基于阿里云的低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任志敏，張 良

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引 言

日常生活中，從運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能手表、智能手機(jī)、平衡車、無人飛機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車……，到農(nóng)業(yè)大棚、智慧工廠、館藏庫房[1]……，或多或少都涉及數(shù)據(jù)采集與處理，從中不難看出，數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。尤其在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)已經(jīng)深入個(gè)人、家庭、社會(huì)生活的背景下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要性愈加凸顯。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用場合為智慧工廠、館藏庫房、農(nóng)業(yè)大棚等。這些場合的特點(diǎn)和需求包括：待監(jiān)測的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)較多；數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)不宜采用常規(guī)供電方案，如交流市電加適配器的供電方案只能采用電池供電，且需要保證電池長時(shí)間工作；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸[2]（通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云平臺(tái)，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回溯；在方便管理員工作的同時(shí)，利用移動(dòng)端APP直接查看周邊區(qū)域節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并能對(duì)出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)及時(shí)預(yù)警）；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不僅包括溫度、濕度、氣壓等常規(guī)參數(shù)，還需要監(jiān)測節(jié)點(diǎn)本身在運(yùn)行過程中是否掉落，是否翻轉(zhuǎn)。該數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是傳感器輸出數(shù)據(jù)量不大，但要求節(jié)點(diǎn)功耗更低，且可以短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)??；谇拔牡男枨蠓治?，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括低功耗MEMS傳感器、溫濕度傳感器、加速度計(jì)傳感器，外加支持低功耗藍(lán)牙的微控制器。節(jié)點(diǎn)由3 V的紐扣電池供電，一顆電池的工作時(shí)間至少穩(wěn)定在1年以上。在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙傳輸范圍內(nèi)將樹莓派作為藍(lán)牙主機(jī)，按照需求周期性收集周圍多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙廣播發(fā)出的傳感器數(shù)據(jù)，再通過WiFi或4G模組把數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在管理員工作過程中，手機(jī)移動(dòng)端充當(dāng)藍(lán)牙主機(jī)的角色，不僅可以直接在手機(jī)上顯示周邊節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還能夠通過WiFi或4G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。用戶通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，管理員也可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)查看節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，為提高管理效率提供參考。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)微控制器選型

目前市面上支持藍(lán)牙協(xié)議的微控制器主流生產(chǎn)商有挪威的Nordic公司，美國的德州儀器公司（TI），德國的戴樂格半導(dǎo)體公司（Dialog）和意大利的意法半導(dǎo)體公司（ST），每家公司都推出了多種型號(hào)的支持單?；螂p模的藍(lán)牙芯片，經(jīng)過比較研究，本文選擇Nordic公司出品的nRF52832作為系統(tǒng)的核心控制器[3]。

nRF52832是Nordic公司推出的一款基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，支持低功耗藍(lán)牙BLE、藍(lán)牙Mesh和近場通信NFC的片上系統(tǒng)芯片SoC。在硬件配置上，其最突出的特點(diǎn)是采用先進(jìn)的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)極低的功耗，在不保留RAM的模式下功耗僅0.3 μA。無線傳輸性能指標(biāo)方面，在低功耗藍(lán)牙模式下支持1 Mb/s或2 Mb/s的傳輸速率。

2.2 溫濕度氣壓傳感器選型

基于本文的需求，環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括溫度、濕度和氣壓。目前市面上該類傳感器種類繁多，尤其是溫濕度傳感器。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的多功能家居報(bào)警系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20作為單總線結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，被廣泛應(yīng)用于鍋爐測溫、機(jī)房測溫等領(lǐng)域，其最大的優(yōu)勢在于獨(dú)特的單線接口方式，不足之處在于其功耗較大，且只能獲取溫度參數(shù)。SHT20是采用I2C協(xié)議的溫濕度傳感器，通常用于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測[5]，其尺寸和功耗優(yōu)勢突出，但是只能測量溫度和濕度，不適合本課題。BME280是德國博世（BOSCH）出品的一款集測量溫度、濕度、氣壓于一體的MEMS傳感器，其采用極小化的LGA封裝，尺寸為2.5 mm×2.5 mm×0.93 mm，具有SPI和I2C兩種接口，能夠更好地滿足低功耗的需求，因此本文選擇BME280傳感器。

2.3 加速度計(jì)傳感器選型

監(jiān)測數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)本身的姿勢狀態(tài)需要使用加速度計(jì)傳感器。目前加速度計(jì)傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)翻轉(zhuǎn)、四軸飛行器、可穿戴設(shè)備、平衡車等領(lǐng)域，品種較多，常見的加速度計(jì)傳感器有MPU6050、BMA400、LIS2DH12等[6]，經(jīng)過研究比較，本課題選擇意法半導(dǎo)體公司（ST）出品的LIS2DH12加速度計(jì)傳感器，其低功耗特性符合本文要求。

LIS2DH12是由意法半導(dǎo)體公司出品的超低功耗、高性能三軸加速度計(jì)，屬于MEMS傳感器的一種。LIS2DH12支持1.71～3.6 V的寬電壓電源供應(yīng)，最低功耗可降至2 μA；支持配置可選的量程為±2g/±4g/±8g/±16g；支持I2C或SPI接口，可選數(shù)據(jù)輸出速率為1 Hz～5.3 kHz；2個(gè)中斷引腳可以監(jiān)測喚醒、自由落體或其他位置移動(dòng)等事件。

2.4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

結(jié)合nRF52832核心電路、溫濕度傳感器BME280和加速度計(jì)LIS2DH12，本課題設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路

LIS2DH12的內(nèi)核電壓和I/O引腳電壓均由VDD提供，100 nF和10 μF去耦電容盡可能靠近第9引腳VDD。LIS2DH12支持I2C和SPI數(shù)據(jù)接口，本課題采用四線SPI接口，其中CS引腳連接nRF52832的P0.08腳，由程序拉低使能SPI模式，SDO/SAO引腳選用SDO功能作為從機(jī)SPI的輸出引腳，SDA/SDI/SDO引腳選用SDI功能作為從機(jī)SPI的輸入引腳，SCK/SPC選用SPC功能作為從機(jī)SPI的輸入時(shí)鐘，2個(gè)中斷引腳分別連接不同的I/O作為LIS2DH12姿勢變化中斷產(chǎn)生接口。

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：節(jié)點(diǎn)端nRF52832微控制器軟件設(shè)計(jì)，Android端程序設(shè)計(jì)，樹莓派端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)端nRF52832程序設(shè)計(jì)

nRF52832端程序主要涉及的設(shè)計(jì)任務(wù)有采集BME280的溫度、濕度和氣壓值，以及LIS2DH12加速度計(jì)值，并響應(yīng)加速度計(jì)因掉落、翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的中斷；采用藍(lán)牙廣播的方式間隔性發(fā)送傳感器數(shù)值。nRF52832軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 nRF52832軟件設(shè)計(jì)流程

采集數(shù)據(jù)后，需要按照協(xié)議發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包共24 B，見表1所列。

表1 節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包協(xié)議

設(shè)置藍(lán)牙發(fā)射功率txpower，根據(jù)nRF52832的技術(shù)文檔，藍(lán)牙發(fā)射功率可分為9個(gè)等級(jí)[7]，依次是-40 dBm，-30 dBm，-20 dBm，-16 dBm，-12 dBm，-8 dBm，-4 dBm，0和4 dBm，發(fā)射功率設(shè)置值必須為以上9個(gè)值中的一個(gè)。理論上說，值越大，信號(hào)越強(qiáng)，傳輸距離也就越遠(yuǎn)，但是能耗也越大。本課題設(shè)置txpower為0，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景調(diào)整該值，以實(shí)現(xiàn)傳輸距離更遠(yuǎn)與節(jié)省功耗的平衡。藍(lán)牙發(fā)射功率值在協(xié)議中共占據(jù)5位，即可存放的范圍為0～31，并非所有9個(gè)等級(jí)的數(shù)組可以存放到協(xié)議中，因此先對(duì)txpower加上40，然后除以2，保證所有值都落在0～31范圍內(nèi)。

3.2 Android端APP程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)端管理軟件需要發(fā)現(xiàn)管理員周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)，并添加節(jié)點(diǎn)，之后讀取并顯示環(huán)境數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置告警閾值、將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。Android移動(dòng)端程序設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示[8]。

圖4 Android移動(dòng)端程序設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)

每個(gè)功能模塊的具體作用如下：

（1）藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)與手機(jī)通信，打開手機(jī)端APP，設(shè)置是否允許掃描藍(lán)牙廣播設(shè)備，并設(shè)定以一定的時(shí)間間隔掃描藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)。

（2）通過添加和刪除藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)對(duì)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行管理。

（3）顯示藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)于多個(gè)節(jié)點(diǎn)采用兩種顯示方式，如一屏列表顯示多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或一屏顯示一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過滑動(dòng)屏幕顯示多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；環(huán)境數(shù)據(jù)既可以以數(shù)字形式顯示當(dāng)前值，也可以顯示歷史值，還可以采用動(dòng)態(tài)曲線顯示數(shù)據(jù)變化。

（4）利用Android提供的SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)不同時(shí)間點(diǎn)獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)，便于日后查詢或分析。

（5）設(shè)置溫濕度、氣壓數(shù)據(jù)的告警閾值，一旦超出閾值范圍，則通過振鈴方式告知用戶，同時(shí)顯示告警提示。

（6）監(jiān)測并顯示藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)電池余量。

（7）顯示三軸加速度計(jì)x，y，z方向的值，一旦加速度計(jì)有移動(dòng)，程序及時(shí)提醒用戶。

（8）獲取的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過手機(jī)4G網(wǎng)絡(luò)周期性發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

Android端APP數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

圖5 Android端APP數(shù)據(jù)顯示界面

3.3 樹莓派端軟件設(shè)計(jì)

樹莓派主機(jī)作為藍(lán)牙廣播的接收器，接收節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙廣播，并間斷性向阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在本文中，使用樹莓派系統(tǒng)Raspbian的Shell提供的hciconfig操作藍(lán)牙，主要步驟如下：

（1）通過sudo hciconfig hci0 up啟動(dòng)藍(lán)牙樹莓派設(shè)備，hci0指0號(hào)HCI設(shè)備，即樹莓派的藍(lán)牙適配器。

（2）通過命令sudo hciconfig hci0 reset復(fù)位藍(lán)牙適配器。

（3）掃描藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)，命令為sudo hciconfig lescanduplicates。

（4）接收并獲取藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)，命令為sudo hcidump-raw。

樹莓派端程序內(nèi)容主要由兩部分組成，一是掃描獲取附近所有藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的廣播，接收數(shù)據(jù)并解析；二是把解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。樹莓派端程序流程如圖6所示。

圖6 樹莓派端程序流程

4 結(jié) 語

本文源自實(shí)際應(yīng)用需求，通過研究低功耗相關(guān)技術(shù)，確定并設(shè)計(jì)了總體方案，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)，編程實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)，可把數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[9-10]。硬件實(shí)物如圖7所示。

圖7 硬件實(shí)物