基于STM32的校园能耗数据采集系统设计

第３２卷第２期　吉林建筑大学学报　Ｖｏ１．３２　ＮＯ．２　２０１５年４月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｐｒ．２０１５　基于ＳＴＭ３２的校园能耗数据采集系统设计水　王晓丽　于　跃　姜　川　（吉林建筑大学电气与电子信息学院，长春１３０１１８）　摘要：在短距离的数据采集过程中，有时会出现一些问题，如重复工作、电缆连接复杂、要求实时数据处理等，因此　本文基于ＳＴＭ３２设计了测量温湿度的短距离校园能耗数据采集系统．该系统采用Ｃｏｄｅｘ—Ｍ３核心ＡＲＭ处理器和　蓝牙串口模块，实现无线数据的传输，最终在上位机显示接收到的数据．调试结果表明，传输速率小于ｌ１９　２００ｂｐｓ　时，能够保证稳定可靠的数据传输，通过该系统分析能耗数据，监测学校能耗使用情况，从而克服上述问题，有效的　控制校园内部的能源消耗．　关键词：ＳＴＭ３２；虚拟仪器；Ｌａｂｖｉｅｗ；无线通信；蓝牙串口　中图分类号：ＴＰ　２７４＋．２　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—８９１９（２０１５）０２—００６９—０４　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｄａｔａ　ｉｎ　Ｃａｍｐｕｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉ，ＹＵ　ｒｕｅ，ＪＩＡＮＧ　Ｃｈｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ　１３０１　１８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｓｈｏｒｔ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ　ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅｐｅａｔｅｄ　ｗｏｒｋ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｃａｂｌｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ＳＯ　ｗｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｃａｍｐｕｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ　３２．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ＡＲＭ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ｍｏｄｕｌｅ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｉｎ　ＰＣ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｄａｔａ．Ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｒｅｓｕｈｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１　１　９２００　ＢＰＳ，ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｔａ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｄａｔａ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｃｈｏｏｌ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｍｐｕｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｌａｂｖｉｅｗ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｐｏｒｔ　０　引言　随着通信技术不断的发展，无线通信已经应用在生活的各个方面．常用的无线通信技术包括蓝牙、　ＷＳＮ，ｗｉｉ，无线个域网、红外线、ＧＳＭ等…．但在数据采集过程中仍然存在很多问题，如重复的人工工作、复　ｆ杂的线缆连接、实时的数据处理和电磁干扰等．考虑到不同技术的数据传输的成本、安全及可靠性等因素，蓝　牙通信和无线传感器网络是短距离线通信和数据传输的最合适的方法，而且，蓝牙技术能解决如上提出的问　题．　本文设计的系统使用了蓝牙通信技术进行无线的数据传输，使用了多个传感器来接收数据，同时使用虚　拟仪器软件监控和处理所有节点的数据．本系统的优点是多通道数据采集，以及采用了基于短程无线数据采　集运行速度较快的软件．　收稿日期：２０１４—０７—１９．　作者简介：王晓丽（１９６２～），女，吉林省长春市人，教授．　基金项目：吉林省科技支撑计划重点项目（２０１３０２０６０８４ＳＦ）　７０　吉林建筑大学学报　第３２卷　１　无线数据采集系统的原理　无线数据采集系统包含两个部分：数据采集部分和主机数据处　理部分．传感器电路的数据采集部分主要负责接收外部信号，通过　放大器电路可以放大这些不断变化的信号．可以使用微处理器　ＳＴＭ３２外围的ｌ２位高分辨率ＡＤＣ把放大的模拟信号转换成数字　信号，根据Ｐｃ软件的要求，被转换的数据能被采集到，从而进行实　时传输，或者储存进闪存，等待主机的读取．无线采集系统还能提供　Ｉ２Ｃ串行总线接口，该接口主要用于连接总线传感器．经过ＳＴＭ３２　的内部倍频后，外部８Ｍ晶振的频率可达到７２Ｍ．数据采集系统的　电源为３．３Ｖ电源．Ｐｃ具有主要负责接收所有从下位机发送数据　的蓝牙串口接收器模块．ＵＳＢ电路负责ＵＳＢ与Ｐｃ串口之间的通　信　Ｊ．无线数据采集系统的框图如图１所示．　２无线数据采集系统的硬件设计　图１无线数据采集系统的框图　本文使用ＳＴＭ３２微处理器作为主控芯片，该处理器芯片具有　１４４个引脚．该处理器具有一个ＦＳＭＣ控制器，该控制器的数据线和位址线是分开的．ＦＭＳＣ控制器可以轻松　完成读取和写入ＮＡＮＤ闪存操作．为了长时间存储ＡＤＣ转换后的大量数据，数据采集模块将通过一个外部　１２８ＭＢ　ＮＡＮＤ闪存存储数据．ＳＴＭ３２有一个１６通道１２位分辨率ＡＤＣ转换器，其最高转换时间约为１．１７ｕｓ．　主控制器具有５个用于串行通信的ＵＳＡＲＴ异步串行端口．蓝牙串行模块是ＣＳＲ的蓝牙控制芯片——　ＢｌｕｅＣｏｒｅ４一Ｅｘｔｅｒｎａｌ，其标准是蓝牙２．０协议，而且具有紧凑的尺寸、高效的天线和简单易懂的串口．还可以　配合蓝牙适配器和蓝牙手机或配置成主从模式使用．根据实际需要，我们可以选择适合的传感器或具有Ｉ２Ｃ　串行接口的传感器作为传感器电路和单放大电路　Ｊ．在测试期间，选择的温湿度传感器是ＳＨＴ１０，其成本　低、反应快、质量好、抗干扰性强．工作电压为２．４—５．５Ｖ．　２．１　主控制器ＭＵＣ，ＮＡＮＤ闪存和蓝牙串行模块的连接图　主控制器使用三星的Ｋ９Ｆ１Ｇ０８　闪存，并与ＮＡＮＤ闪存相连．蓝牙串行模块已经固化了与外部环境连接的接口，所以我们能简单的将模块和　主控制器ＳＴＭ３２的串口连接起来．主控制器的接口、串行模块、ＦＳＭＣ控制及ＮＡＮＤ闪存如图２所示．　Ｉ／０［０　７］　ＦＳＭＣ—Ｄ［Ｏ　７］ＦＳＭＣ　Ｄ［０　７］Ｒ　Ｅ　ＰＡ９／ＴＸ　ＰＡ１０／ＲＸ　Ｖ３．３　ＧＮＤ　ＲＸ　ＴＸ　Ｖ３３　ＧＮＤ　ＦＳＭＣ　Ｄ［０．７］　ＦＳＭＣＮＣＥ２　图２　ＭＵＣ，ＮＡＮＤ闪存和蓝牙串行模块的连接　蓝牙串行模块是无线通信系统核心部分，在整个无线数据通信系统中起到至关重要的作用．我们在蓝牙　模块中使用ＣＳＲ的ＢｌｕｅＣｏｒｅ４一Ｅｘｔｅｒｎａｌ芯片．该芯片提供了ＵＳＢ，ＵＡＲＴ，ＳＰＩ和外部闪存的接口．在硬件设　计中，这是为蓝牙和主控制电路进行的模块设计．主控制电路可以通过串口与蓝牙芯片通信．　２．２　ＵＳＢ串口模块　在整个无线通信系统中，有一个蓝牙模块与Ｐｃ机连接作为主机节点．从属蓝牙节点可以得到传感器电　路通过串口采集到的数据，然后通过蓝牙主机将信息传送出去．蓝牙节点将从从属设备上接收信息，并将其　转换成串口信息．为了实现Ｐｃ串口与蓝牙串口之间的通信，我们进行了一个转换．共同电路是ＭＡＸ２３２变　第２期　王晓丽，于跃，姜川：基于ＳＴＭ３２的校园能耗数据采集系统设计　７１　换器．无论如何，在本次设计中，我们使用了ＰＬ２３０３芯片，它可以通过ＵＳＢ接口实现ＰＣ串口与蓝牙串口之　间的通信．该方法也可以为蓝牙主机节点提供电源．正如图中ＰＩ２３０３接口的结构所示，我们只需要连接ＵＳＢ　数据线缆和ＰＬ２３０３Ｄ．整个模块电路如图３所示．　本文设计了两个电源，分别是ＵＳＢ接口电源和ＡＣ／ＤＣ适配器电源．如图４所示，这两个电源都将采用　调整电路．调整器芯片ＡＳＭ１１７可以将电源从５Ｖ转换为３．３Ｖ．４个电容器就可以实现电源电压信号的过　滤．　ＧＮＤ　ｌ　ＴＸＤ　一　叫　１Ｄ　Ｉ　Ｉ８　。ｌ１ｏｌｌ　。　。　ｌ　Ｒ侣Ｎ　ＲＤＸ　ＧＮＤ　ＮＣ　ＮＣ　ＮＣ　ＮＣ　ＮＣ　ＮＣ　Ｄ１’ＲＮ　ＶＤＤ３２２　ＲＩ－Ｎ　ＶＤＤ　）　。　。。　。ＩＰＵ　．ＬＤ。。。　。　盯　。。ｊ　。　０ＳＣ２　ＰＵ　ＴＥＳＴ　ＶＤＤ　ＰＵ　ＴＲＵＭＯＤＥ　ＶＤＤ　ＧＮＤ　３Ｖ３　ＤＭ　ＤＰ　１　。　ｌ　曰　２０Ｉ１９ｌＩ８　１７　刷　１　ｌ　Ｌ　Ｒ２Ｏ　上４５Ｋ　３Ｖ　３　０　３　Ｏ　Ｖ　：Ｃ２Ｖ　３　３　３　＋２２ｐＦ　ｌ　Ｃ　Ｃ　Ｃ　：ｌ２　０Ｄ．１　ＤｕＦ　　■　图３　ＵＳＢ串口模块连接　２２０ｕＦ　Ｃａｐ　Ｐｏｌｌ　Ｃ２１　Ｃ　０．１　图４电源　３　软件设计　无线数据采集软件包括两个部分．第一部分是包括硬件在内的驱动，主要有数字传感器驱动、ＳＴＭ３２及　外围设备的驱动、ＦＳＭＣ控制器驱动的配置，以及蓝牙串行模块的驱动的配置　Ｊ．每个硬件的驱动都要得到　合适的配置．最复杂的驱动是ＦＳＭＣ的驱动和蓝牙芯片的驱动．第二部分是虚拟仪器ＰＣ软件对ＰＣ端的编　程程序．主机计算机软件可以控制每个蓝牙节点，并使能数据传输和数据处理．在Ｐｃ软件的设计中，核心部　分是ＶＩＳＩ硬件接口驱动．无线数据采集系统使用ＶＩＳＩ的串口驱动与无线传输模块进行通信．　虚拟仪器程序作为无线数据采集系统的顶层部分，主机计算机软件的特点是处理Ｐｃ硬件采集的数据．　为了加快软件的开发过程，我们已经采用虚拟仪器　来建立软件．对于虚拟仪器复杂的体系结构，ＶＩＳＩ可以　连接常用总线，如ＧＰＩＢ，ＵＳＢ，串口和以太网等．虚拟仪器还可以提供总线ＶＩＳＩ驱动．主机软件的整个设计过　程如下：①配置Ｐｃ串口；②选择数据采集节点；③通过底层硬件使能数据传输和读取储存器；④处理数据　并保存．　该程序包括两层叠套结构．第一层如图５所示，我们初始化了ＶＩＳＩ串行的一些参数．需要注意的是，ＰＣ　串行率、蓝牙串行模块率及主控制器的ＳＴＭ３２外部设备ＵＳＡＲＴ率应该是一致的，以便保证数据的传送和接