基于STM32的溫濕度采集系統設計與實現

王威澄

（武裝警察部隊特種警察學院，天津，102200）

0 引言

隨著硬件水平和網絡通信技術的快速發展，物聯網[1]技術隨著人們的需求孕育而生。滿足了人們對貯運監測方式的要求，特別是對武器裝備彈藥等貴重、危險物品貯運環境的監測[2]。在槍械瞄準鏡等高精度光學裝備器材的全壽命周期內，溫度、濕度、振動、沖擊、磁場等因素對它有重要的影響。此外還要掌握裝備器材的位置信息，不僅是為了上級方便調控物資，而且是裝備器材在運輸途中對安全的需要，同時也符合部隊信息化水平建設提高的要求。

針對以上問題，本文設計了一種依托物聯網的溫濕度檢測系統，能夠在裝備運輸管理過程中，實現遠程的狀態全過程監測。

1 系統總體設計方案

系統整體的設計示意圖如圖1所示。

圖1 系統設計示意圖

每個單位倉庫內和裝備器材運輸車上的裝備都配備有溫度監測終端，它會上報裝備貯運環境的溫濕度和地理位置信息到云平臺，相關人員可以通過搭載有本系統電腦登陸Web應用實時掌握和管理所有導彈的動態信息。

2 硬件設計

系統的感知終端由溫濕度傳感器、GPS定位模塊、NBIoT通信模組[3]和微控制器四部分組成，總體設計包括電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無線通信電路、傳感器電路、USB轉串口/串口燒錄電路和一些外圍電路設計。本文主要介紹四部分，分別是電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無線通信電路以及傳感器電路。系統硬件電路整體設計示意圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

■2.1 溫濕度傳感器

溫濕度測傳感器選用SHT30，該芯片是瑞士的Sensirion公司生產的新型數字傳感器，具有精度高、通信速度快、封裝小、成本低等優點。而且采用了根據IP67的PTEE膜，具有良好的防塵防水能力，能夠滿足在惡劣的環境下使用的要求。在傳感器通電的情況下，不進行測量或通信的時候，它就會自動進入空閑狀態以降低功耗。為了確保通信的可靠性，發送和接收數據采用多位CRC校驗。能夠滿足方案的需要，其主要性能參數如表1所示。

表1 SHT30性能參數

■2.2 GPS定位模塊

GPS定位采用移遠公司的一款集成貼片天線的超緊湊型GPS模塊L80-R，具有極強的捕獲和追蹤能力。擁有66個捕獲信道和22個追蹤信道。內置LNA（低噪聲放大器），提高了接收的靈敏性。通過先進的AGPS（EASY）軌道預測技術，使得它能夠計算和預測長達三天的軌道信息，即使在室內信號弱的情況下也能實現快速定位。省電模式（AlwaysLocate技術）的應用，讓模塊具有極低的電流消耗。模塊的主要性能如表2所示，十分適合實現對導彈貯運環境位置信息的定位。

圖3 溫濕度測量電路原理圖

表2 L80-R性能參數

信號接收電路如圖4所示，模塊的供應電源電壓范圍為3.0~4.3V，因為BaseBand、RF、I/O、LNA單元的供電由VCC引腳提供，引腳上的電流的大小會隨著工作狀態變化而變化，所以對模塊提供清澈充足的電流至關重要。利用寬電源走線和值為10μF、100nF的去耦電容組合放在VCC引腳旁來保證電流的穩定。另外考慮到在倉庫內，設備是不動的，GPS功能的開啟是沒有必要的電源消耗，為了能對模塊電源進行操作，增加了MOS管電路設計作為電子開關。而V_BCKP是模塊RTC（RealTimeClock）的供電引腳，直接接電源線即可，這樣可以加快模塊關閉后的啟動時間。

圖4 GPS信號接收電路

■2.3 NB-IoT通信模組

無線通信模組同樣使用的是移遠公司生產的BC28，該模組芯片采用海思的Boudica150，是款超緊湊、低功耗、高性能，支持多頻段的NB-IoT通信模組。專有安全核的設計和數字簽名技術從硬件方面保證了終端設備的通信安全。本方案使用的中國電信的物聯網卡，因為各運營商之間頻段稍有區別，所以功耗也稍有不同，故典型耗流值如表3所示。

表3 BC28耗流

BC28采用LCC封裝，擁有58個引腳，供電電壓范圍3.1~4.2V。RESET引腳內部上拉，低電平時復位。因為模組后期可能會涉及到升級，考慮到升級失敗問題，保留復位功能，將復位引腳接到微控制器的GPIO（通用輸入輸出）引腳上，采用軟復位的方式。當模組收到云平臺下發消息時會觸發RI引腳輸出低電平至少120ms，隨后輸出數據，輸出數據的過程中引腳維持低電平。為了方便編程對數據進行處理，可以利用RI引腳這一個特性把它接到微控制器的外部中斷接口上，每當進入中斷時就可以對數據及時進行處理。電路部分原理圖如圖5所示。

圖5 NB-IoT無線通信電路信號處理與射頻天線部分

■2.4 主控芯片

主控芯片[4]使用STM32L431RCT6，該芯片采用了哈佛體系，是款32位的Cortex-M4低功耗系列的微控制器。具有意法半導體最佳的超低功耗架構和最低的電流波動，從而在高溫下也能保證極低的功耗。有64個引腳，外設接口豐富等特點，滿足系統的功能要求。該芯片作為硬件終端的控制中樞，負責與各模塊的通信，接收和處理來自溫濕度傳感器、GPS定位模塊的數據，并通過AT指令控制NB-IoT無線通信模組上報信息到物聯網平臺以及接收控制指令。另外還有根據云端的決策是否響起蜂鳴器等功能。

微控制器的封裝類型為LQFP64封裝，以外部高速8M晶體振蕩器（HSE）為系統時鐘源，而大部分外設時鐘也是由此經鎖相環（PLL）、分頻和倍頻處理后得來。晶體振蕩器兩端接在MCU的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，在進行PCB排版時，為減少晶振輸出波形的失真，晶振和兩端的電容要盡可能靠近芯片，必要時要對其進行包地處理。

為減少電源噪聲對芯片的干擾，在所有的VDD（電源）引腳和VSS（地）引腳上并聯上100nF的電容。

微控制器的NRST（復位）引腳接低電平可以使硬件設備復位，正常工作情況下應該是高電平，由于芯片的此引腳內部已經上拉，所以懸空即可。微控制器stm32L431RCT6引腳功能和一些外圍電路設計的原理圖如圖6所示。

圖6 核心控制電路原理圖

3 軟件設計

硬件設備平臺的應用主要工作流程如下：

（1）硬件設備上電啟動，程序執行main函數。

圖7 感知層應用的運行流程圖

（2）對硬件資源的初始化，包括系統時鐘、GPIO、UART以及I2C。

（3）初始化操作系統內核、創建系統主任務后將微控制器的控制權交由操作系統進行管理并結束main函數。

（4）加載GPS定位模塊、溫濕度傳感器和NB-IoT通信模組并設置好相關參數。

（5）對NB-IoT進行入網操作。

感知層應用的運行流程圖如圖7所示。

4 結論

本文設計的基于STM32的溫濕度感知系統，采用物聯網傳輸數據，能夠實現遠程靈活的溫濕度監測功能，對于裝備從生產、貯存、運輸再到使用過程中對裝備的信息識別、去向管理、環境監測以及數據分析和處理有實踐意義，能夠幫助相關人員更好的監測裝備動態信息。