基于WIA—PA的无线手持机设计

周长学 袁赫

摘要：手持机为便携式数据接收处理终端，该手持机可以通过无线/有线（WIA-PA/USB）进行数据通信，用于实现数据实时显示，数据阈值设定、超限报警、数据的存储等功能。

关键词：手持机，STM32，WIA-PA

通常数据采集器采集到的数据进行本地显示或者发送到云端进行显示，但是该种方式对于通常只有简单的几个环境要素和较低采集频率情况下每一个节点都配一个液晶或者添加网络模块会产生巨大的成本。所以采用手持机无线通信方式可以一对多，一个手持機采集多个环境模块数据进行显示则有效的降低成本，提高设备的利用率。

1.系统原理

该系统采用无线通信通信或者有线两种通信方式，支持键盘设置、液晶显示。采用大容量可更换电池，便于携带运输，可以一对多对所有的采集器进行一对一连接进行数据采集和数据显示和阈值设定。

2.系统组成

系统采用STM32为主控芯片，采用WIP-PA为无线通信模块，TUSB3410为有线通信方式支持USB通信。液晶采用3.2寸TFT显示器。并采用时钟芯片，存储芯片等模块。

2.1 STM32主控芯片

Stm32是一款性价比超高的系列单片机，功能极其强大。其基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核，同时具有一流的外设：1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等

2.2 WIA-PA无线通信模块

我国自主的工业无线技术标准WIA-PA实现无线传输，具有复合结构的先进工业无线网络，动态网络的管理效率提高80%以上，网络规模达到1000点;具有射频环境认知能力的多级自适应跳频机制，是国际上工业无线网络独有的智能跳频技术，根据信道干扰状态，自适应切换，同频干扰环境下通信可靠性99%以上;在多跳无线自组网中时空频联合调度的实时通信技术，时延指标达到国际先进水平;多源随机选择和周期自适应的时间同步方法，功耗指标达到国际先进水平;支持中国自主安全加密技术，安全性高

2.3原理图

2.3.1 STM32部分原理图

手持器选择超低功耗STM32L151RET6微控制器芯片。该芯片采用高性能ARMR CortexR-M3 RISC内核的高性能超低功耗32位MCU，工作频率32MHz，集成了USB连接电源、存储器保护单元、高速嵌入存储器（512KB闪存和80KB RAM），还有连接到两个APB总线的增强I/O和外设。

2.3.2WIA-PA部分原理图

无线通信选择WIA-PA模块，用于手持机采集模块无线通信。WIA-PA通信模块采用符合IEEE 802.15.4标准的无线射频芯片和超低功耗32位微控制器，并且使用集成了PA、LNA、RF Switch的射频前端，进一步提高了发射功率和接收灵敏度。链路预算达到121dB，在室外可视通信距离能达到1.6Km以上。由于采用了先进功耗管理技术，在WIA-PA网络中工作的最小电流仅为30uA。

其主要性能如下：

· 符合WIA-PA协议，物理层基于IEEE 802.15.4;

· 封装小，超低功耗设计，休眠电流小于8uA;

· 提供256kB扩展数据存储空间，重要数据存储10年;

· 引脚功能灵活配置，支持3路UART，2路SPI，15路GPIO;

· 支持MMCX，UCL天线连接端口;

· 兼容主流ZigBee模块接口，快速满足高可靠通信需求。

WIA-PA在信息安全方面也具有优势，主要表现在：

（1）秘钥管理，分发秘钥主要是通过网关设备进行，分发的秘钥是经过加密的。加密方法为对称加密算法和散列算法相结合的方式。更新秘钥：网关设备设备按照一个月为周期重新构造新的秘钥;

（2）入网安全设计，关键是有效识别设备的网络身份合法性。先将路由设备或现场设备初始化，获得设备的64位长地址，手持设备接收长地址，转发给安全管理者;安全管理者接收到长地址后，获得相应的秘钥A，并将秘钥A用P来保护，然后将P以及秘钥A发送给手持设备，手持设备将P以及秘钥A转发给路由设备或者现场设备;路由设备或者现场设备向网络管理者发送用秘钥A保护的安全加入请求S，网络管理者将安全加入请求以及秘钥A发送给管理者;安全管理者将接受的信息进行安全认证，然后将认证结果发送给网络管理者，并由网络管理者将认证结果经秘钥A保护后回复给路由设备或者现场设备;

（3）数据流安全传输设计，主要是对应用层以及数据链路层的数据进行加密。

2.3.3按键部分部分原理图

它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能，并可提供10种数字和21种字母的译码显示功能，用户可以直接向显示缓存写入显示数据，而且无需外接元件即可直接驱动数码管，还可扩展驱动电压和电流。ZLG7290B的电路简单，使用也很方便。

3.软件设计

软件设计采用stm32官方库函数，界面设计采用STemWin，可以实时显示数据，图表的形式显示历史数据，报警阈值的设定等功能。

4.结语

此款手持机的主要设计是用来搭配环境采集装置进行随身携带，实时读取环境参数数据，并且分析数据等。数据的设定等功能。可以一对多连接。支持有线和无线两种通信方式。采用可更换电池，支持多种充电方式。

作者简介：周长学，毕业于沈阳农业大学，电子信息工程专业，现就职于沈阳飞越通信有限公司，研究方向为电子设计;袁赫，毕业于渤海大学，自动化专业，现就职于奥维通信股份有限公司，研究方向电子设计。

参考文献：

[1]STM32 DataSheet

[2]刘军.例说STM32[M ] 北京航空航天大学出版社

[3]刘火良/杨森.STM32库开发实战指南[M ] 机械工业出版社