1111某氣象信息采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6426某氣象信息采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 1198001系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案 1159041.1主控模塊基本電路 2105491.2NB-IOT模塊電路 3158351.3本地顯示模塊電路 550301.4溫濕度測(cè)量電路 5222071.5PM2.5傳感器模塊PMS5003 62422軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1094882.1軟件主流程 1064012.2硬件初始化：GPIO口初始化 117702.3注冊(cè)聯(lián)網(wǎng) 12326322.4AT指令簡(jiǎn)介 13304242.5云平臺(tái)部署 131系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案健全的硬件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)必不可少的骨架，通過(guò)硬件與硬件之間的連接與配合為軟件的運(yùn)行提供一個(gè)框架。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主體框架主要包括控芯片模塊，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及NB-IOT通信模塊和顯示模塊，各傳感器模塊電路采集并輸出模擬信號(hào)，通過(guò)主控芯片的ADC接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)UART接口發(fā)送給BC26模塊。數(shù)據(jù)封裝后通過(guò)天線發(fā)送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)LED屏幕顯示給用戶.什么時(shí)候完成什么事，這些工作都是由硬件去完成。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如3-1所示：3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖1.1主控模塊基本電路系統(tǒng)采用基于ARMCortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器STM32F103C8T6作為主控模塊的處理器,該芯片的工作頻率為72MHZ。芯片內(nèi)部有64kb的FLASH,包含ADC、定時(shí)器、看門狗定時(shí)器等,同時(shí)提供了3個(gè)USART接口以及2個(gè)SPI,多個(gè)GPIO口。主控芯片是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,作為采集數(shù)據(jù)處理中心電源模塊供電用Vcc=1.3V供電，可以通過(guò)AMS-1117來(lái)轉(zhuǎn)換3-2AMS117穩(wěn)壓芯片電路圖二.CPU模塊3-3STM32主控芯片電路圖調(diào)試接口：在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程中需對(duì)程序性開(kāi)發(fā)和仿真調(diào)試，其中對(duì)程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要下載bin/hex文件，可采用SWD或者JTAG的方式，在高速模式下SWD下載模式比JTAG下載模式更穩(wěn)定，而且在下載數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)JTAG會(huì)出現(xiàn)下載程序失敗的情況，與JTAG模式相比SWD模式只需4引腳調(diào)試接口大大減少，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)際開(kāi)發(fā)中一般都采用SWD方式。其中的時(shí)鐘線CLK是用于Jink和芯片的時(shí)鐘同步，通常情況時(shí)鐘頻率選擇為4MHz，但可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整時(shí)鐘頻率。3-4主控芯片調(diào)試接口電路圖四．復(fù)位模塊系統(tǒng)復(fù)位分為軟件復(fù)位，看門狗計(jì)數(shù)終止復(fù)位以及硬件按鍵復(fù)位三種。硬件按鍵復(fù)位將STM32芯片NRST引腳置為低電平時(shí)復(fù)位。因?yàn)殡娙莸碾妷翰粫?huì)突變，所以可采用電容濾波，即有電路中電容C1的作用是消除按鍵剛剛接觸/松開(kāi)時(shí)的電平抖動(dòng)引發(fā)誤動(dòng)作（防止主控芯片因I/O口電平抖動(dòng)而執(zhí)行多次復(fù)位)。3-5STM32復(fù)位模塊電路圖1.2NB-IOT模塊電路目前，NB-IoT芯片廠商主要有高通（Qualcomm）、銳迪科（RDA）、英特爾（Intel）、華為海思和三星聯(lián)發(fā)科等。此系統(tǒng)測(cè)試選擇了中國(guó)上海電信移遠(yuǎn)電子公司產(chǎn)的bc26模組。該電信模組在其實(shí)際工作運(yùn)行時(shí)間和使用頻段上分別支持國(guó)內(nèi)最大的無(wú)線電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商中的FDD電信制式等。這個(gè)模塊最大的優(yōu)點(diǎn)就是在于全網(wǎng)通功能。不管移動(dòng)，聯(lián)通，電信NB卡都通通適用。開(kāi)啟電壓為2.1~1.6V左右通常為1.3V，可達(dá)23±2dB的發(fā)射功率，在PSM模式下，電流低至5μA。該通訊模塊通常可以同時(shí)提供一個(gè)波特率為9600bps的串口，用于AT命令通訊和數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/協(xié)議3-6NB&BC26芯片引腳圖串口對(duì)外接口3-7串口電路圖BC26串口電平為1.8V電平而STM32的串口電壓為5V/1.3V無(wú)法直接跟外部STM32單片機(jī)進(jìn)行通訊，即需要加入雙串口電平轉(zhuǎn)換電路將BC26串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)并同時(shí)將單片機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為BC26可識(shí)別的1.8v。因BC26供電參考電壓為1.3V以及STM32串口芯片即有采用TI公司的TXS0108EPWR雙向電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)1.8V與1.3V之間的信號(hào)匹配。TXS0108EPWR為8位非反向轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)獨(dú)立的可配置電源，其8位非反向轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)1.2V、1.8V、2.5V、1.3V和5V電壓節(jié)點(diǎn)之間的任意低壓雙向轉(zhuǎn)換，TXS0108EPWR具有A與B兩個(gè)輸入電源引腳端口，其中A端口接受VCCA引腳的電源電壓控制。VCCA引腳承壓范圍為1.2V到1.6V的任意電源電壓。B端口跟蹤VCCB引腳的輸入電源控制。VCCB引腳承壓范圍為1.65V到5.5V范圍內(nèi)的任意電源電壓。1.3本地顯示模塊電路3-3-8OLED接口電路圖使用LED屏用于本地顯示傳感器采集數(shù)據(jù)，如溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，PM2.5傳感器采集數(shù)據(jù)以及MS5611C氣壓傳感器采集數(shù)據(jù)。1.4溫濕度測(cè)量電路DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種已經(jīng)把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)內(nèi)部將一個(gè)電阻式感濕傳感器以及一個(gè)NTC測(cè)溫元件集成于一體的復(fù)合型傳感器。應(yīng)用了專用溫濕度采集技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)的DHT11得以確保了產(chǎn)品具有長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和超高的穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)的NTC測(cè)溫元件以及感濕元件與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連，所以該產(chǎn)品具有響應(yīng)快、性價(jià)比高、功耗極低、很好的抗干擾能力等特點(diǎn)。所有的DHT11傳感器均已在高精度的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)所進(jìn)行校準(zhǔn)完成。校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中且以程序的形式。超小的體積以及超低的功耗并且高達(dá)20m以上的傳輸距離，使得它可以被引用在任何苛刻的場(chǎng)合或者環(huán)境。溫濕度測(cè)量電路如圖3-9溫濕度模塊接口電路圖1.5PM2.5傳感器模塊PMS50031.5.1工作原理系統(tǒng)PM2.5采集模塊采用PMS5003數(shù)字式顆粒物濃度傳感器，該傳感器基于激光散射原理，基于在某一特定角度收集空氣中懸浮顆粒物的激光散射光，采集到散射光強(qiáng)跟隨時(shí)間的曲線，微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，計(jì)算得出單位體積空氣中顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)顆粒物濃度。從監(jiān)測(cè)顆粒范圍為0.3微米~10微米，傳感器各功能部分框圖如圖3-10PMS5003工作原理圖1.5.2，輸出結(jié)果PMS5003傳感器主要輸出結(jié)果為單位體積空氣內(nèi)各濃度的顆粒物質(zhì)量和個(gè)數(shù)，其中顆粒物個(gè)數(shù)以0.1升為單位體積計(jì)算，質(zhì)量濃度單位為：微克/立方米。PMS5003具有主動(dòng)輸出和被動(dòng)輸出兩種輸出狀態(tài)。傳感器上電后默認(rèn)工作狀態(tài)為主動(dòng)輸出，主動(dòng)輸出模式為PMS5003傳感器主動(dòng)向管理系統(tǒng)的控制用戶發(fā)送一個(gè)串行控制信號(hào),時(shí)間持動(dòng)間隔持續(xù)范圍一般為200~800ms，空氣環(huán)境中的懸浮顆粒物和氧含量濃度越高,時(shí)間持續(xù)間隔也就會(huì)變得越小。主動(dòng)信號(hào)輸入又一般可以分別劃分為平穩(wěn)輸入模型和快捷輸入模式兩種。在被測(cè)空氣中各個(gè)惰性顆粒物的測(cè)量濃度發(fā)生變化較小時(shí),傳感器將其數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)更新模型,即每三次更新輸出相同的一組濃度測(cè)量差據(jù)數(shù)值,實(shí)際每組測(cè)量差值數(shù)據(jù)的每次更新持續(xù)周期大約為2s。例如,當(dāng)吸入空氣或水中的惰性顆粒物吸入濃度發(fā)生變化很大時(shí),傳感器將其中的輸出濃度信號(hào)自動(dòng)準(zhǔn)確地重新切換到快速更新模式,每次更新輸出信號(hào)都會(huì)自動(dòng)顯示一個(gè)新的濃度值,實(shí)際上該數(shù)據(jù)濃度更新的時(shí)間周期范圍可以簡(jiǎn)單確定大約為200~800ms。1.接口電路圖3-11PMS5003模塊接口圖3-12PMS5003典型連接圖1.6MS5611氣壓模塊MS5611-01BA氣壓傳感器是一款具有SPI和I2C總線雙接口的具有極高采集精確度，具有分辨率高達(dá)10cm的由MEAS研發(fā)推出的新一代氣壓傳感器。由一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)具有工廠校準(zhǔn)系數(shù)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成傳感器模塊，其可提供SPI以及I2C兩種不同的操作模式還可在復(fù)雜環(huán)境條件下采集氣壓值并將其ADC轉(zhuǎn)化輸出精確的24位數(shù)字值，并優(yōu)化了電流損耗實(shí)現(xiàn)了超低功耗下的高轉(zhuǎn)換速度。MS5611具備在無(wú)需其他傳感器輔助的情況下實(shí)現(xiàn)高分辨率精確的溫度輸出使其可以在復(fù)雜的情況下實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能，而且其可拓展性強(qiáng)可以與幾乎任何微控制器連接，內(nèi)置振蕩器無(wú)需外接元件通信協(xié)議簡(jiǎn)單，不需要對(duì)設(shè)備內(nèi)部寄存器編程。MS5611壓力傳感器具有體積小集成性高，可移植性好的優(yōu)點(diǎn)，尺寸僅有5.0毫米×1.0毫米×1.0毫米，可很方便的集成在智能穿戴設(shè)備上應(yīng)用。得益于MEAS多年成熟的設(shè)計(jì)及規(guī)模性制造經(jīng)驗(yàn)并且采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)確保了該傳感器具備極低的壓力信號(hào)之后性能的同時(shí)還確保了高穩(wěn)定性。3-12MS5611應(yīng)用電路圖1.7NBIOT天線接口模塊電路的天線接口采用適用于普通的2G天線的SMA接口方式，即可以為模塊配備2G天線使用，接入天線接口即可使用。RF天線端口的適配阻抗為50Ω。圖3-13天線接口電路圖對(duì)于天線接口的外圍電路設(shè)計(jì)，天線匹配網(wǎng)絡(luò)需要注意后級(jí)輸入阻抗與前級(jí)輸出阻抗共軛，匹配網(wǎng)絡(luò)分為L(zhǎng)型，T型，Π型三種為了能夠更好地調(diào)節(jié)射頻性能，采用預(yù)留π型匹配電路，π型匹配電路元件根據(jù)電路實(shí)際情況選貼，且匹配電路元件。其參考電路圖如圖3-15，在默認(rèn)情況下，電容C1，C2無(wú)需選貼，只在R1選貼0歐姆電阻方便PCB調(diào)試方便以及兼容設(shè)計(jì)。3-15射頻天線參考電路圖1.8電源模塊電源模塊采AMS1117正向低壓降穩(wěn)壓芯片。AMS1117在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117具有固定輸出和可調(diào)節(jié)輸出兩個(gè)版本，其中有其固定輸出電壓為1％的精度有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、1.0V、1.3V、5.0V等七個(gè)固定輸出版本；固定輸出電壓為1.2V精度為2%的固定輸出版本。AMS1117內(nèi)部集成低漏失電壓，限流功能，過(guò)熱切斷等功能，在掌上電腦與筆記本電腦，移動(dòng)電話以及充電或供電系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用因STM32主控模塊工作電壓為5v,設(shè)計(jì)采用1.3V輸出即ASM1117-5.0芯片,NB-IOT&BC26模塊電源輸入電壓范圍為2.1V~1.63V，即有采用ASM1117-1.3芯片，其應(yīng)用電路圖為。3-14AMS117穩(wěn)壓芯片應(yīng)用電路圖2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要可以劃分為三個(gè)組成部分分別為板載裝置的軟件設(shè)計(jì)、ONENET云平臺(tái)部署以及OLED顯示2.1軟件主流程氣象采集系統(tǒng)接通電源后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)在程序的指揮下對(duì)主控模塊和所有外圍器件的初始化，主要是針對(duì)I/O口、LED液晶顯示屏、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等的初始化。前面的步驟完成后，溫濕度；氣壓；PM2.5濃度等的狀況將依次在LED顯示屏顯示出來(lái)，數(shù)據(jù)然后經(jīng)過(guò)封裝后由天線發(fā)送到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。硬件模塊的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是完成硬件的初始化，注冊(cè)后接入相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，并定期收集和上報(bào)氣壓，PM2.5以及溫濕度等信息，為了直觀顯示采集數(shù)據(jù)添加了個(gè)LED模塊用于顯示采集的氣象數(shù)據(jù)。以下本文對(duì)以上提到的程序進(jìn)行介紹。軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖4-1所示4-1軟件流程圖2.2硬件初始化：GPIO口初始化本次系統(tǒng)中使用到芯片的多個(gè)GPIO口用以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)燈、LED顯示以及接收傳感器采集的模擬信號(hào)輸入等。系統(tǒng)應(yīng)用GPIO口需要對(duì)其進(jìn)行GPIO初始化配置為選用端口與引腳，選擇GPIO口輸入/輸出模式以及輸出速率，配置上拉/下拉電阻等。其次串口初始化。該氣象采集系統(tǒng)主要采用兩個(gè)串口分別用于程序調(diào)試輸出以及另一個(gè)作為主控芯片與BC26模組通訊使用。串口配置時(shí)需配置為9600bps的波特率，選擇是否無(wú)硬件數(shù)據(jù)流控制，選擇八位數(shù)據(jù)格式，停止位選擇1位，數(shù)據(jù)無(wú)奇偶校驗(yàn)位。第三，ADC初始化。例如PM2.5傳感器PMS5003將采集的空氣顆粒物數(shù)據(jù)即濃度輸出為一個(gè)0～5V的模擬信號(hào)，系統(tǒng)將其模擬值轉(zhuǎn)換解析成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后，上報(bào)至ONENET平臺(tái)其采集的氣壓值以及溫濕度值皆如此。該系統(tǒng)采用處理器芯片內(nèi)置的逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器，配置為12位精度轉(zhuǎn)換方式，數(shù)據(jù)右對(duì)齊低字節(jié)對(duì)齊方式，采用單通道單次掃描，使用軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換。2.3注冊(cè)聯(lián)網(wǎng)由NB-IoT模組、NB-IoT基站、核心網(wǎng)和IoT平臺(tái)等組成的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。其中由運(yùn)營(yíng)商提供NB-IoT基站、核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備對(duì)云平臺(tái)的上報(bào)和下發(fā)接收信息的功能。NB-IoT模塊初始化時(shí)需進(jìn)行注冊(cè)入網(wǎng)。ms5611傳感器節(jié)點(diǎn)采集的氣壓，DH11傳感器采集的溫濕度，PMS5003傳感器采集PM2.5等四個(gè)數(shù)據(jù)需要按照用戶自定義的協(xié)議進(jìn)行編碼處理并用以AT命令將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IOT&BC26模組中，數(shù)據(jù)上行時(shí)模組采用HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝成http協(xié)議包后發(fā)送至ONENET平臺(tái)，IoT平臺(tái)再將接收到的http協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)下行時(shí),IoT平臺(tái)將下發(fā)數(shù)據(jù)以http協(xié)議包發(fā)送至NB-IoT模組[13]。皆以AT命令實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信過(guò)程中處理器和通信模組的信息交換本系統(tǒng)NB-IOT&BC26模塊。AT指令通過(guò)HTTP連接ONENET平臺(tái)發(fā)送溫濕度；氣壓；PM2.5等數(shù)據(jù)。超文本傳輸協(xié)議（HypertextTransferProtocol，HTTP）是互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種運(yùn)行在TCP之上的一個(gè)簡(jiǎn)單的請(qǐng)求-響應(yīng)協(xié)議，同時(shí)所有的www皆遵守這標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镠TTP是一個(gè)客戶端和服務(wù)器端請(qǐng)求和應(yīng)答的標(biāo)準(zhǔn)（TCP）是WWW的核心，HTTP可以在任何其他互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議上，或者在其他網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，NBIOT中的BC35、BC26、BC28等模組都支持HTTP協(xié)議，代碼來(lái)看都是先獲取數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)成字符串存儲(chǔ)到數(shù)組變量里面去。然后通過(guò)調(diào)用BC26的HTTP發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送出去。http與服務(wù)器建立連接只需要一次，不需要重復(fù)多次建立。