基于STM32温度及光敏无线传感器设计

王志强

（湖北科技学院，湖北咸宁，437000）

0 引言

对物理世界的不断探索导致获取信息的方式和方法越来越多样化，信息的来源、类型和数量也越来越庞大。传感器可以将物理世界中的模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号。通过发展物联网，现代传感器不仅可以感知能够探测周围世界的组件，还集成了微处理器和无线通信模块，能够在传感器节点之间进行数据交换和通信，能够对前端检测到的信息进行全面的分析、处理和传输。

1 系统总体方案设计

1.1 系统模块组成

微处理器模块选择了arm架构cortex-m3核心系列cpu,最高频率范围为72mHz,集成了12位模数转换器(adc),购买频率高,转换期短。同时也保证了变换结果的准确性。当所有外围区域运行时，系统消耗应减少至18ma至2Ma备用模式。

仪器模块采用DS18B20一次性数字温度计，可在大范围的环境温度变化和数据采集精度下工作，满足大多数工作环境和需求。该设备的另一个特点是不需要外围电源，能耗非常低，这可能延长传感器阵列的寿命。

无线数据传输的芯片是nrf24l01,内置2.4gHz的天线,体积小,成本低。它引进了一种增强型冲击放电模块tm控制的技术,以优化该模块的传输方式并大大降低了系统成本。

1.2 硬件电路设计分析

Altium designer电路设计软件用于绘制电路图和PCB。所有组件引脚均以标签形式连接。U1芯片吸收具有良好线性输出的mp2359（单片集成dep下变频器），以避免功率输出波动对系统操作电路的影响，并使用保护电路的作用，此外，考虑到传感器节点的能量消耗和寿命，以及环境温度、湿度和光强度在短时间内不会发生剧烈变化，传感器采集和传输频率将结合程序的实际设备范围进行控制，为了减少系统在软件和硬件方面的开支。

1.3 传感器网络及系统结构框图

互联网的整体架构主要由智能化感知层、无线网络传递层以及综合性应用层四个部分组成。它的三个主要关键的技术范畴是智能观察、网络通信和大数据分析,传感器节点从洗脸盆中收集大量的数据并发送到洗脸盆节点。而且这些数据的量都是巨大的,而且它们中的很多东西都是重复性的。因此,洗脸盆的节点监控系统应该采用先进的数据挖掘和信息化融合等技术,筛选代表性数据，完成传输，最终对监测环境数据进行分析。

整体框架是建立在基于嵌入式的平台上。特别是,数据采集模块补充了模拟信号的采集,通过串行门对输入的主体进行确定和处理,然后再通过无线数据传输模块将接收到的环境数据发送给下汇聚节点,然后继续分析和处理数据。

传感器节点的主体为strm32f103c8，最大频率为72MHz。它可以快速完成提指、解码和执行过程，在短时间内执行编程代码，并在内部集成一个12位高分辨率ADC模块，该模块可以快速准确地将模拟信号转换为输入。它不仅可以快速补充指令和数据的传输和执行，还可以优化电源管理并将系统降低到512KB以上。内部集成了 512kb 闪存和 64kb sram ,能够以cpu的高速时钟旋转为基础进行处理和传输大量的数据。处理后所有环境中的数据经无线模块根据设置的发送频率向汇聚节点进行信号发送。

2 DS18B20可编程分辨率单总线数字温度计

ds18b20 数字温度计是一种用于应用9-12位的数字温度传感器。数据输出/输入经由单一总线向微控制器连接。读取、写入和改变数据温度所需的能量来自超低容量、超低设备、强抗干扰能力和高精度的数据线。它可用于环境控制、建筑物中的温度绘图、温度检测设备或机械设备以及过程监控。

DS180B20主要特征:

(1)用于通信的单总线接口只需一个端口引脚;

(2)电源供电范围3.0V～5.5V,电源也可来自数据线

(3)检测温度范围-55℃～+125℃，其中-10℃～+85℃时的精确度为+0.5℃;

(4)可编程实现9～12位的分辨率;

(5)全数字温度转换传输。

2.1 测量温度操作

DS18B20的主要功能是将温度直接转换为数字传感器。注册：当主机发送转换程序（44h）时，DS18B20执行温度转换功能，并将数据存储在具有2符号扩展位的16位快速临时存储器中。温度记录器应包括指示温度为正或负的重要部分。

2.2 初始化操作一复位与存在脉冲

所有DS18B20通信都在一条总线上进行，并启动一个序列。初始序列包含主设备发送的零脉冲和从设备发送的DS18B20存在脉冲。从设备发送的脉冲是对重置脉冲的响应，重置脉冲让总机知道，线上的从机已准备就绪。

在启动循环期间，主机经由下拉总线向控制器发送零脉冲。然后,主机自动释放一条总线,然后就进入了接收模型。但是当一条总线被解除或者释放后,4.7kq的上拉电阻再次会将整个总线引出。例如,当ds18b20检测到上升沿,其中等待15μs～60μs发射存在一条脉冲,它可以通过把总线拉低并保持60μs～240μs 。

2.3 读写时间片

DS18B20数据读写操作是通过使用时间片控制位和命令字来指定操作方式。

(1)写时间片

当主机将数据线从高级别向下拉时，它将启动写入时间片。写入时间片有两种类型：写入“1”和写入“0”。两个写入周期之间的最短时间是1μS恢复周期，接收方收回写入周期的两部分。

为了产生时间延迟，逻辑1，主机在几秒钟内将线路从15分钟空闲总线上拉下来。一旦总线被释放，重力4.7kq将线路拉高。为了创建逻辑0时间窗口，主机将总线拉下来并保持至少60秒的窗口。12290在DQ线路被拉下来之后，DS18B20窗口的时间为15mos～60mos。如果采样期间总线电压过高，则DS18B20标记为“1”；如果采样期间总线电压过低，则DS18B20标记为“0”。

(2)读时间片

当主机发送一个时隙时，DS18B20只能向主机发送数据。一旦主机发送了注册表的beh，主机必须立即生成无数个时隙。这两个读数的最小恢复时间必须为1mus。主机通过拉低总线最少1μs后释放总线来进行时间片的初始化。一旦主机启动了读取延时，DS18B20将开始发送“1”或“0”总线。然后，该线缩回至高水平空转模式，由电阻绘制。在显示启动的翻转边缘后，读取时间狭缝等。DS18B20生成有效数据。

2.4 2.4GHz单片高速无线收发芯片

NRF24L01是一款单片2.4GHZ发射机，内置基本带宽协议机制（增强blast），适用于超低功率无线设备、增强型冲击模式TM调节器、功率放大器、晶体振荡器、调制1解调器和通道选择。

模块主要性能介绍:(1)NRF24L01适用于2.4GHz频段，开放全球ISM频段，免费使用许可证；(2)最高工作速度为2Mbps，GFSK调制有效，抗干扰能力强；(3)用于CRC错误检测、多点通信地址控制、自动响应和设备自动重新调度；(4)工作电压范围1.9-3.6v，备用电流22uA；电源切断模式低至900na，内置2.4GHz天线，体积小：15mmx29mm。

nRF24L01的引脚及其功能描述:CSN:芯片选择线，CSN为低电平，芯片被选择；SCK:芯片控制的手表线（SPI时钟）；MISO:芯片主输入从输出；MOSI:主输出从馈芯片；

如何正确识别和衡量民族传统村落发展进程中村民的文化适应状态，对管理者、规划者、经营者来讲都很重要。如果居民一方面能保持并增强其文化自信与民族认同，另一方面能积极接触并学习汉族文化，以更开放和包容的心态对待文化变迁，那么在文化冲突中就能保持良好的心态，有尊严有自信地成为文化传承者。

IRQ:中断信号。通过IRQ中断与nRF24L01的通信；CE:Chip Mode Control Line.CE与nRF24L01配置注册表合作确定工作空间nRF24L01。

表1 nRF24L01的主要工作模式。

发送模式 1 0 1→待机模式Ⅱ 1 0 1待机模式Ⅰ 1 - 0掉电模式 0 - -

2.5 EnhancedShockBurstTM收发模式概述

在发送数据包的过程中，impact burst TM会自动组装发送的数据包并定义手表；在接收时，放电TM持续搜索待解码信号中的正确地址。如果包是有效载荷，它被发送到rxfifo一个开放的时间段。包处理和定时机制的所有位都由冲击脉冲TM引导。

Enhanced Shock Burst TM模式有如下的特征:

(1)在响应模式下，快速空气传输和启动时间显著降低了电流消耗；

(2)高速射频识别允许非常短的机载传输时间，这大大减少了无线传输中的冲击现象；

(3)价格低廉。NRF24L01集成了所有高速链路层功能。SPI接口可在单片微机上使用通用I0端口进行模拟。

①掉电模式

②待机模式

待机模式I将平均电流降至最低，并保持快速启动时间。在此模式下，只有一些晶体振荡器处于活动状态。在待机模式Ⅱ下，额外的时钟缓冲器处于工作模式。如果将新缓存加载到txfifo注册表中，PLL将在设置130us延迟后立即开始发送数据包。

2.6 应用于Enhanced Shock Burst TM模式下数据包识别和CRC校验

每个数据分别包含两位pid(信件包裹标识符),用于判断接收到的信息是否为新包或者重新发送。一旦接收到发送方通过mcu接收到一个新的数据包,pid就会上升一点。crc验证器就是对于数据包中强制性错误进行检测的机制。它包含一个或两个字节，用于计算是否涉及重新传输。此时，nRF24L01比较两个包的CRC值。如果CRC值相同，则后一个包被视为前一个包的新信息，并被舍弃。

3 实验具体操作

3.1 DS18B20硬件连接与驱动程序分析

DS18B20和stm32f103c8之间使用四个孔，可以连接到三脚温度计，如DS18B20或DHT11四针传感器。其中主机的pa6引脚与ds18b20的数据线端口直接相连,同时dq端也是连接着一个4.7kq的.上拉电阻,此外vcc与gnd端同时分别接入了一只0.1μf的去耦电容,起到一个电池的作用,满足了驱动电路电流的改变,避免了相互间的耦合和干扰。下面是与硬件电路相匹配的主要驱动程序:

3.2 数据融合算法分析

算法设计：1）数据字段生成；2）感知节点编址与寻址；3）汇聚各个节点的数据进行上报;本文中所提出的传感器等级嵌入式节点数据箱概念是为了在不支持嵌入式的操作系统和嵌入式数据库的情况下便捷地进行信息管理。该算法通过计算所有相邻节点和需要定位的中心相邻节点和所有相邻节点之间的距离,并传输距离数据和临时数据节点中心用于确定节点的中心位置。

3.3 对nRF24L01固件编程的基本思路如下

(1)Enhanced Shock Burst TM发射有效载荷:

A.配置prim_RX位较小，CSN位保持较低；

B.当MCU有信息要发送时，通过SPI解除控制将接收节点（TX-u Addr）和有效负载数据（TXuPLD监视地址（时间地址）配置为nRF24L01；

C.为传输模式配置配置寄存器。微控制器设置CE高度（至少10us）并启动nRF24L01以增强Shock Burst TM数据传输。

D.接通无线电源,启动16mhz内部的时钟,填写射频数据包,高速送出数据包(由mcu配置)。

(2)Enhanced Shock Burst TM接收模式:

A.设置发送的包的本地地址和大小；

B.主uRX位为高位，CE设置为高位以达到输入模式；

C.130s后，nRF24L01进入监控室，等待数据包到达；

D.当微控制器收到有效的数据包(与地址相对应和 crc验证正确)时,有效负载自动将其存储在rx_fifo中,rx_dr为置高,并且发生中断,通知微控制器已经接收到了数据包;

E.MCU可以通过SPI接口将时钟输出设置为负载电平；

F.MCU将CE引脚设置为低电平，并切换至待机模式I（低功率模式）。

3.4 环境数据的传输与系统响应

汇聚节点通过STM32柔性静态存储设备的显示。传感器节点通过无线模块的传输环境数据给汇聚模块。汇聚节点通过其服务接收并调用主程序u中的库函数LCD_Show num（）显示当前环境信息。

传感器节点收集数据后，首先发送两组数据：oxff.0xff，然后发送关于温度和光强度的数据。池节点将首先确定前两个节点是否接收到数据oxff.Ooxff，如果没有，它将被丢弃。如果是，则将所得到的光线发射温度和强度比较于规定阈值。当两个值都处于限制范围内时,温度及亮度的数据就会正常地显示, led绿灯就会变亮。如果在本次采集到的数据中,只有一个或两个超出了设定值,则支节点与汇聚节点的蜂鸣器同时响起,红色灯闪烁,绿灯自动熄灭。

无线传感器阵列都有自己的供电装置,目前无线传感器阵列节点的正常工作周期及其生存时间是它们服务的主要性能指标。电源模块是整个传感器系统中占有主导地位的。鉴于上述的情况,并且充分考虑到环境温度和光照强度的差异,在短期内保证传感器的环境温度和光照强度不会产生剧烈的变化,在本文的设计过程中针对各个传感器的环境温度和数据采集的频率及信号发送的频率做出适当的控制,降低了节点正常工作的能耗,延长了它的使用寿命。

4 结语

物联网将传统信息和通信网络扩展到更广阔的物理世界，特别是传感器网络技术，无线传感器系统设计用于在特定环境中运行和执行特定任务。基于互联网的传感器网络是一项新技术，基于信息的采集和处理。本文件中描述的系统设备的架构框图和设计电路充分反映了项目的实际情况和任务的特殊性，采集环境温度和光强的实时信息，并将其发送到汇节点进行数据分析和处理。经实际检测，系统稳定性高，实时性好，满足现场温度监测的要求。