基于STM32溫度及光敏無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)

王志強(qiáng)

（湖北科技學(xué)院，湖北咸寧，437000）

0 引言

對(duì)物理世界的不斷探索導(dǎo)致獲取信息的方式和方法越來(lái)越多樣化，信息的來(lái)源、類型和數(shù)量也越來(lái)越龐大。傳感器可以將物理世界中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。通過(guò)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)代傳感器不僅可以感知能夠探測(cè)周圍世界的組件，還集成了微處理器和無(wú)線通信模塊，能夠在傳感器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信，能夠?qū)η岸藱z測(cè)到的信息進(jìn)行全面的分析、處理和傳輸。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)模塊組成

微處理器模塊選擇了arm架構(gòu)cortex-m3核心系列cpu,最高頻率范圍為72mHz,集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc),購(gòu)買頻率高,轉(zhuǎn)換期短。同時(shí)也保證了變換結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)所有外圍區(qū)域運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)消耗應(yīng)減少至18ma至2Ma備用模式。

儀器模塊采用DS18B20一次性數(shù)字溫度計(jì)，可在大范圍的環(huán)境溫度變化和數(shù)據(jù)采集精度下工作，滿足大多數(shù)工作環(huán)境和需求。該設(shè)備的另一個(gè)特點(diǎn)是不需要外圍電源，能耗非常低，這可能延長(zhǎng)傳感器陣列的壽命。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男酒莕rf24l01,內(nèi)置2.4gHz的天線,體積小,成本低。它引進(jìn)了一種增強(qiáng)型沖擊放電模塊tm控制的技術(shù),以優(yōu)化該模塊的傳輸方式并大大降低了系統(tǒng)成本。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)分析

Altium designer電路設(shè)計(jì)軟件用于繪制電路圖和PCB。所有組件引腳均以標(biāo)簽形式連接。U1芯片吸收具有良好線性輸出的mp2359（單片集成dep下變頻器），以避免功率輸出波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)操作電路的影響，并使用保護(hù)電路的作用，此外，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗和壽命，以及環(huán)境溫度、濕度和光強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生劇烈變化，傳感器采集和傳輸頻率將結(jié)合程序的實(shí)際設(shè)備范圍進(jìn)行控制，為了減少系統(tǒng)在軟件和硬件方面的開支。

1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

互聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)主要由智能化感知層、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞層以及綜合性應(yīng)用層四個(gè)部分組成。它的三個(gè)主要關(guān)鍵的技術(shù)范疇是智能觀察、網(wǎng)絡(luò)通信和大數(shù)據(jù)分析,傳感器節(jié)點(diǎn)從洗臉盆中收集大量的數(shù)據(jù)并發(fā)送到洗臉盆節(jié)點(diǎn)。而且這些數(shù)據(jù)的量都是巨大的,而且它們中的很多東西都是重復(fù)性的。因此,洗臉盆的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘和信息化融合等技術(shù),篩選代表性數(shù)據(jù)，完成傳輸，最終對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

整體框架是建立在基于嵌入式的平臺(tái)上。特別是,數(shù)據(jù)采集模塊補(bǔ)充了模擬信號(hào)的采集,通過(guò)串行門對(duì)輸入的主體進(jìn)行確定和處理,然后再通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給下匯聚節(jié)點(diǎn),然后繼續(xù)分析和處理數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的主體為strm32f103c8，最大頻率為72MHz。它可以快速完成提指、解碼和執(zhí)行過(guò)程，在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行編程代碼，并在內(nèi)部集成一個(gè)12位高分辨率ADC模塊，該模塊可以快速準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入。它不僅可以快速補(bǔ)充指令和數(shù)據(jù)的傳輸和執(zhí)行，還可以優(yōu)化電源管理并將系統(tǒng)降低到512KB以上。內(nèi)部集成了 512kb 閃存和 64kb sram ,能夠以cpu的高速時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行處理和傳輸大量的數(shù)據(jù)。處理后所有環(huán)境中的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線模塊根據(jù)設(shè)置的發(fā)送頻率向匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送。

2 DS18B20可編程分辨率單總線數(shù)字溫度計(jì)

ds18b20 數(shù)字溫度計(jì)是一種用于應(yīng)用9-12位的數(shù)字溫度傳感器。數(shù)據(jù)輸出/輸入經(jīng)由單一總線向微控制器連接。讀取、寫入和改變數(shù)據(jù)溫度所需的能量來(lái)自超低容量、超低設(shè)備、強(qiáng)抗干擾能力和高精度的數(shù)據(jù)線。它可用于環(huán)境控制、建筑物中的溫度繪圖、溫度檢測(cè)設(shè)備或機(jī)械設(shè)備以及過(guò)程監(jiān)控。

DS180B20主要特征:

(1)用于通信的單總線接口只需一個(gè)端口引腳;

(2)電源供電范圍3.0V～5.5V,電源也可來(lái)自數(shù)據(jù)線

(3)檢測(cè)溫度范圍-55℃～+125℃，其中-10℃～+85℃時(shí)的精確度為+0.5℃;

(4)可編程實(shí)現(xiàn)9～12位的分辨率;

(5)全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換傳輸。

2.1 測(cè)量溫度操作

DS18B20的主要功能是將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳感器。注冊(cè)：當(dāng)主機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換程序（44h）時(shí)，DS18B20執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換功能，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在具有2符號(hào)擴(kuò)展位的16位快速臨時(shí)存儲(chǔ)器中。溫度記錄器應(yīng)包括指示溫度為正或負(fù)的重要部分。

2.2 初始化操作一復(fù)位與存在脈沖

所有DS18B20通信都在一條總線上進(jìn)行，并啟動(dòng)一個(gè)序列。初始序列包含主設(shè)備發(fā)送的零脈沖和從設(shè)備發(fā)送的DS18B20存在脈沖。從設(shè)備發(fā)送的脈沖是對(duì)重置脈沖的響應(yīng)，重置脈沖讓總機(jī)知道，線上的從機(jī)已準(zhǔn)備就緒。

在啟動(dòng)循環(huán)期間，主機(jī)經(jīng)由下拉總線向控制器發(fā)送零脈沖。然后,主機(jī)自動(dòng)釋放一條總線,然后就進(jìn)入了接收模型。但是當(dāng)一條總線被解除或者釋放后,4.7kq的上拉電阻再次會(huì)將整個(gè)總線引出。例如,當(dāng)ds18b20檢測(cè)到上升沿,其中等待15μs～60μs發(fā)射存在一條脈沖,它可以通過(guò)把總線拉低并保持60μs～240μs 。

2.3 讀寫時(shí)間片

DS18B20數(shù)據(jù)讀寫操作是通過(guò)使用時(shí)間片控制位和命令字來(lái)指定操作方式。

(1)寫時(shí)間片

當(dāng)主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高級(jí)別向下拉時(shí)，它將啟動(dòng)寫入時(shí)間片。寫入時(shí)間片有兩種類型：寫入“1”和寫入“0”。兩個(gè)寫入周期之間的最短時(shí)間是1μS恢復(fù)周期，接收方收回寫入周期的兩部分。

為了產(chǎn)生時(shí)間延遲，邏輯1，主機(jī)在幾秒鐘內(nèi)將線路從15分鐘空閑總線上拉下來(lái)。一旦總線被釋放，重力4.7kq將線路拉高。為了創(chuàng)建邏輯0時(shí)間窗口，主機(jī)將總線拉下來(lái)并保持至少60秒的窗口。12290在DQ線路被拉下來(lái)之后，DS18B20窗口的時(shí)間為15mos～60mos。如果采樣期間總線電壓過(guò)高，則DS18B20標(biāo)記為“1”；如果采樣期間總線電壓過(guò)低，則DS18B20標(biāo)記為“0”。

(2)讀時(shí)間片

當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)時(shí)隙時(shí)，DS18B20只能向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。一旦主機(jī)發(fā)送了注冊(cè)表的beh，主機(jī)必須立即生成無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)隙。這兩個(gè)讀數(shù)的最小恢復(fù)時(shí)間必須為1mus。主機(jī)通過(guò)拉低總線最少1μs后釋放總線來(lái)進(jìn)行時(shí)間片的初始化。一旦主機(jī)啟動(dòng)了讀取延時(shí)，DS18B20將開始發(fā)送“1”或“0”總線。然后，該線縮回至高水平空轉(zhuǎn)模式，由電阻繪制。在顯示啟動(dòng)的翻轉(zhuǎn)邊緣后，讀取時(shí)間狹縫等。DS18B20生成有效數(shù)據(jù)。

2.4 2.4GHz單片高速無(wú)線收發(fā)芯片

NRF24L01是一款單片2.4GHZ發(fā)射機(jī)，內(nèi)置基本帶寬協(xié)議機(jī)制（增強(qiáng)blast），適用于超低功率無(wú)線設(shè)備、增強(qiáng)型沖擊模式TM調(diào)節(jié)器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制1解調(diào)器和通道選擇。

模塊主要性能介紹:(1)NRF24L01適用于2.4GHz頻段，開放全球ISM頻段，免費(fèi)使用許可證；(2)最高工作速度為2Mbps，GFSK調(diào)制有效，抗干擾能力強(qiáng)；(3)用于CRC錯(cuò)誤檢測(cè)、多點(diǎn)通信地址控制、自動(dòng)響應(yīng)和設(shè)備自動(dòng)重新調(diào)度；(4)工作電壓范圍1.9-3.6v，備用電流22uA；電源切斷模式低至900na，內(nèi)置2.4GHz天線，體積小：15mmx29mm。

nRF24L01的引腳及其功能描述:CSN:芯片選擇線，CSN為低電平，芯片被選擇；SCK:芯片控制的手表線（SPI時(shí)鐘）；MISO:芯片主輸入從輸出；MOSI:主輸出從饋芯片；

如何正確識(shí)別和衡量民族傳統(tǒng)村落發(fā)展進(jìn)程中村民的文化適應(yīng)狀態(tài)，對(duì)管理者、規(guī)劃者、經(jīng)營(yíng)者來(lái)講都很重要。如果居民一方面能保持并增強(qiáng)其文化自信與民族認(rèn)同，另一方面能積極接觸并學(xué)習(xí)漢族文化，以更開放和包容的心態(tài)對(duì)待文化變遷，那么在文化沖突中就能保持良好的心態(tài)，有尊嚴(yán)有自信地成為文化傳承者。

IRQ:中斷信號(hào)。通過(guò)IRQ中斷與nRF24L01的通信；CE:Chip Mode Control Line.CE與nRF24L01配置注冊(cè)表合作確定工作空間nRF24L01。

表1 nRF24L01的主要工作模式。

發(fā)送模式 1 0 1→待機(jī)模式Ⅱ 1 0 1待機(jī)模式Ⅰ 1 - 0掉電模式 0 - -

2.5 EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式概述

在發(fā)送數(shù)據(jù)包的過(guò)程中，impact burst TM會(huì)自動(dòng)組裝發(fā)送的數(shù)據(jù)包并定義手表；在接收時(shí)，放電TM持續(xù)搜索待解碼信號(hào)中的正確地址。如果包是有效載荷，它被發(fā)送到rxfifo一個(gè)開放的時(shí)間段。包處理和定時(shí)機(jī)制的所有位都由沖擊脈沖TM引導(dǎo)。

Enhanced Shock Burst TM模式有如下的特征:

(1)在響應(yīng)模式下，快速空氣傳輸和啟動(dòng)時(shí)間顯著降低了電流消耗；

(2)高速射頻識(shí)別允許非常短的機(jī)載傳輸時(shí)間，這大大減少了無(wú)線傳輸中的沖擊現(xiàn)象；

(3)價(jià)格低廉。NRF24L01集成了所有高速鏈路層功能。SPI接口可在單片微機(jī)上使用通用I0端口進(jìn)行模擬。

①掉電模式

②待機(jī)模式

待機(jī)模式I將平均電流降至最低，并保持快速啟動(dòng)時(shí)間。在此模式下，只有一些晶體振蕩器處于活動(dòng)狀態(tài)。在待機(jī)模式Ⅱ下，額外的時(shí)鐘緩沖器處于工作模式。如果將新緩存加載到txfifo注冊(cè)表中，PLL將在設(shè)置130us延遲后立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.6 應(yīng)用于Enhanced Shock Burst TM模式下數(shù)據(jù)包識(shí)別和CRC校驗(yàn)

每個(gè)數(shù)據(jù)分別包含兩位pid(信件包裹標(biāo)識(shí)符),用于判斷接收到的信息是否為新包或者重新發(fā)送。一旦接收到發(fā)送方通過(guò)mcu接收到一個(gè)新的數(shù)據(jù)包,pid就會(huì)上升一點(diǎn)。crc驗(yàn)證器就是對(duì)于數(shù)據(jù)包中強(qiáng)制性錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)的機(jī)制。它包含一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)，用于計(jì)算是否涉及重新傳輸。此時(shí)，nRF24L01比較兩個(gè)包的CRC值。如果CRC值相同，則后一個(gè)包被視為前一個(gè)包的新信息，并被舍棄。

3 實(shí)驗(yàn)具體操作

3.1 DS18B20硬件連接與驅(qū)動(dòng)程序分析

DS18B20和stm32f103c8之間使用四個(gè)孔，可以連接到三腳溫度計(jì)，如DS18B20或DHT11四針傳感器。其中主機(jī)的pa6引腳與ds18b20的數(shù)據(jù)線端口直接相連,同時(shí)dq端也是連接著一個(gè)4.7kq的.上拉電阻,此外vcc與gnd端同時(shí)分別接入了一只0.1μf的去耦電容,起到一個(gè)電池的作用,滿足了驅(qū)動(dòng)電路電流的改變,避免了相互間的耦合和干擾。下面是與硬件電路相匹配的主要驅(qū)動(dòng)程序:

3.2 數(shù)據(jù)融合算法分析

算法設(shè)計(jì)：1）數(shù)據(jù)字段生成；2）感知節(jié)點(diǎn)編址與尋址；3）匯聚各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào);本文中所提出的傳感器等級(jí)嵌入式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)箱概念是為了在不支持嵌入式的操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下便捷地進(jìn)行信息管理。該算法通過(guò)計(jì)算所有相鄰節(jié)點(diǎn)和需要定位的中心相鄰節(jié)點(diǎn)和所有相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離,并傳輸距離數(shù)據(jù)和臨時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中心用于確定節(jié)點(diǎn)的中心位置。

3.3 對(duì)nRF24L01固件編程的基本思路如下

(1)Enhanced Shock Burst TM發(fā)射有效載荷:

A.配置prim_RX位較小，CSN位保持較低；

B.當(dāng)MCU有信息要發(fā)送時(shí)，通過(guò)SPI解除控制將接收節(jié)點(diǎn)（TX-u Addr）和有效負(fù)載數(shù)據(jù)（TXuPLD監(jiān)視地址（時(shí)間地址）配置為nRF24L01；

C.為傳輸模式配置配置寄存器。微控制器設(shè)置CE高度（至少10us）并啟動(dòng)nRF24L01以增強(qiáng)Shock Burst TM數(shù)據(jù)傳輸。

D.接通無(wú)線電源,啟動(dòng)16mhz內(nèi)部的時(shí)鐘,填寫射頻數(shù)據(jù)包,高速送出數(shù)據(jù)包(由mcu配置)。

(2)Enhanced Shock Burst TM接收模式:

A.設(shè)置發(fā)送的包的本地地址和大小；

B.主uRX位為高位，CE設(shè)置為高位以達(dá)到輸入模式；

C.130s后，nRF24L01進(jìn)入監(jiān)控室，等待數(shù)據(jù)包到達(dá)；

D.當(dāng)微控制器收到有效的數(shù)據(jù)包(與地址相對(duì)應(yīng)和 crc驗(yàn)證正確)時(shí),有效負(fù)載自動(dòng)將其存儲(chǔ)在rx_fifo中,rx_dr為置高,并且發(fā)生中斷,通知微控制器已經(jīng)接收到了數(shù)據(jù)包;

E.MCU可以通過(guò)SPI接口將時(shí)鐘輸出設(shè)置為負(fù)載電平；

F.MCU將CE引腳設(shè)置為低電平，并切換至待機(jī)模式I（低功率模式）。

3.4 環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸與系統(tǒng)響應(yīng)

匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)STM32柔性靜態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的顯示。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線模塊的傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)給匯聚模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)其服務(wù)接收并調(diào)用主程序u中的庫(kù)函數(shù)LCD_Show num（）顯示當(dāng)前環(huán)境信息。

傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)后，首先發(fā)送兩組數(shù)據(jù)：oxff.0xff，然后發(fā)送關(guān)于溫度和光強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。池節(jié)點(diǎn)將首先確定前兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是否接收到數(shù)據(jù)oxff.Ooxff，如果沒(méi)有，它將被丟棄。如果是，則將所得到的光線發(fā)射溫度和強(qiáng)度比較于規(guī)定閾值。當(dāng)兩個(gè)值都處于限制范圍內(nèi)時(shí),溫度及亮度的數(shù)據(jù)就會(huì)正常地顯示, led綠燈就會(huì)變亮。如果在本次采集到的數(shù)據(jù)中,只有一個(gè)或兩個(gè)超出了設(shè)定值,則支節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的蜂鳴器同時(shí)響起,紅色燈閃爍,綠燈自動(dòng)熄滅。

無(wú)線傳感器陣列都有自己的供電裝置,目前無(wú)線傳感器陣列節(jié)點(diǎn)的正常工作周期及其生存時(shí)間是它們服務(wù)的主要性能指標(biāo)。電源模塊是整個(gè)傳感器系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位的。鑒于上述的情況,并且充分考慮到環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的差異,在短期內(nèi)保證傳感器的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化,在本文的設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)各個(gè)傳感器的環(huán)境溫度和數(shù)據(jù)采集的頻率及信號(hào)發(fā)送的頻率做出適當(dāng)?shù)目刂?降低了節(jié)點(diǎn)正常工作的能耗,延長(zhǎng)了它的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)信息和通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到更廣闊的物理世界，特別是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在特定環(huán)境中運(yùn)行和執(zhí)行特定任務(wù)。基于互聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)新技術(shù)，基于信息的采集和處理。本文件中描述的系統(tǒng)設(shè)備的架構(gòu)框圖和設(shè)計(jì)電路充分反映了項(xiàng)目的實(shí)際情況和任務(wù)的特殊性，采集環(huán)境溫度和光強(qiáng)的實(shí)時(shí)信息，并將其發(fā)送到匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)時(shí)性好，滿足現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)的要求。