基于STM32F103的智慧大棚无线温度传感器节点设计

郭 颖

（徐州工程学院，江苏 徐州 221018）

0 引 言

智慧大棚多处于乡村偏远地区，很难实现网络覆盖，且智慧大棚呈现散发多点的分布形式，也使其网络建设成为难点，如何利用单点互联网实现农业大棚温度检测成为智慧大棚急需解决的问题。同时随着智慧大棚的迁移，网络的迁移也是建设智慧大棚另一个需要解决的问题。基于此，智慧大棚在设计上都应考虑实现可移动、功耗低、覆盖范围广的系统。利用低功耗CC2530搭建无线传感网，其体积小、方便移动的特点恰好可以满足智慧大棚的需要，通过网关、PC端和移动终端建立联系，实现对大棚内温度的远程监测。论文设计的基于STM32F103的智慧大棚无线温度传感器节点具有低功耗、体积小、可移动等特点，同时搭建的无线传感网具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等优点，可以很好的解决智慧大棚中温度检测组网等问题[1-3]。

1 无线传感器网络节点的总体设计

1.1 系统硬件设计

1.1.1 网络总体结构

如图1所示，系统无线传感网实现原理是通过各温度设备节点采集数据，将数据汇集到协调器节点，由协调器节点将接收的数据进行处理后，通过互联网上传至PC端或移动终端，用户利用PC端或移动终端对智慧大棚实现远程温度监测，其中协调器节点和各设备温度节点通过星型结构连接，此结构控制简单、故障诊断容易，同时未来增加新的节点时也较为方便，很适合智慧大棚扩展数据采集节点使用。整个网络具有功耗低、控制简单、故障诊断容易、方便扩展等优点。

图1 系统总体结构

1.1.2 系统整体结构设计

如图2所示，系统整体结构包括主控模块、数据采集模块、无线通信模块、WiFi模块和电源模块，其中，主控模块包含微控制器、存储器，微控制器使用STM32F103。数据采集模块包含传感器和CC2530，传感器使用DS18B20采集温度数据。无线通信模块以CC2530为主，电源模块则是为各模块供电。系统工作原理：DS18B20将采集的温度数据通过CC2530和主控模块连接的CC2530进行数据交互，主控模块连接的CC2530将数据通过端口传输至主控模块，主控模块处理完数据后，通过WiFi模块将处理好的数据传输至PC端和移动终端[4-7]。

图2 系统硬件设计

1.1.3 主控模块

主控模块以STM32F103为核心，该芯片是32位ARM Cortex-M3微处理器，拥有32位高性能内核，能够满足智慧大棚中多组数据的处理要求。STM32F103内嵌的无线射频模块以及通用I/O接口可以保证其实现有线和无线数据交互，同时其内部嵌入的A/D转换器使整个系统无需再增加额外A/D转换模块，在缩小硬件面积的同时也降低了硬件的成本。内部嵌入式实时操作系统μCOSⅡ的移植也可以实现其界面化设计，方便用户控制。同时，其低成本、低功耗、性能佳等特点也使得其成为智慧大棚主控芯片的不二选择。STM32F103原理如图3所示。

图3 STM32F103原理

1.1.4 数据采集模块

数据采集模块选用DS18B20芯片，相对其他温度传感器，DS18B20的精度更高，能够保证采集温度的精准性，其抗干扰性强的特点，能够保证其采集温度数据的稳定性。同时，DS18B20接线相对方便、整体体积较小且成本较低，使得其在智慧大棚温度监测中得到了广泛应用[8-10]。DS18B20原理如图4所示。

图4 DS18B20原理

1.1.5 无线通信模块

无线通信模块以CC2530为核心，该芯片具有的高精度和高抗干扰性是选择它作为主要无线通信模块的原因之一。同时，CC2530具有的内电路可编程非易失性程序存储器，使其具备程序处理能力，可以大大提升温度监测系统的工作效率，分担主控芯片的压力[11-13]。CC2530原理如图5所示。

图5 CC2530原理

2 软件设计

2.1 系统总体设计

如图6所示，系统初始化后，协调器开始建立网络，同时设备节点键入协调器建立的网络，判断网络是否正常，如果不正常则重新由协调器建立网络；如果正常，协调器开始存储各节点的网络地址。同时，判断是否有温度数据采集，如果无温度数据采集，则重新判断网络是否正常，如果数据采集正常，协调器开始采集数据、处理数据，并且将数据传输至主控芯片STM32F103，STM32F103处理后通过WiFi模块上传PC端[14-15]。

图6 系统软件总体结构

2.2 传感器节点的软件结构

CC2530通过ZigBee协议栈完成组网，组成见表1所列，包括应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层。其中数据链路层包含LLC和MAC。轮询、中断、任务（操作系统）是ZigBee协议栈处理事件的主要方式。在ZigBee协议栈中，tasksEvents是一个任务是否存在的标志，当需要添加任务时通过调用函数osal_set_event（）在tasksEvents中添加相应掩码，当任务处理完毕时直接把相应的掩码清零即可。而任务切换则必须等到前一个任务处理完毕，并且无优先级更高的任务时才被处理。而优先级是由数组tasksArr[]的成员顺序决定的[16]。

表1 ZigBee协议栈组成

3 系统测试

见表2所列，在模拟智慧大棚的测试中，使被测试系统的通信信道一致，同时保证数据包的首发容量一致，测试节点均采用电池供电。测试结果表明，无论是室内还是室外，接收灵敏度和通信距离成正比，通信距离低于70 m时，几乎不会丢包，而传统的智慧大棚长度基本小于70 m，因此系统可以满足智慧大棚温度监测传输功能的实现[17]。

表2 系统测试结果

4 结 语

结合智慧大棚的使用场景，设计了基于STM32F103的智慧大棚无线温度传感器节点的软硬件部分，系统以STM32F103为核心，包括主控模块、数据采集模块、无线传感器模块以及电源模块。其实现原理是通过DS18B20采集数据，利用CC2530搭设的无线传感网络将数据传输至STM32F103进行处理，同时将数据传送至PC端或者移动终端设备，方便用户实现远程控制。实验结果表明，该系统在处理功耗、通信质量方面均优于传统系统。