基于STM32的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

孫二威 吳振磊

摘要：本文設(shè)計了一種基于STM32主控芯片的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32C8T6作為主控芯片，控制溫濕度傳感器與光照強(qiáng)度傳感器來檢測當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值和光照強(qiáng)度值，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。取得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可在系統(tǒng)自帶的0.96寸OLED顯示屏上實時顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時可視化的功能。此外，還可根據(jù)預(yù)設(shè)值實現(xiàn)蜂鳴器報警和led指示燈報警的功能且可由按鍵手動控制其報警。同時，該系統(tǒng)還具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，主控芯片獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)由ESP8266模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，通過基于TCP的MQTT協(xié)議訂閱設(shè)備上的數(shù)據(jù)，來完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?。這樣用戶就可使用微信小程序來獲取采集到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的智能化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：STM32C8T6;數(shù)據(jù)采集;ESP8266;微信小程序

中圖分類號：TP274.2;TP23

1?? 引言

在時代飛速發(fā)展的社會背景中，如今智能設(shè)備的主要功能很大程度上取決于數(shù)據(jù)的采集，一代又一代的新產(chǎn)品其目的都是為了實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)獲取和檢測功能的方便快捷。智能數(shù)據(jù)采集在居家、測量、監(jiān)控等很多方面應(yīng)用，通過智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可方便獲取室內(nèi)的溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度等一系列的數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過這些數(shù)據(jù)去驅(qū)動智能家電準(zhǔn)確工作。

一般的數(shù)據(jù)采集辦法是利用常規(guī)采集儀器來完成，采集儀器體積大、重量重、功耗高且運(yùn)輸不便。這時智能數(shù)據(jù)采集就顯得尤為重要，無線數(shù)據(jù)的采集可以在時間片段下輪流采集，可解決有線數(shù)據(jù)采集的局限性能夠得到有效的改善，提高了數(shù)據(jù)采集的完整性。用戶手機(jī)端的微信小程序可以作為一種遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)的方式，使用戶能夠簡便迅速地獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)來自定義其用途和需求，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能采集這一過程。

2?? 系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容

該設(shè)計是基于STM32的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過主控芯片STM32C8T6接收傳感器采集到光照強(qiáng)度和溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)wifi通過路由器上傳至云服務(wù)器，通過EMQX（MQTT消息代理）把獲取到的數(shù)值經(jīng)由蜂窩數(shù)據(jù)或路由器傳輸，用戶可以利用手機(jī)遠(yuǎn)程訂閱服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，并下發(fā)數(shù)據(jù)至微信小程序?qū)崟r觀測。

本系統(tǒng)的具體工作流程為：當(dāng)智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電運(yùn)行之后，系統(tǒng)首先運(yùn)行初始化代碼，檢測各個模塊如esp8266、蜂鳴器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和OLED等與主控板是否連接正常，通過對各個硬件模塊的初始化來分別判斷各部分功能是否正常。在初始化完成之后，可以通過蜂鳴器進(jìn)行提示，這時就可以進(jìn)行正常的工作，OLED就可以正常顯示采集到的溫度、濕度和光照強(qiáng)度值。

接下來數(shù)據(jù)采集首先經(jīng)過esp866的數(shù)據(jù)上傳，MQTT協(xié)議的正確連接完成和服務(wù)器在數(shù)據(jù)成功接收的情況下，經(jīng)過服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)之后，微信小程序就可以訂閱服務(wù)器上面的數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

3?? 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 控制模塊

STM32F103C8最小系統(tǒng)板使用ARM 32位內(nèi)核，增強(qiáng)了I/O口和外設(shè)，并且它的容量大，具有64KB的FLASH ROM，并且它的靜態(tài)隨機(jī)存儲器最高可以達(dá)到20KB，系統(tǒng)板里面還設(shè)置有省電機(jī)制，可以工作的溫度范圍在-40℃到+80℃之間，溫度彈性好。

最小系統(tǒng)板其功能強(qiáng)大，在很大程度上方便了該系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展。首先其燒錄程序只需要除電源兩個引腳外的發(fā)送和接收兩個引腳，極大方便了我們隨時燒錄以及修改程序這一過程。其次就是其有37個輸入輸出端口可以使用能有接入很多設(shè)備和模塊，其帶有一個貼片晶振，以實現(xiàn)對定時器提供精準(zhǔn)的時間，能夠完成對時鐘要求不是極度精準(zhǔn)的檢測環(huán)境，如日常生活對時間的要求等。

3.2 光強(qiáng)度檢測模塊

在工業(yè)生產(chǎn)上，光照強(qiáng)度的過強(qiáng)或是過弱都有可能引起產(chǎn)品質(zhì)量的問題。因此對光照強(qiáng)度的控制是必不可少的，只有將光照強(qiáng)度控制在某一個指定范圍內(nèi)，我的生活才能正常有序的進(jìn)行。本系統(tǒng)中選用的BH1750模塊可以很精確顯示出當(dāng)前的光強(qiáng)值，通過光線的強(qiáng)弱來將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)放大器和電壓采集后，通過邏輯電路將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部的寄存器里，可以完成光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的這一功能。根據(jù)光強(qiáng)度的物理定義來說是指單位面積上所接收可見光的光通量，用于指示光照的強(qiáng)弱和物體表面積被照明程度的量。由于這個模塊可以省略復(fù)雜的計算，不必根據(jù)平均照度的計算公式利用光源總的光通量，利用系數(shù)和區(qū)域面積之間的關(guān)系來計算出結(jié)果。這樣使得BH750模塊用于感知在各種環(huán)境照度值來反映當(dāng)前的照明狀況非常重要。

光強(qiáng)模塊的工作原理屬于內(nèi)光電效應(yīng)中的光電二極管，在沒有光照的情況下，少數(shù)載流子在反向偏壓作用下系形成微小的反向電流——暗電流;受到光照的時候，在外加反向電壓和內(nèi)電廠作用下，光生電子空穴使少數(shù)載流子濃度大大增加，并分別被拉向N區(qū)和P區(qū)，反向電流大大增加，形成光電流。經(jīng)集成運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換存儲到數(shù)據(jù)寄存器中。

其數(shù)據(jù)分辨率的計算公式為：

光照強(qiáng)度（單位lx）=（高字節(jié)? + 低字節(jié)）/ 1.2 * 測量精度

主控芯片讀取數(shù)據(jù)的過程要遵循I2C通訊方式，主控芯片的SCL時鐘線在保持高電平的狀態(tài)下，SDA數(shù)據(jù)線開始由高電平到低電平的跳變這一過程，表明了主控芯片進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)起始狀態(tài)的開始。主控芯片的SCL時鐘線在保持高電平的狀態(tài)下，SDA數(shù)據(jù)線開始由低電平到高電平的跳變這一過程，表明了主控芯片進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)結(jié)束狀態(tài)的標(biāo)志。

主控芯片在控制數(shù)據(jù)的傳輸過程中要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸正確性的判斷規(guī)定，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，其高電平于低電平狀態(tài)的改變需保證在時鐘信號SCL在低電平期間，其一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常在9位的幀格式來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，其構(gòu)成為一個字節(jié)和一位應(yīng)答，一個字節(jié)數(shù)據(jù)的正確行判斷還需要進(jìn)行尋址的判定來驗證傳輸?shù)牡刂放c主控芯片的地址進(jìn)行校驗匹配。

3.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊采用了DHT11溫濕度傳感器，這是一種復(fù)合的傳感器，其內(nèi)部已經(jīng)集成了一系列的轉(zhuǎn)換電路，可以方便的實現(xiàn)溫度濕度轉(zhuǎn)化的功能。

DHT11和主控芯片之間通信首先在硬件上要確保連接正確，由于單總線來傳遞信號其硬件方面很容易保證，程序方面就需要按照其信號圖來進(jìn)行設(shè)計。在主控芯片讀取DHT11的數(shù)據(jù)之前要先發(fā)送一個開始的信號來表明要讀取信號。

首先要將主機(jī)的信號拉高置“1”，這個置“1”的過程沒有明確拉高時間這里就可以不用設(shè)置。接下來就置“0”的過程需要延時20ms左右。緊接著就是對主機(jī)信號拉高置“1”，并且延時20us-40us，這里就設(shè)置為30us。

其次就是最關(guān)鍵的一點(diǎn)來判斷從機(jī)也就是DHT11的響應(yīng)，由于這個過程需要跟主機(jī)的拉高時間來設(shè)置其延時時間，由于主機(jī)延時的時間最低可設(shè)置為20us，最高的延時時間為40us，DHT11的響應(yīng)信號需要置“0”拉低時間持續(xù)在80us，因此在檢測DHT11相應(yīng)時間上設(shè)置在40us到100us之間就比較合適?？梢酝ㄟ^檢測延式的時間是否超過100us來判斷DHT11是否連接正常，一方面能判斷DHT11是否存在，另一方面也能判斷DHT11連接后是否能傳輸正確的數(shù)據(jù)來判斷其是否損壞并及時排除故障。

在檢測到DHT11能夠正常相應(yīng)之后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取了，數(shù)據(jù)的讀取需要按位進(jìn)行讀取，其數(shù)據(jù)的位數(shù)有40位。

3.4 WIFI模塊

WIFI模塊采用的是安信可公司推出的高性能模塊ESP8266，用這個模塊可以與單片機(jī)或者其他的通訊設(shè)備連接。它有4種工作方式：CPIO模式、透傳模式、串口指令模式、HTTPD Client模式。ESP8266模塊的電路核心是ESP8266，該芯片功能強(qiáng)大，其外圍電路包括一個2MB的SPI閃存用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，天線電路可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接和配置，晶振電路提供精準(zhǔn)的時鐘信號，指示燈電路來展示供電或連接狀況，以及接口電路來便于數(shù)據(jù)的連接和主控芯片之間的傳輸。

ESP8266模塊總共定義了八個引腳，根據(jù)需要在這使用到了模塊的四個引腳，電源和地，使用RXD和TXD兩個引腳來進(jìn)行和主控芯片的通信。這樣采集到的數(shù)據(jù)就可以經(jīng)過MQTT協(xié)議格式的傳遞將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸?shù)椒?wù)器當(dāng)中，以便通過各種方式來獲取或使用其數(shù)據(jù)。

4?? 軟件設(shè)計

微信小程序的開發(fā)設(shè)計有很多的開發(fā)方式例如原生開發(fā)、??? WEPY框架、MPVUE框架、TARO框架和uni-app框架，各種開發(fā)方式都有其優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是MPVUE框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)小程序發(fā)揮其框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，MPVUE使得小程序和Vue.js生命周期進(jìn)行關(guān)聯(lián)，兩者間建立事件代理機(jī)制和數(shù)據(jù)同步機(jī)制。MPVUE和原生的小程序也是存在一定的不同，被預(yù)編譯為WXML的MPVUE才可以在小程序里執(zhí)行。其中有很多的形式不被允許，例如：動態(tài)組件、自定義render等。由于采用集中式頁面配置，各個頁面的入口文件可以自動生成，實現(xiàn)頁面的標(biāo)題配置、下拉的刷新、顏色的變化等優(yōu)點(diǎn)，使得其MPVUE框架結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于微信小程序開發(fā)中。

5?? 結(jié)束語

本論文實現(xiàn)了基于STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，完成了智能數(shù)據(jù)的光照強(qiáng)度，溫度濕度的采集，用戶可以在現(xiàn)場通過OLED顯示屏進(jìn)行實時觀測。同時，在上電后通過ESP8266模塊可以連接WIFI熱點(diǎn)或者路由器，將獲取到的數(shù)據(jù)上傳至MQTT服務(wù)器中，用戶可以通過微信小程序?qū)?shù)據(jù)的訂閱獲取，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。該系統(tǒng)經(jīng)測試準(zhǔn)確可靠，并且可擴(kuò)展性強(qiáng)，有很好的實用性。

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作者簡介：

孫二威（1998-），男，河南駐馬店人，蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程專業(yè)

吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。

通訊作者：

吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。

項目名稱：

江蘇省創(chuàng)新訓(xùn)練項目：《便攜式多功能醫(yī)用檢測儀》

項目編號：202012685002Y。