基于CC3200和QT的低功耗无线监视系统设计

马艳梅,陈 猛

(淮南职业技术学院, 安徽 淮南 232001)

随着物联网技术的不断发展,无线传输技术在智慧矿山、智能仓储、智能交通等领域得到了广泛的应用。例如当前矿用皮带机沿线监视装置均为有线传输信号及供电,造成巷道内电缆数量多,管理困难,电缆铺设工程量大。结合矿井人员短缺情况,急需将有线信号传输装置升级为无线信号传输监视装置。本文以TI的CC3200微控制器为核心,实现了一款低功耗无线监视系统。该系统主要由基于CC3200的Wi-Fi数据采集传送装置、无线路由器、智能手机客户端和基于QT开发的APP组成,如图1所示。无线监视系统节点的能量消耗主要包括:处理器模块和 Wi-Fi 无线通信模块。系统的低功耗不仅取决于硬件,更重要的是合理的软件设计。本文通过对CC3200 微控制器以及Wi-Fi模块低功耗的合理使用并通过较好的软件结构设计,降低了系统的总体功耗。

图1 无线监视系统

1 硬件结构设计

MCU处理器的选择上由于CC3200自带Wi-Fi通信模块和片上系统,在实现无线监视终端与物联网云服务平台的信息交互功能上性能较好,而且功耗较低,本次设计以CC3200作为发送和接收的核心控制器。

1.1 CC3200无线监视系统的硬件总体结构设计

无线监视终端的主芯片采用CC3200微控制器,由电源模块、电压电流测试端口、ADC转换模块、Wi-Fi网络处理子系统、LED电路模块等部分组成,如图2所示。

图2 无线监视系统的硬件总体结构框图

1.2 主要硬件电路设计

硬件部分主要由3部分组成:电源电路、信号采集电路和指示灯显示电路。第一,电源电路。采用5V直流电源供电,通过波动开关来控制通电断电,通过电容元件进行隔离滤波,如图3所示。第二,信号采集电路。在主站和从站上分别布设8个开关按键作为IO口输入信号。自带上拉电阻,低电平闭合,高电平断开。音频模拟信号直接接到单片机的ADC输入接口,如图4所示。第三,指示灯显示电路。采用8路LED灯串联电阻作为对应数字信号显示线路。单片机输出低电平点亮,高电平熄灭,如图5所示。

图3 电源电路图

图4 信号采集电路图

图5 指示灯显示电路图

2 系统软件的设计

软件工作流程如下,系统初始化之后开定时器,启动CC3200无线模块连接无线路由AP。在主循环中设定定时器频率进行音频信号采集,判断定时器是否采集到700帧一组的数据,如果采集到,就进行UDP收发数据操作。具体功能包括,第一,数字量采集,普通GPIO采集。第二,音频信号采集。12位ADC+DMA采集,使用定时器,进行有效数据获取,同时控制采样频率。采样频率=1S/定时器中断时间。第三,数据传输。等待接收开启/关闭传输指令,更新传输地址和开启/关闭数据发送。检测有效数据是否够一帧,如果足够进行组包发送,然后清除有效数据区等待下次采集发送。数字量数据如果改变,立刻触发实时发送,未避免丢包,重复发送3～5次。软件流程图如图6所示。

3 系统功能测试

3.1 系统功能测试的目的

一是测试设备无线发送数字信号,另一设备可以正常接收并显示。二是测试设备无线发送模拟信号,手机端可以正常接收并显示。三是测试设备同时无线发送数字信号和模拟信号,另一设备可以正常接收并显示,手机端可以同步接收并显示。

3.2 系统功能测试的方法

模拟音频信号通过信号发生器产生,数字信号通过一组8位的开关量人为拨动产生。为方便观察数据发送延时时长,测试时终端间测试距离设定为5米,发送延时时长通过秒表测量。本系统加入功耗的测量,通过万用表测量供电电压、电流,进而计算出功耗,P=U*I。具体功能测试如下:功能设计1,APP接收显示节点采集的数字量信号。功能设计2,APP接收节点采集音频信号,实时显示信号波形。功能设计3,APP同时显示节点采集数字量和音频信号波形。功能设计4,APP切换采集节点,重复1、2、3项测试。 功能设计5,节点1数字量改变,节点2指示灯同步。节点2数字量改变,节点1指示灯同步。按照设计功能,测试结果见表1。

图6 软件工作流程图

表1 测试表

4 结语

以CC3200为控制核心,设计了一套低功耗无线监视系统。通过站点上采集模拟音频信号和开关数字信号的各项参数,借助CC3200片上WiFi模块和互联网安全协议实现自主组网功能,将采集到的数据通过无线传输方式传送到手机监视终端,实现通过WIFI实时传输数据。系统在整体结构上主要由电源模块、电压电流测试端口、ADC转换模块、Wi-Fi网络处理子系统、LED电路模块等部分组成,软件功能上主要实现了模拟音频信号和数字信号的采集、CC3200控制及信号传输功能、无线网组网以及手机APP功能。通过实验分析和功能测试,表明设计的系统具有低功耗、高带宽、实时性强等优点,是一款性能优良的无线监视系统。