基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節(jié)點設(shè)計

郭 穎

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

0 引 言

智慧大棚多處于鄉(xiāng)村偏遠地區(qū)，很難實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且智慧大棚呈現(xiàn)散發(fā)多點的分布形式，也使其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為難點，如何利用單點互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)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(wǎng)絡(luò)的遷移也是建設(shè)智慧大棚另一個需要解決的問題。基于此，智慧大棚在設(shè)計上都應(yīng)考慮實現(xiàn)可移動、功耗低、覆蓋范圍廣的系統(tǒng)。利用低功耗CC2530搭建無線傳感網(wǎng)，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(wǎng)關(guān)、PC端和移動終端建立聯(lián)系，實現(xiàn)對大棚內(nèi)溫度的遠程監(jiān)測。論文設(shè)計的基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節(jié)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(wǎng)具有快速展開、穩(wěn)定可靠、可維護性好等優(yōu)點，可以很好的解決智慧大棚中溫度檢測組網(wǎng)等問題[1-3]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)原理是通過各溫度設(shè)備節(jié)點采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點，由協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)進行處理后，通過互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)遠程溫度監(jiān)測，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點和各設(shè)備溫度節(jié)點通過星型結(jié)構(gòu)連接，此結(jié)構(gòu)控制簡單、故障診斷容易，同時未來增加新的節(jié)點時也較為方便，很適合智慧大棚擴展數(shù)據(jù)采集節(jié)點使用。整個網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、控制簡單、故障診斷容易、方便擴展等優(yōu)點。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括主控模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊包含傳感器和CC2530，傳感器使用DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)。無線通信模塊以CC2530為主，電源模塊則是為各模塊供電。系統(tǒng)工作原理：DS18B20將采集的溫度數(shù)據(jù)通過CC2530和主控模塊連接的CC2530進行數(shù)據(jù)交互，主控模塊連接的CC2530將數(shù)據(jù)通過端口傳輸至主控模塊，主控模塊處理完數(shù)據(jù)后，通過WiFi模塊將處理好的數(shù)據(jù)傳輸至PC端和移動終端[4-7]。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(nèi)核，能夠滿足智慧大棚中多組數(shù)據(jù)的處理要求。STM32F103內(nèi)嵌的無線射頻模塊以及通用I/O接口可以保證其實現(xiàn)有線和無線數(shù)據(jù)交互，同時其內(nèi)部嵌入的A/D轉(zhuǎn)換器使整個系統(tǒng)無需再增加額外A/D轉(zhuǎn)換模塊，在縮小硬件面積的同時也降低了硬件的成本。內(nèi)部嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOSⅡ的移植也可以實現(xiàn)其界面化設(shè)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(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的穩(wěn)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(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)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(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)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(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖6所示，系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)器開始建立網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)備節(jié)點鍵入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，判斷網(wǎng)絡(luò)是否正常，如果不正常則重新由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)；如果正常，協(xié)調(diào)器開始存儲各節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址。同時，判斷是否有溫度數(shù)據(jù)采集，如果無溫度數(shù)據(jù)采集，則重新判斷網(wǎng)絡(luò)是否正常，如果數(shù)據(jù)采集正常，協(xié)調(diào)器開始采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)

CC2530通過ZigBee協(xié)議棧完成組網(wǎng)，組成見表1所列，包括應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中數(shù)據(jù)鏈路層包含LLC和MAC。輪詢、中斷、任務(wù)（操作系統(tǒng)）是ZigBee協(xié)議棧處理事件的主要方式。在ZigBee協(xié)議棧中，tasksEvents是一個任務(wù)是否存在的標志，當需要添加任務(wù)時通過調(diào)用函數(shù)osal_set_event（）在tasksEvents中添加相應(yīng)掩碼，當任務(wù)處理完畢時直接把相應(yīng)的掩碼清零即可。而任務(wù)切換則必須等到前一個任務(wù)處理完畢，并且無優(yōu)先級更高的任務(wù)時才被處理。而優(yōu)先級是由數(shù)組tasksArr[]的成員順序決定的[16]。

表1 ZigBee協(xié)議棧組成

3 系統(tǒng)測試

見表2所列，在模擬智慧大棚的測試中，使被測試系統(tǒng)的通信信道一致，同時保證數(shù)據(jù)包的首發(fā)容量一致，測試節(jié)點均采用電池供電。測試結(jié)果表明，無論是室內(nèi)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(tǒng)的智慧大棚長度基本小于70 m，因此系統(tǒng)可以滿足智慧大棚溫度監(jiān)測傳輸功能的實現(xiàn)[17]。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié) 語

結(jié)合智慧大棚的使用場景，設(shè)計了基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節(jié)點的軟硬件部分，系統(tǒng)以STM32F103為核心，包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳感器模塊以及電源模塊。其實現(xiàn)原理是通過DS18B20采集數(shù)據(jù)，利用CC2530搭設(shè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至STM32F103進行處理，同時將數(shù)據(jù)傳送至PC端或者移動終端設(shè)備，方便用戶實現(xiàn)遠程控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在處理功耗、通信質(zhì)量方面均優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。