IoT实践--电脑远程开关的制作
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看雪链接：https://bbs.pediy.com/thread-257373.htm
前言
想远程家里电脑，又不想一直开着浪费电。试过WOL（局域网唤醒）的方案不太靠谱，一来唤醒可能会失败，二来电脑如果蓝屏/卡机没法强制关机。于是想到了单片机来控制，至于控制部分，考虑过机械臂，但成本太高，通过步进电机制作又略显麻烦。后面想到了个简单的方案，通过短接PWR-SW开机键两端，产生开机触发信号即可模拟开机动作。所以就有了本文这个东西，文章写得有些琐碎，留个纪念吧。
硬件部分
硬件属于本文重点，虽然原理比较简单，但相对软件，需要准备的东西较多，都可以在X宝买，有些商家为了堆销量1块钱都包邮。
基本原理
STM32板子利用ESP8266模块的WiFi功能连接路由（和Web服务端处于同一个内网），然后定时轮询Web服务器，获取指令（开机/关机、强制关机），得到指令后STM32板子操作GPIO，控制继电器开闭，从而控制PWR-SW开机键闭合。
硬件准备
- MCU：STM32F030F4 Cortex-M0入门级，¥6块多。之前用的F103开发板，后面觉得功耗较高、功能过剩，就买了一块F0最小系统。（还不是因为穷）。
- 继电器：1路5v光耦隔离的即可。
- WiFi模块：ESP8266-01s（出厂一般都是刷了固件的，我之前用Arduino把固件写坏了，后面重刷了一次，也顺带升级了版本）
- USB转UART下载器（可选）：可用USART烧录程序。
- JLink仿真器（可选）：支持SWD，可用SWD烧录程序。
- 杜邦线：公对公/公对母/母对母若干根。
- 烙铁、助焊剂（焊膏/松香）、焊锡备用。
- 热缩管：包扎飞线和杜邦线的接线处。
- 飞线：接电脑开机键两端。
电路接线
- 拆下电脑前端面板，用飞线连接开机键两端（无需焊接，捆住固定即可）。飞线出来的两端连接到继电器（可通过杜邦线间接连接）。
- 买到的STM32F030F4板子有两块引脚排针，需要自己焊上去，当然你也可以买焊好的。
- 板子需要5v Micro USB电源线，可用普通充电头（我是直接用的电脑USB口，关机状态下提供电源，需要在BIOS里设置）
- 板子PA1连接到继电器作为电平输入，同时连接5V引脚和共地。
- JLink接线(查看JLink接线)，UART接线按常规连接TX/RX/GND即可。
- ESP8266的TX和RX分别连接PA9和PA10，同时连接3.3V引脚和共地，PA0连接RST用于复位。模块启动时CH-EN引脚默认高电平，因此无需使能。
开发环境
- Keil5：例如安装5.29。KeyGen下载
- 安装STM32F0开发包：Keil.STM32F0xx_DFP.2.0.0.pack，建议用迅雷下载。
- 配置烧录和调试器：Flash–Configure Flash Tools–Debug–选择JLink，然后设置，没问题的话能SW Device里看到JLink的设备，最后选择Flash Download把STM32F0xx的烧录信息添加进去，例如STM32F0xx 16KB Flash，地址范围0x08000000~(+0x00004000)。然后勾选Reset and Run(下载后运行)。
- 配置编译，优化选择O1（O0生成的文件超出了Flash的容量）。
代码实现
因为工程比较简单，也写了注释，所以我将代码全部放入main.c中便于阅读。程序首先初始化定时器以及各外设，连接WiFi后开始轮询获取服务端数据，通过解析数据来设置PA1端口的高低电平，进而控制继电器闭合。
- 初始化定时器
//接收数据定时器
TIM1_Init(50);
//接收超时定时器
TIM3_Init(5000);
//轮询定时器
TIM14_Init(3000);
- 初始化ESP8266，控制WiFi
void WiFi_Init()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
RESET_IO(1);
}
char WiFi_Start()
{
//复位
if (WiFi_Reset(50)) {
return 1;
}
//设置STA模式
if (WiFi_SendCmd("AT+CWMODE=1",50)) {
return 1;
}
//取消自动连接
if (WiFi_SendCmd("AT+CWAUTOCONN=0",50)) {
return 1;
}
//开始连接
if (WiFi_Connect(30)){
return 1;
}
//开启透传
if(WiFi_SendCmd("AT+CIPMODE=1",50)){
return 1;
}
//关闭多路连接
if(WiFi_SendCmd("AT+CIPMUX=0",50)){
return 1;
}
return 0;
}
- 初始化USART
void USART1_Init(unsigned int baud)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
//设置PA9/PA10作为TX/RX端口
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_1);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
USART_InitStructure.USART_BaudRate = baud;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority = 0x02;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}
- 初始化GPIO，控制继电器
void RelayIO_Init()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
//默认低电平，高电平闭合
RESET_BUTTON(0);
}
- 轮询服务器
//根据实际情况配置
#define ACCESS_KEY "Basic aW90MTpwYXNzd2Qx" //base64(iot1:passwd1)
#define SSID "****"
#define PASSWORD "****"
#define SERVER_IP ""
#define SERVER_PORT 0
//构造HTTP请求开关数据
void WiFi_MiniSW_Status()
{
char temp[128];
memset(TXbuff,0,sizeof(TXbuff));
memset(temp,0,sizeof(temp));
sprintf(TXbuff,"GET /minisw/ HTTP/1.1\r\n");
sprintf(temp,"Authorization:%s\r\n",ACCESS_KEY);
strcat(TXbuff,temp);
strcat(TXbuff,"Host:www.aaabbbccc.com:30000\r\n\r\n");
}
//连接服务器
if (!WiFi_Connect_Server(50)) {
//连接成功，Http请求数据
WiFi_RxCounter = 0;
memset(WiFi_RxBuff,0,WiFi_RxBuff_Size);
Conn_Status = 1;
WiFi_MiniSW_Status();
WiFi_Input(TXbuff);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
} else {
//失败重置
TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);
TIM_Cmd(TIM14, DISABLE);
Conn_Status = 0;
Reset_Status = 1;
Poll_Status = 0;
}
- 解析返回数据，控制继电器闭合
//时间戳改变，说明控制命令有更新
if (memcmp(ts, sw_ts, sizeof(ts))) {
if (sw_ts[0] != '\0') {
presult = strstr(json,"\"act\": ");
if(presult!=NULL){
if(*(presult+7) == '1') {
//闭合1s，实现关机或开机
PRESS_BUTTON();
Delay_Ms(1000);
RELEASE_BUTTON();
} else {
//闭合5s，实现强制关机(重复5次，这样写是防止用5000导致溢出结果不准确)
PRESS_BUTTON();
Delay_Ms(1000);
Delay_Ms(1000);
Delay_Ms(1000);
Delay_Ms(1000);
Delay_Ms(1000);
RELEASE_BUTTON();
}
}
}
}
服务端
服务端使用Python 3.7开发，个人比较喜欢小巧的webpy框架。
环境准备
- 安装virtualenv：pip install virtualenv
- 创建：virtualenv –no-site-packages minisw_web
- 激活：call minisw_xxx/Scripts/activate.bat (Windows) source minisw_web/bin/activate (Linux)
- 安装webpy：pip install web.py
- 程序运行：python minisw_web.py [监听端口]
交互接口
- 登录接口：HTTP Basic认证，只需验证密码正确与否。
- 查询接口：读取数据，返回当前状态
- 更新接口：写入数据，返回操作结果
代码实现
需求简单无需考虑性能和并发，因此省了很多东西，干脆连数据库都不用了，直接上一个pickle序列化作为存储即可，协议字段如下：
{
'pc':1, //机器id(保留)
'act':1, //0：强制关机 1：开机/关机
'ts':15212121 //时间戳
}
下面是完整代码实现：
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import web
import re
import base64
import json
import pickle
import time
URLS = (
'/minisw/?', 'minisw'
)
allowed = (
('iot1','passwd1'),
('iot2','passwd2')
)
web.config.debug = False
DB_FILE = 'minisw.db'
class minisw:
def update(self, args):
try:
f = open(DB_FILE, 'wb')
print(args)
act = int(args.act)
pc = int(args.pc)
ts = str(int(time.time()))
if pc == 1:
kv = {'pc':pc, 'act':act, 'ts':ts}
pickle.dump(kv, f)
return 'succ'
except Exception as e:
print(e)
finally:
if f:
f.close()
return 'err'
def pick(self):
try:
f = open(DB_FILE, 'rb')
kv = pickle.load(f)
print(kv)
act = kv['act']
pc = kv['pc']
ts = kv['ts']
rsp = {'pc':pc, 'act':act, 'ts':ts}
return str(json.dumps(rsp))
except Exception as e:
print(e)
finally:
if f:
f.close()
return 'err'
def accept(self, args):
print(args)
if len(args.keys()) == 0:
return self.pick()
return self.update(args)
def GET(self):
auth = web.ctx.env.get('HTTP_AUTHORIZATION')
authreq = False
if auth is None:
authreq = True
else:
auth = re.sub('^Basic ','',auth)
username,password = str(base64.b64decode(auth), 'utf-8').split(':')
if (username,password) in allowed:
return self.accept(web.input())
else:
authreq = True
if authreq:
web.header('WWW-Authenticate','Basic realm="Auth example"')
web.ctx.status = '401 Unauthorized'
return
def POST(self):
return '0'
def main():
app = web.application(URLS, globals())
app.run()
if __name__ == '__main__':
main()
手机端
同样为了简化，没考虑跨平台，直接用Java写了个Android程序，总共两个Activity，一个登录，一个控制台，截图如下：
接下来说下开发过程：
环境搭建
- 从官网下载Android Studio最新版，例如 3.5.3 （截止2020年1月）。
- 准备梯子，设置好代理(File–Settings–Http Proxy)。
- 下载安装SDK，推荐安装4.4到10.0，一劳永逸。
代码实现
- 使用OkHttp3访问服务端接口，实现对应的功能，Android 9使用HTTP需要配置network_security_config.xml。
- 代码也比较简单，主要是一些按钮对应功能的实现。
部分代码片段
public class GlobalData {
//服务端地址
public static String authUrl = "http://www.aaabbbccc.com:30000/minisw/";
public static OkHttpClient buildBasicAuthClient(final String name, final String password) {
return new OkHttpClient.Builder().authenticator(new Authenticator() {
private int responseCount(Response response) {
int result = 0;
while ((response = response.priorResponse()) != null) {
result++;
}
return result;
}
@Override
public Request authenticate(Route route, Response response) throws IOException {
if (responseCount(response) >= 1) {
System.out.println("认证失败，返回null");
return null;
}
String credential = Credentials.basic(name, password);
return response.request().newBuilder().header("Authorization", credential).build();
}
}).connectTimeout(2, TimeUnit.SECONDS).readTimeout(2, TimeUnit.SECONDS).build();
}
public static class AuthRequest implements Callable<String>{
private String username;
private String password;
private String url;
public AuthRequest(String user, String passwd, String url) {
this.username = user;
this.password = passwd;
this.url = url;
}
public String call() throws Exception {
OkHttpClient client = GlobalData.buildBasicAuthClient(username, password);
Request request = new Request.Builder()
.url(url)
.build();
Response response = client.newCall(request).execute();
if (!response.isSuccessful()) throw new IOException("Unexpected code " + response);
return response.body().string();
}
};
public static String AuthGet(String url, String username, String password) {
try {
FutureTask<String> ftask = new FutureTask<String>(new GlobalData.AuthRequest(username, password, url));
Thread t = new Thread(ftask);
t.start();
t.join();
String res = ftask.get();
return res;
} catch (Exception e) {
return "err";
}
}
}