基于stm32的无线收发系统获奖科研报告

基于stm32的无线收发系统获奖科研报告摘要：针对监测控制系统中对前端参数采集部分的设计需求，设计了基于STM32F030（采用ARMCORTEX-M0内核）处理器的多参数采集单元，采集单元可完成温湿度、气压等参数数据的采集和存储并通过无线模块NRF24L01实现数据的无线收发;单元配有按键及液晶显示器，便于查看当前参数数据。通过选取性价比高的数字传感器简化了电路结构并降低硬件成本，通过合理的软件程序设计进一步降低系统的功耗。经测试单元工作稳定，可实现参数的采集传输等功能。同时，采集单元方便移植，可应用于环境监测，工业数据检测，智能温室等监控系统中。

关键词：STM32处理器;数据采集;无线通信;低功耗

在现代监测控制系统中，获取前端参数数据至关重要，可以说参数采集是实现控制的基础。在工业自动化控制、农业生产自动化、环境质量监测、智能医疗监护等众多领域都离不开数据的采集和处理。本文设计了采用以32位处理器为核心的无线数据采集单元。选用ST公司的STM32F030处理器作为控制核心，单元集参数采集、数据存储与显示、无线转发为一体，采用电池供电且具有低电压告警功能。[1]

1单元硬件电路设计

数据采集单元的电路设计在满足基本功能的基础上按照低成本、低功耗的设计原则。在实际采集系统中，前端采集单元数量众多，硬件设计应尽量降低成本;另外，单元采用电池供电，为避免频繁更换电池，单元电路功耗设计要尽量低，以延长电池的使用时间。单元整体结构框如1所示。

1.1处理器

单元选用ST（意法半导体）公司的STM32F030C8T6控制器作为处理器，STM32F030系列是意法半导体推出的超值系列32位微控制器，该系列芯片基于超低功耗的ARMCORTEX-M0处理器内核，其价格与8位微控制器相当，有丰富的外设数量和种类，内核频率高达48MHz。

STM32F030内置高速12位ADC、先进且灵活的定时器（支持ADC同步、死时管理和电机控制PWM时序功能）、温度传感器、日历RTC和通信接口（如I2C、USART、SPI等）[2]。因此，选用该处理器可以减少外围元件的数目、提高电路性能、降低系统的成本。

设计中为了降低微处理器的功耗，可采用32.768kHz的晶体振荡器作为时钟，另外，STM32F030有3种低功耗模式，在完成数据采集任务后，处理器进入低功耗模式[3]。

1.1传感器

传感器部分实现空气温湿度及大气压的数据检测，在具体应用中可以更换传感器类型实现不同参数采集。

温湿度传感器：选用数字温湿度传感器DHT11，DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。工作电压3.3～5.5V，量程湿度20～90%RH，温度0～5℃;湿度精度+-5%RH，温度±2℃。DHT11与处理器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分。操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据，传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位[3]。气压传感器：采用数字气压传感器BMP085，BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，绝对精度可达到0.03hPa，工作电压为1.8～3.6V，且耗电极低，只有3μA;BMP085内部由压阻传感器、AD转换器、和EEPROM与I2C接口控制单元组成。它采用标准的I2C接口，可以方便的与主设备（单片机）连接通信，其测压范围在300～1100hPa。本单元硬件设计中处理器使用硬件I2C接口与传感器进行通信。[4]

1.2无线通信

采用低功耗、小体积的NRF24L01无线收发模块，NRF24L01的工作频段为2.4～2.5GHz，该频段无需授权许可。芯片内置了多个功能模块，如功放模块、晶振、频率合成器等;可通过程序对模块的工作频道和输出功率进行配置。可通过配置命令设置模块工作于掉电或空闲等模式，以降低系统的功耗。

1.3存储单元

数据的存储选用AT24C512，为Atmel公司生产的64kB串行电可擦的可编程存储器（EEPROM）。AT24C512内部共有512页，每一页有128个字节，任一单元的地址为16位，地址范围为0000H～0FFFFH。它采用8引脚封装，芯片引脚及应用电路，芯片结构紧凑、存储容量大等特点，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。[5]

1.4鍵盘与液晶显示

因采集单元所需按键较少，所以键盘部分采用独立式按键设计，实现存储数据的查询功能;液晶显示使用NOKIA5110单色点阵液晶模块，模块为84*48的点阵LCD，可显示4行汉字，工作电压3.3V，采用串行接口与处理器通信，支持多种串行通信协议，通信速率可高达4Mbps。

1.5电源模块

单元采用3.7V锂电池作为电源，经过TPS62291DC-DC电源转换模块，将电压降至3.3V为整个单元供电。TPS62291是TI的一款宽电压输入，固定电压输出的高效率降压转换芯片，转换效率在95%左右，最高输出电流为1000mA。处理器内置ADC对电池电压进行实时监测，当电池电压过低时，发送报警信号，以便及时更换电池。

2软件设计

采集单元能量受限，处理器大部分时间处于睡眠模式，定时唤醒对参数进行采集、存储并转发，为了降低处理器的功耗，对于闲置的IO端口设置成IPU/IPD模式。[6]

软件整体设计流程：上电后处理器进行初始化自检，执行数据采集程序并进行显示，无按键操作，关闭显示并对外围电路进行设置，然后进入睡眠模式;若有按键操作或者是定时时间到可唤醒处理器去执行相关程序;如：读取键值，调用显示程序，使能内部ADC，配置无线模块，执行数据采集程序，进行数据处理和存储，转发数据等;在完成当前任务结束后，关闭内部ADC，配置IO，设置无线模块进入侦听模式，再次进入低功耗模式。

若没有按键操作，液晶显示处于关闭状态以降低单元功耗，若有按键操作，液晶显示打开并显示最近一次采集的参数值和当前电池电压情况。通过上下按键可查看参数得历史数据，若长时间没有按键操作，显示器再次关闭。

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