基于CC3200和QT的低功耗無線監視系統設計

馬艷梅,陳 猛

(淮南職業技術學院, 安徽 淮南 232001)

隨著物聯網技術的不斷發展,無線傳輸技術在智慧礦山、智能倉儲、智能交通等領域得到了廣泛的應用。例如當前礦用皮帶機沿線監視裝置均為有線傳輸信號及供電,造成巷道內電纜數量多,管理困難,電纜鋪設工程量大。結合礦井人員短缺情況,急需將有線信號傳輸裝置升級為無線信號傳輸監視裝置。本文以TI的CC3200微控制器為核心,實現了一款低功耗無線監視系統。該系統主要由基于CC3200的Wi-Fi數據采集傳送裝置、無線路由器、智能手機客戶端和基于QT開發的APP組成,如圖1所示。無線監視系統節點的能量消耗主要包括:處理器模塊和 Wi-Fi 無線通信模塊。系統的低功耗不僅取決于硬件,更重要的是合理的軟件設計。本文通過對CC3200 微控制器以及Wi-Fi模塊低功耗的合理使用并通過較好的軟件結構設計,降低了系統的總體功耗。

圖1 無線監視系統

1 硬件結構設計

MCU處理器的選擇上由于CC3200自帶Wi-Fi通信模塊和片上系統,在實現無線監視終端與物聯網云服務平臺的信息交互功能上性能較好,而且功耗較低,本次設計以CC3200作為發送和接收的核心控制器。

1.1 CC3200無線監視系統的硬件總體結構設計

無線監視終端的主芯片采用CC3200微控制器,由電源模塊、電壓電流測試端口、ADC轉換模塊、Wi-Fi網絡處理子系統、LED電路模塊等部分組成,如圖2所示。

圖2 無線監視系統的硬件總體結構框圖

1.2 主要硬件電路設計

硬件部分主要由3部分組成:電源電路、信號采集電路和指示燈顯示電路。第一,電源電路。采用5V直流電源供電,通過波動開關來控制通電斷電,通過電容元件進行隔離濾波,如圖3所示。第二,信號采集電路。在主站和從站上分別布設8個開關按鍵作為IO口輸入信號。自帶上拉電阻,低電平閉合,高電平斷開。音頻模擬信號直接接到單片機的ADC輸入接口,如圖4所示。第三,指示燈顯示電路。采用8路LED燈串聯電阻作為對應數字信號顯示線路。單片機輸出低電平點亮,高電平熄滅,如圖5所示。

圖3 電源電路圖

圖4 信號采集電路圖

圖5 指示燈顯示電路圖

2 系統軟件的設計

軟件工作流程如下,系統初始化之后開定時器,啟動CC3200無線模塊連接無線路由AP。在主循環中設定定時器頻率進行音頻信號采集,判斷定時器是否采集到700幀一組的數據,如果采集到,就進行UDP收發數據操作。具體功能包括,第一,數字量采集,普通GPIO采集。第二,音頻信號采集。12位ADC+DMA采集,使用定時器,進行有效數據獲取,同時控制采樣頻率。采樣頻率=1S/定時器中斷時間。第三,數據傳輸。等待接收開啟/關閉傳輸指令,更新傳輸地址和開啟/關閉數據發送。檢測有效數據是否夠一幀,如果足夠進行組包發送,然后清除有效數據區等待下次采集發送。數字量數據如果改變,立刻觸發實時發送,未避免丟包,重復發送3～5次。軟件流程圖如圖6所示。

3 系統功能測試

3.1 系統功能測試的目的

一是測試設備無線發送數字信號,另一設備可以正常接收并顯示。二是測試設備無線發送模擬信號,手機端可以正常接收并顯示。三是測試設備同時無線發送數字信號和模擬信號,另一設備可以正常接收并顯示,手機端可以同步接收并顯示。

3.2 系統功能測試的方法

模擬音頻信號通過信號發生器產生,數字信號通過一組8位的開關量人為撥動產生。為方便觀察數據發送延時時長,測試時終端間測試距離設定為5米,發送延時時長通過秒表測量。本系統加入功耗的測量,通過萬用表測量供電電壓、電流,進而計算出功耗,P=U*I。具體功能測試如下:功能設計1,APP接收顯示節點采集的數字量信號。功能設計2,APP接收節點采集音頻信號,實時顯示信號波形。功能設計3,APP同時顯示節點采集數字量和音頻信號波形。功能設計4,APP切換采集節點,重復1、2、3項測試。 功能設計5,節點1數字量改變,節點2指示燈同步。節點2數字量改變,節點1指示燈同步。按照設計功能,測試結果見表1。

圖6 軟件工作流程圖

表1 測試表

4 結語

以CC3200為控制核心,設計了一套低功耗無線監視系統。通過站點上采集模擬音頻信號和開關數字信號的各項參數,借助CC3200片上WiFi模塊和互聯網安全協議實現自主組網功能,將采集到的數據通過無線傳輸方式傳送到手機監視終端,實現通過WIFI實時傳輸數據。系統在整體結構上主要由電源模塊、電壓電流測試端口、ADC轉換模塊、Wi-Fi網絡處理子系統、LED電路模塊等部分組成,軟件功能上主要實現了模擬音頻信號和數字信號的采集、CC3200控制及信號傳輸功能、無線網組網以及手機APP功能。通過實驗分析和功能測試,表明設計的系統具有低功耗、高帶寬、實時性強等優點,是一款性能優良的無線監視系統。