基于STM32無線數據采集單元的設計

胡慧

（天津鐵道職業技術學院 鐵道動力系，天津 300240）

基于STM32無線數據采集單元的設計

胡慧

（天津鐵道職業技術學院 鐵道動力系，天津 300240）

針對監測控制系統中對前端參數采集部分的設計需求，設計了基于STM32F030（采用ARM Cortex-M0內核）處理器的多參數采集單元，采集單元可完成溫濕度、氣壓等參數數據的采集和存儲并通過無線模塊NRF24L01實現數據的無線收發；單元配有按鍵及液晶顯示器，便于查看當前參數數據。通過選取性價比高的數字傳感器簡化了電路結構并降低硬件成本，通過合理的軟件程序設計進一步降低系統的功耗。經測試單元工作穩定，可實現參數的采集傳輸等功能。同時，采集單元方便移植，可應用于環境監測，工業數據檢測，智能溫室等監控系統中。

STM32處理器；數據采集；無線通信；低功耗

在現代監測控制系統中，獲取前端參數數據至關重要，可以說參數采集是實現控制的基礎。在工業自動化控制、農業生產自動化、環境質量監測、智能醫療監護等眾多領域都離不開數據的采集和處理。本文設計了采用以32位處理器為核心的無線數據采集單元。選用ST公司的STM32F030處理器作為控制核心，單元集參數采集、數據存儲與顯示、無線轉發為一體，采用電池供電且具有低電壓告警功能。

1 單元硬件電路設計

數據采集單元的電路設計在滿足基本功能的基礎上按照低成本、低功耗的設計原則。在實際采集系統中，前端采集單元數量眾多，硬件設計應盡量降低成本；另外，單元采用電池供電，為避免頻繁更換電池，單元電路功耗設計要盡量低，以延長電池的使用時間。單元整體結構框圖如圖1所示。

圖1 單元框圖

1.1 處理器

單元選用ST（意法半導體）公司的STM32F030C8T6控制器作為處理器，STM32F030系列是意法半導體推出的超值系列32位微控制器，該系列芯片基于超低功耗的ARM Cortex-M0處理器內核，其價格與8位微控制器相當，有豐富的外設數量和種類，內核頻率高達48 MHz[1]。

STM32F030內置高速12位ADC、先進且靈活的定時器（支持ADC同步、死時管理和電機控制PWM時序功能）、溫度傳感器、日歷RTC和通信接口（如 I2C、USART、SPI等）[2]。因此，選用該處理器可以減少外圍元件的數目、提高電路性能、降低系統的成本。

設計中為了降低微處理器的功耗，可采用32.768 kHz的晶體振蕩器作為時鐘，另外，STM32F030有3種低功耗模式，在完成數據采集任務后，處理器進入低功耗模式[6]。

1.2 傳感器

傳感器部分實現空氣溫濕度及大氣壓的數據檢測，在具體應用中可以更換傳感器類型實現不同參數采集。

溫濕度傳感器：選用數字溫濕度傳感器DHT11，DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。工作電壓3.3～5.5V，量程濕度20～90%RH，溫度0～50℃；濕度精度+-5%RH，溫度+-2℃。DHT11與處理器之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4 ms左右，數據分小數部分和整數部分。操作流程如下：一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。數據格式：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和數據，傳送正確時校驗和數據等于 “8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據”所得結果的末8位[3]。

氣壓傳感器：采用數字氣壓傳感器BMP085，BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，絕對精度可達到0.03 hPa，工作電壓為1.8～3.6 V，且耗電極低，只有3 μA；BMP085內部由壓阻傳感器、AD轉換器、和EEPROM與I2C接口控制單元組成。它采用標準的I2C接口，可以方便的與主設備（單片機）連接通信，其測壓范圍在300～1 100 hPa。本單元硬件設計中處理器使用硬件I2C接口與傳感器進行通信。

在讀取BMP085時會直接傳送沒有經過補償的溫度值和壓力值。而在EEPROM中則儲存了176位單獨的校準數據，這些數據將對讀取的溫度壓力值進行補償[4]。176位的EEPROM被劃分為11個字，每個字16位，這樣就包含有11個校準系數。每個器件模塊都有自己單獨的校準系數，在第一次計算溫度壓力數據之前，單片機就應該先讀出EEPROM中的這些校準數據，然后再開始采集數據溫度和壓力數據。BMP085的器件地址：0xEE讀地址，0xEF寫地址，控制寄存器地址0xF4，圖2為不同模式下控制寄存器的命令字及最大的轉換時間。

圖2 BMP085的模式控制命令字和轉換時間

1.3 無線通信

采用低功耗、小體積的 NRF24L01無線收發模塊，NRF24L01的工作頻段為2.4～2.5 GHz，該頻段無需授權許可。芯片內置了多個功能模塊，如功放模塊、晶振、頻率合成器等；可通過程序對模塊的工作頻道和輸出功率進行配置。

NRF24L01的引腳排列及應用電路如圖3所示。各引腳功能如下：CE：使能發射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01；IRQ：中斷標志位；VDD，VSS：電源；XC2，XC1：晶體振蕩器引腳；VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V；ANT1，ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入。模塊工作電壓為1.9～3.6 V，本設計中采用3.3 V為其供電，調制方式為GFSK，高達10 Mbps的SPI接口速率可與控制器進行快速的數據通信，最高2 Mbps數據傳輸速率滿足設計中無線通信的需求。模塊在以-6 dBm的功率發射時，工作電流僅為9mA；接收時工作電流為12.3 mA，可通過配置命令設置模塊工作于掉電或空閑等模式，以降低系統的功耗。

圖3 NRF24L01的引腳排列及應用電路

1.4 存儲單元

數據的存儲選用AT24C512，為Atmel公司生產的64 kB串行電可擦的可編程存儲器（EEPROM）。AT24C512內部共有512頁，每一頁有128個字節，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000H～0FFFFH。它采用8引腳封裝，圖4為芯片引腳圖及應用電路，芯片結構緊湊、存儲容量大等特點，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統[5]，因此在測控系統中被大量采用。

圖4 AT24C512芯片引腳圖及應用電路

其中SDA和SCL引腳是數據交換線，用做CPU與AT24C512之間的數據交換和命令寫入。WP為寫保護口，WP為高時寫禁止，WP為低時寫允許。A1、A0是器件地址選擇引腳，因此在同一總線上允許同時掛接4個同類器件。在讀/寫器件時要注意器件的地址，如下所示，其中高5位10100為器件類型標志符，最低位為讀寫位，R/W位高時為讀器件，低時為寫器件。

存儲器的前3個存儲字節預留，用于存放當前單元的ID號，其余存儲空間用于存放采集的參數數據。

1.5 鍵盤與液晶顯示

因采集單元所需按鍵較少，所以鍵盤部分采用獨立式按鍵設計，實現存儲數據的查詢功能；液晶顯示使用NOKIA5110單色點陣液晶模塊，模塊為84*48的點陣LCD，可顯示4行漢字，工作電壓3.3 V，采用串行接口與處理器通信，支持多種串行通信協議，通信速率可高達4 Mbps；接口電路見圖5所示。數據采集單元的部分電路如圖5所示。

圖5 采集單元電路原理圖

1.6 電源模塊

單元采用3.7 V鋰電池作為電源，經過TPS62291DC-DC電源轉換模塊，將電壓降至3.3 V為整個單元供電。TPS62291是TI的一款寬電壓輸入，固定電壓輸出的高效率降壓轉換芯片，轉換效率在95%左右，最高輸出電流為1000 mA。芯片的典型應用電路如圖5所示。

處理器內置ADC對電池電壓進行實時監測，當電池電壓過低時，發送報警信號，以便及時更換電池。

2 軟件設計

采集單元能量受限，處理器大部分時間處于睡眠模式，定時喚醒對參數進行采集、存儲并轉發，為了降低處理器的功耗，對于閑置的IO端口設置成IPU/IPD模式。

軟件整體設計流程：上電后處理器進行初始化自檢，執行數據采集程序并進行顯示，無按鍵操作，關閉顯示并對外圍電路進行設置，然后進入睡眠模式；若有按鍵操作或者是定時時間到可喚醒處理器去執行相關程序；如：讀取鍵值，調用顯示程序，使能內部ADC，配置無線模塊，執行數據采集程序，進行數據處理和存儲，轉發數據等；在完成當前任務結束后，關閉內部ADC，配置IO，設置無線模塊進入偵聽模式，再次進入低功耗模式。

若沒有按鍵操作，液晶顯示處于關閉狀態以降低單元功耗，若有按鍵操作，液晶顯示打開并顯示最近一次采集的參數值和當前電池電壓情況。通過上下按鍵可查看參數得歷史數據，若長時間沒有按鍵操作，顯示器再次關閉。圖6和圖7為采集單元主程序流程圖和中斷子程序流程圖。

圖6 主程序流程圖

3 結束語

本采集單元可對參數進行實時監測、存儲和無線轉發，單元配有獨立按鍵和液晶顯示器，方便隨時查看當前各參數值；存儲器中存放著本單元的ID號，用于區分不同的采集單元；處理器對外圍電路進行合理配置后進入睡眠模式有效降低了系統的功耗。采集單元按設定時間間隔進行數據采集，自動完成數據的存儲和轉發。電池電量過低時，報警數據會通過無線模塊發送給上位機，以便及時更換電池。對于整個采集系統，上位機可以通過無線模塊發送指令，對數據采集單元進行控制。

圖7 中斷子程序流程圖

采集單元有較強的可移植性，實際中可根據需求更換傳感器類型，應用于工業數據監測，環境監測，智能溫室等其他監控系統中。

[1]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2]喻金錢，喻斌，袁芳.STM32F0系列ARM Cortex-M0核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2015.

[3]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（6）：60-62.

[4]梁勝展，郭雪梅，余曉填.基于BMP085氣壓傳感器及BP算法的高度測量研究與實現[J].傳感技術學報，2013，26（5）：654-659.

[5]郝雯，沈金鑫，梅成.基于STM32單片機的存儲式數據采集系統設計[J].電子設計工程，2013，21（17）：80-82.

[6]李晶，李東澤，石堅.基于STM32F103的時間壓力采集系統[J].自動化與儀表，2013（12）：42-45.

The designing of wireless data acquisition unit based on STM32

HU Hui
（Railway Power Department，Tianjin Railway Technical and Vocational College，Tianjin 300240，China）

In monitoring and control systems，for the front-end parameter acquisition part design requirements，design a kind of multi-parameter acquisition unit which is based on STM32F030（using the ARM Cortex-M0 inner core），the unit can gather and store the temperature，humidity and atmospheric pressure data，it can realize the wireless transmission depending on NRF24L01.The unit include keys and LCD，which is easy to view the current parameter data.By choosing cost-effective digital sensors simplifies the circuit structure and reduce the hardware cost，and through rational software program design to further reduce the power consumption of the system.After testing the unit can work stably，and achieve the designing functions.The unit also has the advantage of be apt to transplant，it can be used in many fields，such as environment monitoring，industry data detection and intelligent control system.

STM32 processor；data acquisition；wireless communication；low power consumption

TP368.1

A

1674－6236（2016）18-0097-04

2015-08-13 稿件編號：201508067

胡 慧（1981—），女，河北邢臺人，碩士，講師。研究方向：嵌入式系統應用。