基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節點設計

郭 穎

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221018）

0 引 言

智慧大棚多處于鄉村偏遠地區，很難實現網絡覆蓋，且智慧大棚呈現散發多點的分布形式，也使其網絡建設成為難點，如何利用單點互聯網實現農業大棚溫度檢測成為智慧大棚急需解決的問題。同時隨著智慧大棚的遷移，網絡的遷移也是建設智慧大棚另一個需要解決的問題?；诖?，智慧大棚在設計上都應考慮實現可移動、功耗低、覆蓋范圍廣的系統。利用低功耗CC2530搭建無線傳感網，其體積小、方便移動的特點恰好可以滿足智慧大棚的需要，通過網關、PC端和移動終端建立聯系，實現對大棚內溫度的遠程監測。論文設計的基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節點具有低功耗、體積小、可移動等特點，同時搭建的無線傳感網具有快速展開、穩定可靠、可維護性好等優點，可以很好的解決智慧大棚中溫度檢測組網等問題[1-3]。

1 無線傳感器網絡節點的總體設計

1.1 系統硬件設計

1.1.1 網絡總體結構

如圖1所示，系統無線傳感網實現原理是通過各溫度設備節點采集數據，將數據匯集到協調器節點，由協調器節點將接收的數據進行處理后，通過互聯網上傳至PC端或移動終端，用戶利用PC端或移動終端對智慧大棚實現遠程溫度監測，其中協調器節點和各設備溫度節點通過星型結構連接，此結構控制簡單、故障診斷容易，同時未來增加新的節點時也較為方便，很適合智慧大棚擴展數據采集節點使用。整個網絡具有功耗低、控制簡單、故障診斷容易、方便擴展等優點。

圖1 系統總體結構

1.1.2 系統整體結構設計

如圖2所示，系統整體結構包括主控模塊、數據采集模塊、無線通信模塊、WiFi模塊和電源模塊，其中，主控模塊包含微控制器、存儲器，微控制器使用STM32F103。數據采集模塊包含傳感器和CC2530，傳感器使用DS18B20采集溫度數據。無線通信模塊以CC2530為主，電源模塊則是為各模塊供電。系統工作原理：DS18B20將采集的溫度數據通過CC2530和主控模塊連接的CC2530進行數據交互，主控模塊連接的CC2530將數據通過端口傳輸至主控模塊，主控模塊處理完數據后，通過WiFi模塊將處理好的數據傳輸至PC端和移動終端[4-7]。

圖2 系統硬件設計

1.1.3 主控模塊

主控模塊以STM32F103為核心，該芯片是32位ARM Cortex-M3微處理器，擁有32位高性能內核，能夠滿足智慧大棚中多組數據的處理要求。STM32F103內嵌的無線射頻模塊以及通用I/O接口可以保證其實現有線和無線數據交互，同時其內部嵌入的A/D轉換器使整個系統無需再增加額外A/D轉換模塊，在縮小硬件面積的同時也降低了硬件的成本。內部嵌入式實時操作系統μCOSⅡ的移植也可以實現其界面化設計，方便用戶控制。同時，其低成本、低功耗、性能佳等特點也使得其成為智慧大棚主控芯片的不二選擇。STM32F103原理如圖3所示。

圖3 STM32F103原理

1.1.4 數據采集模塊

數據采集模塊選用DS18B20芯片，相對其他溫度傳感器，DS18B20的精度更高，能夠保證采集溫度的精準性，其抗干擾性強的特點，能夠保證其采集溫度數據的穩定性。同時，DS18B20接線相對方便、整體體積較小且成本較低，使得其在智慧大棚溫度監測中得到了廣泛應用[8-10]。DS18B20原理如圖4所示。

圖4 DS18B20原理

1.1.5 無線通信模塊

無線通信模塊以CC2530為核心，該芯片具有的高精度和高抗干擾性是選擇它作為主要無線通信模塊的原因之一。同時，CC2530具有的內電路可編程非易失性程序存儲器，使其具備程序處理能力，可以大大提升溫度監測系統的工作效率，分擔主控芯片的壓力[11-13]。CC2530原理如圖5所示。

圖5 CC2530原理

2 軟件設計

2.1 系統總體設計

如圖6所示，系統初始化后，協調器開始建立網絡，同時設備節點鍵入協調器建立的網絡，判斷網絡是否正常，如果不正常則重新由協調器建立網絡；如果正常，協調器開始存儲各節點的網絡地址。同時，判斷是否有溫度數據采集，如果無溫度數據采集，則重新判斷網絡是否正常，如果數據采集正常，協調器開始采集數據、處理數據，并且將數據傳輸至主控芯片STM32F103，STM32F103處理后通過WiFi模塊上傳PC端[14-15]。

圖6 系統軟件總體結構

2.2 傳感器節點的軟件結構

CC2530通過ZigBee協議棧完成組網，組成見表1所列，包括應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層。其中數據鏈路層包含LLC和MAC。輪詢、中斷、任務（操作系統）是ZigBee協議棧處理事件的主要方式。在ZigBee協議棧中，tasksEvents是一個任務是否存在的標志，當需要添加任務時通過調用函數osal_set_event（）在tasksEvents中添加相應掩碼，當任務處理完畢時直接把相應的掩碼清零即可。而任務切換則必須等到前一個任務處理完畢，并且無優先級更高的任務時才被處理。而優先級是由數組tasksArr[]的成員順序決定的[16]。

表1 ZigBee協議棧組成

3 系統測試

見表2所列，在模擬智慧大棚的測試中，使被測試系統的通信信道一致，同時保證數據包的首發容量一致，測試節點均采用電池供電。測試結果表明，無論是室內還是室外，接收靈敏度和通信距離成正比，通信距離低于70 m時，幾乎不會丟包，而傳統的智慧大棚長度基本小于70 m，因此系統可以滿足智慧大棚溫度監測傳輸功能的實現[17]。

表2 系統測試結果

4 結 語

結合智慧大棚的使用場景，設計了基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節點的軟硬件部分，系統以STM32F103為核心，包括主控模塊、數據采集模塊、無線傳感器模塊以及電源模塊。其實現原理是通過DS18B20采集數據，利用CC2530搭設的無線傳感網絡將數據傳輸至STM32F103進行處理，同時將數據傳送至PC端或者移動終端設備，方便用戶實現遠程控制。實驗結果表明，該系統在處理功耗、通信質量方面均優于傳統系統。