【《某气象信息采集系统的硬件和软件设计案例》5000字】

1111某气象信息采集系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u6426某气象信息采集系统的硬件和软件设计案例 1198001系统硬件设计与实现方案 1159041.1主控模块基本电路 2105491.2NB-IOT模块电路 3158351.3本地显示模块电路 550301.4温湿度测量电路 5222071.5PM2.5传感器模块PMS5003 62422软件系统设计与实现 1094882.1软件主流程 1064012.2硬件初始化：GPIO口初始化 117702.3注册联网 12326322.4AT指令简介 13304242.5云平台部署 131系统硬件设计与实现方案健全的硬件系统是整个系统必不可少的骨架，通过硬件与硬件之间的连接与配合为软件的运行提供一个框架。本系统硬件设计主体框架主要包括控芯片模块，传感器数据采集模块以及NB-IOT通信模块和显示模块，各传感器模块电路采集并输出模拟信号，通过主控芯片的ADC接口进行转换，然后输出数字信号，通过UART接口发送给BC26模块。数据封装后通过天线发送到窄带物联网网络，通过LED屏幕显示给用户.什么时候完成什么事，这些工作都是由硬件去完成。整个系统的硬件结构框图如3-1所示：3-1系统硬件结构框图1.1主控模块基本电路系统采用基于ARMCortex-M内核STM32系列的32位的微控制器STM32F103C8T6作为主控模块的处理器,该芯片的工作频率为72MHZ。芯片内部有64kb的FLASH,包含ADC、定时器、看门狗定时器等,同时提供了3个USART接口以及2个SPI,多个GPIO口。主控芯片是整个网络的协调器,作为采集数据处理中心电源模块供电用Vcc=1.3V供电，可以通过AMS-1117来转换3-2AMS117稳压芯片电路图二.CPU模块3-3STM32主控芯片电路图调试接口：在系统的开发进程中需对程序性开发和仿真调试，其中对程序开发的过程中，需要下载bin/hex文件，可采用SWD或者JTAG的方式，在高速模式下SWD下载模式比JTAG下载模式更稳定，而且在下载数据量过大时JTAG会出现下载程序失败的情况，与JTAG模式相比SWD模式只需4引脚调试接口大大减少，结构较为简单，实际开发中一般都采用SWD方式。其中的时钟线CLK是用于Jink和芯片的时钟同步，通常情况时钟频率选择为4MHz，但可根据实际情况调整时钟频率。3-4主控芯片调试接口电路图四．复位模块系统复位分为软件复位，看门狗计数终止复位以及硬件按键复位三种。硬件按键复位将STM32芯片NRST引脚置为低电平时复位。因为电容的电压不会突变，所以可采用电容滤波，即有电路中电容C1的作用是消除按键刚刚接触/松开时的电平抖动引发误动作（防止主控芯片因I/O口电平抖动而执行多次复位)。3-5STM32复位模块电路图1.2NB-IOT模块电路目前，NB-IoT芯片厂商主要有高通（Qualcomm）、锐迪科（RDA）、英特尔（Intel）、华为海思和三星联发科等。此系统测试选择了中国上海电信移远电子公司产的bc26模组。该电信模组在其实际工作运行时间和使用频段上分别支持国内最大的无线电信网络运营商中的FDD电信制式等。这个模块最大的优点就是在于全网通功能。不管移动，联通，电信NB卡都通通适用。开启电压为2.1~1.6V左右通常为1.3V，可达23±2dB的发射功率，在PSM模式下，电流低至5μA。该通讯模块通常可以同时提供一个波特率为9600bps的串口，用于AT命令通讯和数据传输，网络通讯模块支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/协议3-6NB&BC26芯片引脚图串口对外接口3-7串口电路图BC26串口电平为1.8V电平而STM32的串口电压为5V/1.3V无法直接跟外部STM32单片机进行通讯，即需要加入双串口电平转换电路将BC26串口信号转换为外部单片机可识别的信号并同时将单片机信号转换为BC26可识别的1.8v。因BC26供电参考电压为1.3V以及STM32串口芯片即有采用TI公司的TXS0108EPWR双向电平转换芯片实现1.8V与1.3V之间的信号匹配。TXS0108EPWR为8位非反向转换器使用两个独立的可配置电源，其8位非反向转换器可实现1.2V、1.8V、2.5V、1.3V和5V电压节点之间的任意低压双向转换，TXS0108EPWR具有A与B两个输入电源引脚端口，其中A端口接受VCCA引脚的电源电压控制。VCCA引脚承压范围为1.2V到1.6V的任意电源电压。B端口跟踪VCCB引脚的输入电源控制。VCCB引脚承压范围为1.65V到5.5V范围内的任意电源电压。1.3本地显示模块电路3-3-8OLED接口电路图使用LED屏用于本地显示传感器采集数据，如温湿度传感器数据，PM2.5传感器采集数据以及MS5611C气压传感器采集数据。1.4温湿度测量电路DHT11数字温湿度传感器是一种已经把数字信号进行校准内部将一个电阻式感湿传感器以及一个NTC测温元件集成于一体的复合型传感器。应用了专用温湿度采集技术和数字模块采集技术的DHT11得以确保了产品具有长期运行的稳定性和超高的稳定性。传感器内的NTC测温元件以及感湿元件与一个高性能的8位单片机相连，所以该产品具有响应快、性价比高、功耗极低、很好的抗干扰能力等特点。所有的DHT11传感器均已在高精度的实验产所进行校准完成。校准系数存储在OTP内存中且以程序的形式。超小的体积以及超低的功耗并且高达20m以上的传输距离，使得它可以被引用在任何苛刻的场合或者环境。温湿度测量电路如图3-9温湿度模块接口电路图1.5PM2.5传感器模块PMS50031.5.1工作原理系统PM2.5采集模块采用PMS5003数字式颗粒物浓度传感器，该传感器基于激光散射原理，基于在某一特定角度收集空气中悬浮颗粒物的激光散射光，采集到散射光强跟随时间的曲线，微处理器利用基于米氏（MIE）理论的算法，计算得出单位体积空气中颗粒物的等效粒径及单位体积内颗粒物浓度。从监测颗粒范围为0.3微米~10微米，传感器各功能部分框图如图3-10PMS5003工作原理图1.5.2，输出结果PMS5003传感器主要输出结果为单位体积空气内各浓度的颗粒物质量和个数，其中颗粒物个数以0.1升为单位体积计算，质量浓度单位为：微克/立方米。PMS5003具有主动输出和被动输出两种输出状态。传感器上电后默认工作状态为主动输出，主动输出模式为PMS5003传感器主动向管理系统的控制用户发送一个串行控制信号,时间持动间隔持续范围一般为200~800ms，空气环境中的悬浮颗粒物和氧含量浓度越高,时间持续间隔也就会变得越小。主动信号输入又一般可以分别划分为平稳输入模型和快捷输入模式两种。在被测空气中各个惰性颗粒物的测量浓度发生变化较小时,传感器将其数据输出转换成平稳更新模型,即每三次更新输出相同的一组浓度测量差据数值,实际每组测量差值数据的每次更新持续周期大约为2s。例如,当吸入空气或水中的惰性颗粒物吸入浓度发生变化很大时,传感器将其中的输出浓度信号自动准确地重新切换到快速更新模式,每次更新输出信号都会自动显示一个新的浓度值,实际上该数据浓度更新的时间周期范围可以简单确定大约为200~800ms。1.接口电路图3-11PMS5003模块接口图3-12PMS5003典型连接图1.6MS5611气压模块MS5611-01BA气压传感器是一款具有SPI和I²C总线双接口的具有极高采集精确度，具有分辨率高达10cm的由MEAS研发推出的新一代气压传感器。由一个高线性度的压力传感器和一个具有工厂校准系数超低功耗的24位Σ模数转换器组成传感器模块，其可提供SPI以及I2C两种不同的操作模式还可在复杂环境条件下采集气压值并将其ADC转化输出精确的24位数字值，并优化了电流损耗实现了超低功耗下的高转换速度。MS5611具备在无需其他传感器辅助的情况下实现高分辨率精确的温度输出使其可以在复杂的情况下实现高度计/温度计功能，而且其可拓展性强可以与几乎任何微控制器连接，内置振荡器无需外接元件通信协议简单，不需要对设备内部寄存器编程。MS5611压力传感器具有体积小集成性高，可移植性好的优点，尺寸仅有5.0毫米×1.0毫米×1.0毫米，可很方便的集成在智能穿戴设备上应用。得益于MEAS多年成熟的设计及规模性制造经验并且采用先进的MEMS技术确保了该传感器具备极低的压力信号之后性能的同时还确保了高稳定性。3-12MS5611应用电路图1.7NBIOT天线接口模块电路的天线接口采用适用于普通的2G天线的SMA接口方式，即可以为模块配备2G天线使用，接入天线接口即可使用。RF天线端口的适配阻抗为50Ω。图3-13天线接口电路图对于天线接口的外围电路设计，天线匹配网络需要注意后级输入阻抗与前级输出阻抗共轭，匹配网络分为L型，T型，Π型三种为了能够更好地调节射频性能，采用预留π型匹配电路，π型匹配电路元件根据电路实际情况选贴，且匹配电路元件。其参考电路图如图3-15，在默认情况下，电容C1，C2无需选贴，只在R1选贴0欧姆电阻方便PCB调试方便以及兼容设计。3-15射频天线参考电路图1.8电源模块电源模块采AMS1117正向低压降稳压芯片。AMS1117在1A电流下压降为1.2V。AMS1117具有固定输出和可调节输出两个版本，其中有其固定输出电压为1％的精度有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、1.0V、1.3V、5.0V等七个固定输出版本；固定输出电压为1.2V精度为2%的固定输出版本。AMS1117内部集成低漏失电压，限流功能，过热切断等功能，在掌上电脑与笔记本电脑，移动电话以及充电或供电系统上有着广泛的应用因STM32主控模块工作电压为5v,设计采用1.3V输出即ASM1117-5.0芯片,NB-IOT&BC26模块电源输入电压范围为2.1V~1.63V，即有采用ASM1117-1.3芯片，其应用电路图为。3-14AMS117稳压芯片应用电路图2软件系统设计与实现系统的软件设计主要可以划分为三个组成部分分别为板载装置的软件设计、ONENET云平台部署以及OLED显示2.1软件主流程气象采集系统接通电源后，整个系统会在程序的指挥下对主控模块和所有外围器件的初始化，主要是针对I/O口、LED液晶显示屏、复位电路、时钟电路等的初始化。前面的步骤完成后，温湿度；气压；PM2.5浓度等的状况将依次在LED显示屏显示出来，数据然后经过封装后由天线发送到NB-IoT网络。硬件模块的系统软件设计主要是完成硬件的初始化，注册后接入相应的运营商网络，并定期收集和上报气压，PM2.5以及温湿度等信息，为了直观显示采集数据添加了个LED模块用于显示采集的气象数据。以下本文对以上提到的程序进行介绍。软件设计主流程图如图4-1所示4-1软件流程图2.2硬件初始化：GPIO口初始化本次系统中使用到芯片的多个GPIO口用以驱动系统灯、LED显示以及接收传感器采集的模拟信号输入等。系统应用GPIO口需要对其进行GPIO初始化配置为选用端口与引脚，选择GPIO口输入/输出模式以及输出速率，配置上拉/下拉电阻等。其次串口初始化。该气象采集系统主要采用两个串口分别用于程序调试输出以及另一个作为主控芯片与BC26模组通讯使用。串口配置时需配置为9600bps的波特率，选择是否无硬件数据流控制，选择八位数据格式，停止位选择1位，数据无奇偶校验位。第三，ADC初始化。例如PM2.5传感器PMS5003将采集的空气颗粒物数据即浓度输出为一个0～5V的模拟信号，系统将其模拟值转换解析成与之对应的数字信号后，上报至ONENET平台其采集的气压值以及温湿度值皆如此。该系统采用处理器芯片内置的逐次逼近型ADC转换器，配置为12位精度转换方式，数据右对齐低字节对齐方式，采用单通道单次扫描，使用软件触发转换。2.3注册联网由NB-IoT模组、NB-IoT基站、核心网和IoT平台等组成的NB-IoT网络。其中由运营商提供NB-IoT基站、核心网实现了终端设备对云平台的上报和下发接收信息的功能。NB-IoT模块初始化时需进行注册入网。ms5611传感器节点采集的气压，DH11传感器采集的温湿度，PMS5003传感器采集PM2.5等四个数据需要按照用户自定义的协议进行编码处理并用以AT命令将数据发送至NB-IOT&BC26模组中，数据上行时模组采用HTTP协议将数据封装成http协议包后发送至ONENET平台，IoT平台再将接收到的http协议数据包进行解析和数据存储,数据下行时,IoT平台将下发数据以http协议包发送至NB-IoT模组[13]。皆以AT命令实现整个通信过程中处理器和通信模组的信息交换本系统NB-IOT&BC26模块。AT指令通过HTTP连接ONENET平台发送温湿度；气压；PM2.5等数据。超文本传输协议（HypertextTransferProtocol，HTTP）是互联网中应用最为广泛的一种运行在TCP之上的一个简单的请求-响应协议，同时所有的www皆遵守这标准。因为HTTP是一个客户端和服务器端请求和应答的标准（TCP）是WWW的核心，HTTP可以在任何其他互联网协议上，或者在其他网络上实现，NBIOT中的BC35、BC26、BC28等模组都支持HTTP协议，代码来看都是先获取数据，然后转成字符串存储到数组变量里面去。然后通过调用BC26的HTTP发送函数将数据远程发送出去。http与服务器建立连接只需要一次，不需要重复多次建立。