工作人員可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提高了便捷性和時(shí)效性。

近年來(lái)，新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)，利用云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)高效控制，由此實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)世界、網(wǎng)絡(luò)世界和人類認(rèn)識(shí)世界的聯(lián)通。本文由機(jī)智云開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)了一款適用于中小型環(huán)境的基于機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)的媒體設(shè)備控制系統(tǒng)。

目前，基于云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行媒體設(shè)備方面的智能硬件開(kāi)發(fā)需要以下幾部分：媒體設(shè)備、云服務(wù)平臺(tái)和手機(jī)APP�；谠频拿襟w設(shè)備控制系統(tǒng)如圖1所示。

利用可靠的硬件設(shè)備模擬媒體產(chǎn)品可以準(zhǔn)確地反映本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的燈光控制以及音樂(lè)播放控制等功能。云端服務(wù)器選用機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)，用于轉(zhuǎn)發(fā)手機(jī)軟件下發(fā)的控制指令，然后將控制指令下發(fā)至硬件設(shè)備。

一場(chǎng)完美的演出需要一整套智能高效的燈光控制系統(tǒng)。針對(duì)劇院舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6試驗(yàn)板上的LED燈來(lái)模擬燈光設(shè)備，模擬燈光設(shè)備的原理圖如圖2所示。其中PWR是設(shè)備電源指示燈，為藍(lán)色，LED0(DS0）和LED1(DS1）分別為紅色和綠色，LED0與STM32的PB5相連。

針對(duì)劇院舞臺(tái)音響控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6試驗(yàn)板上的SD卡模塊、音頻處理模塊、音頻功率放大模塊以及小喇叭來(lái)模擬音響設(shè)備。

本設(shè)計(jì)需要提前將要播放的歌曲存放在一張SD卡中，通過(guò)試驗(yàn)板上的卡槽將SD卡與主控芯片相連接，SD卡接口與STM32F103ZET6連接的原理圖如圖3所示。

SD卡中的音樂(lè)文件需要經(jīng)過(guò)音頻處理以及功率放大才可以通過(guò)擴(kuò)音器進(jìn)行播放，則音頻處理模塊電路原理圖如圖4所示。圖4中，MP3＿LEFT/MP3＿RIGHT兩個(gè)引腳用作VS1053B的音頻輸出接口。SPK＿CTRL連接在VS1053B的GPIO4上，用于控制HT6872工作狀態(tài)，從而控制小喇叭出聲，要讓小喇叭發(fā)聲，必須通過(guò)APP控制VS1053B的GPIO4輸出高電平，否則小喇叭關(guān)閉。VS＿RST是VS1053B的復(fù)位信號(hào)線，低電平有效。VS＿DREQ是一個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，用來(lái)通知主機(jī)VS1053B能否接收數(shù)據(jù)。

圖5中，SPK＿IN就是HT6872的音頻輸入，然后SP+和SP-分別連接喇叭的正負(fù)極。重點(diǎn)看SPK＿CTRL，這個(gè)信號(hào)控制著HT6872的工作模式，該信號(hào)由VS1053B的36引腳（GPIO4）控制，當(dāng)SPK＿CTRL引腳為低電平時(shí)，HT6872進(jìn)入關(guān)斷模式，也就是功放不工作了，當(dāng)SPK＿CTRL引腳為高電平時(shí)，HT6872進(jìn)入正常工作模式，此時(shí)喇叭可以播放SPK＿IN輸入的音頻信號(hào)。這樣，通過(guò)SPK＿CTRL就可以控制喇叭的開(kāi)關(guān)了。播放音樂(lè)以后，采用TFTLCD模塊顯示模擬音響設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的播放信息。

系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行必須有軟件程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，本文的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一是模擬媒體設(shè)備STM32F103ZET6MCU端程序的編寫(xiě)，包括LED燈初始化及控制程序設(shè)計(jì)、音樂(lè)播放部分的初始化及控制程序設(shè)計(jì)、WiFi初始化等程序；

二是智能手機(jī)的應(yīng)用程序，主要是在機(jī)智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建、虛擬設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)、程序移植以及智能手機(jī)APP的下載安裝。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體框圖如圖6所示。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括LED燈、LCD顯示屏以及VS1053B等芯片外設(shè)的初始化程序設(shè)計(jì)，WiFi模塊的固件安裝、WiFi初始化，硬件配網(wǎng)及控制主界面程序設(shè)計(jì)，云平臺(tái)APP控制功能程序設(shè)計(jì)以及程序移植。模擬媒體設(shè)備程序設(shè)計(jì)主要使用Keil5 MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

軟件設(shè)計(jì)采用Keil MDK5開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)比以前的版本，Keil MDK5有非常大的優(yōu)勢(shì)，新版本的器件包與編譯器是分離開(kāi)的，也就是說(shuō)在使用時(shí)需要哪種器件就下載相應(yīng)的器件包即可，無(wú)需下載其他器件包，從而節(jié)省存儲(chǔ)資源、節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

選用的是目前為止在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有相當(dāng)大優(yōu)勢(shì)的機(jī)智云云服務(wù)（Gizwits）平臺(tái)，提供了自助式在線工具與開(kāi)放的IoT云端服務(wù)，只需少量代碼，甚至只需進(jìn)行拖拉拽，就能開(kāi)發(fā)一款A(yù)pp或語(yǔ)音控制智能設(shè)備。有助于加快開(kāi)發(fā)速度，縮短開(kāi)發(fā)周期。

GAgent是一種用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的嵌入式固件系統(tǒng)，硬件設(shè)備需要依靠GAgent才能接入機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)，GAgent接入機(jī)智云，需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：

(1) GAgent獲取設(shè)備信息，首先GAgent通過(guò)串口向MCU發(fā)出請(qǐng)求設(shè)備信息指令，MCU在接收到請(qǐng)求指令后將設(shè)備信息以同種方式發(fā)送給GAgent，如果此時(shí)設(shè)備正常工作，則MCU需要回復(fù)GAgent發(fā)出的心跳包

(2) 設(shè)備配置入網(wǎng)有airlink、softAP兩種方式可供選擇：airlink方式主要通過(guò)手機(jī)端發(fā)送包含路由器賬號(hào)和密碼的特定UDP廣播，設(shè)備的WiFi模塊接收到后根據(jù)廣播包含的信息連接到路由器上；softAP方式則是將設(shè)備作為一個(gè)AP，將手機(jī)APP連接到WiFi模塊的熱點(diǎn)上。

(3) 前者可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制指令下發(fā)接收，而后者只能用于近距離的相關(guān)配置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，選擇airlink方式進(jìn)行配網(wǎng)。airlink配網(wǎng)流程如圖7所示。

(4) 智能手機(jī)APP控制設(shè)備之前必須先綁定設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用WiFi方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行綁定，WiFi技術(shù)安全健康，在實(shí)際工作中，它的發(fā)射功率大約在60～70mW之間，所以說(shuō)該技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較安全健康的[11]，搜索并綁定設(shè)備流程如圖8所示。

上報(bào)設(shè)備數(shù)據(jù)一般是指設(shè)備主動(dòng)上報(bào)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，MCU通過(guò)串口上報(bào)設(shè)備數(shù)據(jù)給GAgent,GAgent將數(shù)據(jù)上報(bào)給云端，云端將數(shù)據(jù)下發(fā)至APP；而下發(fā)數(shù)據(jù)一般是指智能手機(jī)APP或者云端控制硬件設(shè)備，APP端上報(bào)數(shù)據(jù)到云端，云端將其下發(fā)至GAgent，進(jìn)而通過(guò)串口下發(fā)至MCU。設(shè)備數(shù)據(jù)的上報(bào)及下發(fā)流程如圖9所示。

在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)本設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，即通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送控制指令，經(jīng)過(guò)云端服務(wù)平臺(tái)接收并下發(fā)至模擬媒體設(shè)備的WiFi模塊，設(shè)備做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。

(1) 給設(shè)備上電，打開(kāi)K2開(kāi)關(guān)，指示燈PWR亮起，對(duì)WiFi模塊進(jìn)行配置，完成硬件外設(shè)的初始化工作。

(2) 給設(shè)備上電，打開(kāi)K2開(kāi)關(guān)，指示燈PWR亮起，對(duì)WiFi模塊進(jìn)行配置，完成硬件外設(shè)的初始化工作。

(5) 設(shè)備配網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行配置，輸入智能手機(jī)所連接的路由器賬號(hào)和密碼、選擇WiFi模組類型并將設(shè)備設(shè)置為待連接狀態(tài)，通過(guò)串口助手調(diào)試軟件可以觀察到設(shè)備當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

(6) 設(shè)備配網(wǎng)完成之后，智能手機(jī)APP界面將會(huì)顯示出設(shè)備名稱，設(shè)備配網(wǎng)成功實(shí)物如圖10所示。

完成設(shè)備配置入網(wǎng)后，將手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)由連接路由器切換為4G網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)便可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)云端服務(wù)器并發(fā)送指令至模擬媒體設(shè)備，使之實(shí)現(xiàn)燈光開(kāi)關(guān)以及音頻播放等功能。當(dāng)手機(jī)LED開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，設(shè)備下端的紅色LED燈DS0亮起，開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，LED燈滅。

接下來(lái)測(cè)試模擬音響設(shè)備功能，當(dāng)手機(jī)player開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，設(shè)備播放音樂(lè)并在LCD屏上顯示當(dāng)前播放歌曲的名稱、時(shí)長(zhǎng)、音量以及存儲(chǔ)的音頻文件總數(shù)等詳細(xì)信息。以上便是云端控制系統(tǒng)功能測(cè)試內(nèi)容，經(jīng)過(guò)測(cè)試，登錄機(jī)智云IoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)查看設(shè)備運(yùn)行日志，可以了解具體指令下發(fā)過(guò)程。

基于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展這一大背景，設(shè)計(jì)了基于云服務(wù)平臺(tái)的媒體設(shè)備控制系統(tǒng)，已經(jīng)完成的主要工作以及系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：選擇了高性能且低成本的STM32模擬媒體設(shè)備，在一定范圍內(nèi)基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燈光、音響設(shè)備的控制功能，極大提高了系統(tǒng)的有效性和可靠性；為了使觀眾、聽(tīng)眾能夠獲得更好的視聽(tīng)體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了功能實(shí)現(xiàn)顯示界面，主要在音響設(shè)備控制模塊增加了LCD，用以顯示當(dāng)前播放歌曲的具體信息。

由于時(shí)間、成本等多方面因素的限制，還存在著許多不足之處，等待后續(xù)作進(jìn)一步改進(jìn)：為了節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本，系統(tǒng)中選取的燈光控制模塊由LED燈模擬實(shí)現(xiàn)，音響設(shè)備控制模塊由板載小喇叭模擬實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)僅對(duì)劇院環(huán)境下的媒體設(shè)備做了模擬處理，后續(xù)還需要針對(duì)實(shí)際設(shè)備作進(jìn)一步改進(jìn)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取的功能模塊比較少，無(wú)法完整體現(xiàn)劇院媒體設(shè)備的全部功能，后續(xù)還可以增添多種功能模塊，例如幕布控制、舞臺(tái)升降等。