基于阿里云的低功耗无线数据采集系统设计

任志敏，张 良

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164）

0 引 言

日常生活中，从运动手环、智能手表、智能手机、平衡车、无人飞机、自动驾驶汽车……，到农业大棚、智慧工厂、馆藏库房[1]……，或多或少都涉及数据采集与处理，从中不难看出，数据采集的应用领域非常广泛。尤其在物联网、云计算、边缘计算等技术已经深入个人、家庭、社会生活的背景下，数据采集系统的重要性愈加凸显。

1 总体设计

本文设计的数据采集系统的应用场合为智慧工厂、馆藏库房、农业大棚等。这些场合的特点和需求包括：待监测的数据节点较多；数据采集节点不宜采用常规供电方案，如交流市电加适配器的供电方案只能采用电池供电，且需要保证电池长时间工作；节点数据通过无线方式传输[2]（通过网络发送至云平台，便于数据存储和回溯；在方便管理员工作的同时，利用移动端APP直接查看周边区域节点的数据，并能对出现的异常数据及时预警）；节点数据不仅包括温度、湿度、气压等常规参数，还需要监测节点本身在运行过程中是否掉落，是否翻转。该数据采集节点的特点是传感器输出数据量不大，但要求节点功耗更低，且可以短距离无线数据传输等。基于前文的需求分析，本文设计了如图1所示的系统总体结构方案。

图1 系统总体结构方案

每个节点的硬件组成包括低功耗MEMS传感器、温湿度传感器、加速度计传感器，外加支持低功耗蓝牙的微控制器。节点由3 V的纽扣电池供电，一颗电池的工作时间至少稳定在1年以上。在数据节点蓝牙传输范围内将树莓派作为蓝牙主机，按照需求周期性收集周围多个节点通过蓝牙广播发出的传感器数据，再通过WiFi或4G模组把数据发送至阿里云物联网平台。在管理员工作过程中，手机移动端充当蓝牙主机的角色，不仅可以直接在手机上显示周边节点的数据，还能够通过WiFi或4G网络把数据发送至阿里云物联网平台。用户通过阿里云物联网平台可以实时监测每一个节点的当前状态，管理员也可以通过手机实时查看节点数据，为提高管理效率提供参考。

2 硬件设计

2.1 数据节点微控制器选型

目前市面上支持蓝牙协议的微控制器主流生产商有挪威的Nordic公司，美国的德州仪器公司（TI），德国的戴乐格半导体公司（Dialog）和意大利的意法半导体公司（ST），每家公司都推出了多种型号的支持单模或双模的蓝牙芯片，经过比较研究，本文选择Nordic公司出品的nRF52832作为系统的核心控制器[3]。

nRF52832是Nordic公司推出的一款基于ARM Cortex-M4内核，支持低功耗蓝牙BLE、蓝牙Mesh和近场通信NFC的片上系统芯片SoC。在硬件配置上，其最突出的特点是采用先进的片上自适应电源管理系统，可实现极低的功耗，在不保留RAM的模式下功耗仅0.3 μA。无线传输性能指标方面，在低功耗蓝牙模式下支持1 Mb/s或2 Mb/s的传输速率。

2.2 温湿度气压传感器选型

基于本文的需求，环境数据主要包括温度、湿度和气压。目前市面上该类传感器种类繁多，尤其是温湿度传感器。文献[4]设计的多功能家居报警系统采用DS18B20温度传感器，DS18B20作为单总线结构的温度传感器，被广泛应用于锅炉测温、机房测温等领域，其最大的优势在于独特的单线接口方式，不足之处在于其功耗较大，且只能获取温度参数。SHT20是采用I2C协议的温湿度传感器，通常用于室内空气质量检测[5]，其尺寸和功耗优势突出，但是只能测量温度和湿度，不适合本课题。BME280是德国博世（BOSCH）出品的一款集测量温度、湿度、气压于一体的MEMS传感器，其采用极小化的LGA封装，尺寸为2.5 mm×2.5 mm×0.93 mm，具有SPI和I2C两种接口，能够更好地满足低功耗的需求，因此本文选择BME280传感器。

2.3 加速度计传感器选型

监测数据节点本身的姿势状态需要使用加速度计传感器。目前加速度计传感器已经被广泛应用于手机翻转、四轴飞行器、可穿戴设备、平衡车等领域，品种较多，常见的加速度计传感器有MPU6050、BMA400、LIS2DH12等[6]，经过研究比较，本课题选择意法半导体公司（ST）出品的LIS2DH12加速度计传感器，其低功耗特性符合本文要求。

LIS2DH12是由意法半导体公司出品的超低功耗、高性能三轴加速度计，属于MEMS传感器的一种。LIS2DH12支持1.71～3.6 V的宽电压电源供应，最低功耗可降至2 μA；支持配置可选的量程为±2g/±4g/±8g/±16g；支持I2C或SPI接口，可选数据输出速率为1 Hz～5.3 kHz；2个中断引脚可以监测唤醒、自由落体或其他位置移动等事件。

2.4 数据采集节点电路设计

结合nRF52832核心电路、温湿度传感器BME280和加速度计LIS2DH12，本课题设计的数据采集节点电路如图2所示。

图2 数据采集节点电路

LIS2DH12的内核电压和I/O引脚电压均由VDD提供，100 nF和10 μF去耦电容尽可能靠近第9引脚VDD。LIS2DH12支持I2C和SPI数据接口，本课题采用四线SPI接口，其中CS引脚连接nRF52832的P0.08脚，由程序拉低使能SPI模式，SDO/SAO引脚选用SDO功能作为从机SPI的输出引脚，SDA/SDI/SDO引脚选用SDI功能作为从机SPI的输入引脚，SCK/SPC选用SPC功能作为从机SPI的输入时钟，2个中断引脚分别连接不同的I/O作为LIS2DH12姿势变化中断产生接口。

3 软件设计

数据采集系统的软件设计包括：节点端nRF52832微控制器软件设计，Android端程序设计，树莓派端软件设计。

3.1 数据节点端nRF52832程序设计

nRF52832端程序主要涉及的设计任务有采集BME280的温度、湿度和气压值，以及LIS2DH12加速度计值，并响应加速度计因掉落、翻转产生的中断；采用蓝牙广播的方式间隔性发送传感器数值。nRF52832软件设计流程如图3所示。

图3 nRF52832软件设计流程

采集数据后，需要按照协议发送节点数据。节点广播数据包共24 B，见表1所列。

表1 节点广播数据包协议

设置蓝牙发射功率txpower，根据nRF52832的技术文档，蓝牙发射功率可分为9个等级[7]，依次是-40 dBm，-30 dBm，-20 dBm，-16 dBm，-12 dBm，-8 dBm，-4 dBm，0和4 dBm，发射功率设置值必须为以上9个值中的一个。理论上说，值越大，信号越强，传输距离也就越远，但是能耗也越大。本课题设置txpower为0，可以根据不同的应用场景调整该值，以实现传输距离更远与节省功耗的平衡。蓝牙发射功率值在协议中共占据5位，即可存放的范围为0～31，并非所有9个等级的数组可以存放到协议中，因此先对txpower加上40，然后除以2，保证所有值都落在0～31范围内。

3.2 Android端APP程序设计

移动端管理软件需要发现管理员周围的传感器节点，并添加节点，之后读取并显示环境数据、存储历史数据、设置告警阈值、将数据上传至阿里云物联网平台等。Android移动端程序设计功能结构如图4所示[8]。

图4 Android移动端程序设计功能结构

每个功能模块的具体作用如下：

（1）蓝牙节点与手机通信，打开手机端APP，设置是否允许扫描蓝牙广播设备，并设定以一定的时间间隔扫描蓝牙节点发出的广播数据。

（2）通过添加和删除蓝牙节点对蓝牙设备进行管理。

（3）显示蓝牙节点采集的环境数据，对于多个节点采用两种显示方式，如一屏列表显示多个节点数据或一屏显示一个节点数据，通过滑动屏幕显示多个节点数据；环境数据既可以以数字形式显示当前值，也可以显示历史值，还可以采用动态曲线显示数据变化。

（4）利用Android提供的SQLite数据库存储不同时间点获取的环境数据，便于日后查询或分析。

（5）设置温湿度、气压数据的告警阈值，一旦超出阈值范围，则通过振铃方式告知用户，同时显示告警提示。

（6）监测并显示蓝牙节点电池余量。

（7）显示三轴加速度计x，y，z方向的值，一旦加速度计有移动，程序及时提醒用户。

（8）获取的节点数据通过手机4G网络周期性发送至阿里云物联网平台。

Android端APP数据显示界面如图5所示。

图5 Android端APP数据显示界面

3.3 树莓派端软件设计

树莓派主机作为蓝牙广播的接收器，接收节点的蓝牙广播，并间断性向阿里云物联网平台发送数据。

在本文中，使用树莓派系统Raspbian的Shell提供的hciconfig操作蓝牙，主要步骤如下：

（1）通过sudo hciconfig hci0 up启动蓝牙树莓派设备，hci0指0号HCI设备，即树莓派的蓝牙适配器。

（2）通过命令sudo hciconfig hci0 reset复位蓝牙适配器。

（3）扫描蓝牙节点，命令为sudo hciconfig lescanduplicates。

（4）接收并获取蓝牙节点广播数据，命令为sudo hcidump-raw。

树莓派端程序内容主要由两部分组成，一是扫描获取附近所有蓝牙节点的广播，接收数据并解析；二是把解析后的数据发送至阿里云物联网平台。树莓派端程序流程如图6所示。

图6 树莓派端程序流程

4 结 语

本文源自实际应用需求，通过研究低功耗相关技术，确定并设计了总体方案，在此基础上设计了数据采集节点硬件系统，编程实现了软件系统，可把数据上传到阿里云物联网平台[9-10]。硬件实物如图7所示。

图7 硬件实物