基于STM32的温湿度采集系统设计与实现

2022-03-15王威澄

电子制作 2022年4期

王威澄

（武装警察部队特种警察学院，天津，102200）

0 引言

随着硬件水平和网络通信技术的快速发展，物联网[1]技术随着人们的需求孕育而生。满足了人们对贮运监测方式的要求，特别是对武器装备弹药等贵重、危险物品贮运环境的监测[2]。在枪械瞄准镜等高精度光学装备器材的全寿命周期内，温度、湿度、振动、冲击、磁场等因素对它有重要的影响。此外还要掌握装备器材的位置信息，不仅是为了上级方便调控物资，而且是装备器材在运输途中对安全的需要，同时也符合部队信息化水平建设提高的要求。

针对以上问题，本文设计了一种依托物联网的温湿度检测系统，能够在装备运输管理过程中，实现远程的状态全过程监测。

1 系统总体设计方案

系统整体的设计示意图如图1所示。

图1 系统设计示意图

每个单位仓库内和装备器材运输车上的装备都配备有温度监测终端，它会上报装备贮运环境的温湿度和地理位置信息到云平台，相关人员可以通过搭载有本系统电脑登陆Web应用实时掌握和管理所有导弹的动态信息。

2 硬件设计

系统的感知终端由温湿度传感器、GPS定位模块、NBIoT通信模组[3]和微控制器四部分组成，总体设计包括电源及充放电电路、核心控制电路、NB-IoT无线通信电路、传感器电路、USB转串口/串口烧录电路和一些外围电路设计。本文主要介绍四部分，分别是电源及充放电电路、核心控制电路、NB-IoT无线通信电路以及传感器电路。系统硬件电路整体设计示意图如图2所示。

图2 系统结构图

■2.1 温湿度传感器

温湿度测传感器选用SHT30，该芯片是瑞士的Sensirion公司生产的新型数字传感器，具有精度高、通信速度快、封装小、成本低等优点。而且采用了根据IP67的PTEE膜，具有良好的防尘防水能力，能够满足在恶劣的环境下使用的要求。在传感器通电的情况下，不进行测量或通信的时候，它就会自动进入空闲状态以降低功耗。为了确保通信的可靠性，发送和接收数据采用多位CRC校验。能够满足方案的需要，其主要性能参数如表1所示。

表1 SHT30性能参数

■2.2 GPS定位模块

GPS定位采用移远公司的一款集成贴片天线的超紧凑型GPS模块L80-R，具有极强的捕获和追踪能力。拥有66个捕获信道和22个追踪信道。内置LNA（低噪声放大器），提高了接收的灵敏性。通过先进的AGPS（EASY）轨道预测技术，使得它能够计算和预测长达三天的轨道信息，即使在室内信号弱的情况下也能实现快速定位。省电模式（AlwaysLocate技术）的应用，让模块具有极低的电流消耗。模块的主要性能如表2所示，十分适合实现对导弹贮运环境位置信息的定位。

图3 温湿度测量电路原理图

表2 L80-R性能参数

信号接收电路如图4所示，模块的供应电源电压范围为3.0~4.3V，因为BaseBand、RF、I/O、LNA单元的供电由VCC引脚提供，引脚上的电流的大小会随着工作状态变化而变化，所以对模块提供清澈充足的电流至关重要。利用宽电源走线和值为10μF、100nF的去耦电容组合放在VCC引脚旁来保证电流的稳定。另外考虑到在仓库内，设备是不动的，GPS功能的开启是没有必要的电源消耗，为了能对模块电源进行操作，增加了MOS管电路设计作为电子开关。而V_BCKP是模块RTC（RealTimeClock）的供电引脚，直接接电源线即可，这样可以加快模块关闭后的启动时间。

图4 GPS信号接收电路

■2.3 NB-IoT通信模组

无线通信模组同样使用的是移远公司生产的BC28，该模组芯片采用海思的Boudica150，是款超紧凑、低功耗、高性能，支持多频段的NB-IoT通信模组。专有安全核的设计和数字签名技术从硬件方面保证了终端设备的通信安全。本方案使用的中国电信的物联网卡，因为各运营商之间频段稍有区别，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封装，拥有58个引脚，供电电压范围3.1~4.2V。RESET引脚内部上拉，低电平时复位。因为模组后期可能会涉及到升级，考虑到升级失败问题，保留复位功能，将复位引脚接到微控制器的GPIO（通用输入输出）引脚上，采用软复位的方式。当模组收到云平台下发消息时会触发RI引脚输出低电平至少120ms，随后输出数据，输出数据的过程中引脚维持低电平。为了方便编程对数据进行处理，可以利用RI引脚这一个特性把它接到微控制器的外部中断接口上，每当进入中断时就可以对数据及时进行处理。电路部分原理图如图5所示。

图5 NB-IoT无线通信电路信号处理与射频天线部分

■2.4 主控芯片

主控芯片[4]使用STM32L431RCT6，该芯片采用了哈佛体系，是款32位的Cortex-M4低功耗系列的微控制器。具有意法半导体最佳的超低功耗架构和最低的电流波动，从而在高温下也能保证极低的功耗。有64个引脚，外设接口丰富等特点，满足系统的功能要求。该芯片作为硬件终端的控制中枢，负责与各模块的通信，接收和处理来自温湿度传感器、GPS定位模块的数据，并通过AT指令控制NB-IoT无线通信模组上报信息到物联网平台以及接收控制指令。另外还有根据云端的决策是否响起蜂鸣器等功能。

微控制器的封装类型为LQFP64封装，以外部高速8M晶体振荡器（HSE）为系统时钟源，而大部分外设时钟也是由此经锁相环（PLL）、分频和倍频处理后得来。晶体振荡器两端接在MCU的OSC_IN和OSC_OUT引脚上，在进行PCB排版时，为减少晶振输出波形的失真，晶振和两端的电容要尽可能靠近芯片，必要时要对其进行包地处理。

为减少电源噪声对芯片的干扰，在所有的VDD（电源）引脚和VSS（地）引脚上并联上100nF的电容。

微控制器的NRST（复位）引脚接低电平可以使硬件设备复位，正常工作情况下应该是高电平，由于芯片的此引脚内部已经上拉，所以悬空即可。微控制器stm32L431RCT6引脚功能和一些外围电路设计的原理图如图6所示。