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隨著(zhù)兼容藍牙4.0標準的智能手機逐步普及，低功耗藍牙技術(shù)也面臨著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。本設計采用了nRF51822和SHT11設計了一種基于低功耗藍牙技術(shù)的溫濕度傳感器節點(diǎn)，能夠將節點(diǎn)位置的溫度和濕度發(fā)送給主機用于顯示，可廣泛應用于家庭、車(chē)間、倉庫的溫濕度監控。 1.引言 在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的背景下，基于藍牙4.0標準的低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技術(shù)正被逐步地為人們重視。隨著(zhù)兼容藍牙4.0標準的智能手機逐步普及，低功耗藍牙技術(shù)也面臨著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。本設計采用了基于BLE技術(shù)的nRF51822藍牙SoC芯片和SHT11溫濕度傳感器設計了一種基于低功耗藍牙技術(shù)的溫濕度傳感器節點(diǎn)，能夠將節點(diǎn)位置的溫度和濕度發(fā)送給主機用于顯示，可廣泛應用于家庭、車(chē)間、倉庫的溫濕度監控。節點(diǎn)采用了低功耗設計，可用一枚紐扣電池供電，實(shí)際使用時(shí)間可達1年以上。 2.系統結構 本設計的系統結構如圖1所示，系統的處理器模塊由nRF51822構成，溫濕度傳感器件采用SHT11，電源采用紐扣電池供電；由處理器模塊、溫濕度傳感器模塊、天線(xiàn)模塊、電源模塊構成的節點(diǎn)與主機通過(guò)2.4GHz的低功耗藍牙信號通信，主機采用智能手機運行信息采集顯示的APP。多個(gè)節點(diǎn)可利用應用層協(xié)議與主機組成星形網(wǎng)絡(luò )。 圖1 系統結構圖 3.硬件電路 溫濕度傳感器節點(diǎn)硬件的系統構成如圖2所示。 圖2 硬件系統結構圖 3.1 處理器模塊 處理器模塊選用Nordic公司的nRF51822芯片。nRF51822是具有CORTEX-M0低功耗內核，支持BLE、Gazell等多協(xié)議的低功耗高速率射頻收發(fā)器的SoC。其具有高集成度、低成本、處理能力強、低功耗、小體積等優(yōu)勢，非常適合低功耗藍牙產(chǎn)品的應用。該芯片具有以下特性：具有Cortex-M0內核，片上256KB FLASH，16KB RAM，片內包含支持BLE協(xié)議的2.4GHz射頻收發(fā)器。軟件可編程輸出功率，最高可達+4dBm的輸出功率，輸出+4dBm功率時(shí)，最高工作電流僅為10.5mA。休眠模式僅為2uA電流。片內包含10-bit ADC、RTC、TWI、SPI、UART等模塊，提供最多32個(gè)GPIO，具有16個(gè)PPI通道。 nRF51822芯片的外圍電路簡(jiǎn)單，采用單端供電，可以使用片內線(xiàn)性穩壓器（LDO），輸入電壓1.8-3.6V；外接16MHz晶振；并配以相應的射頻匹配電路。電路圖如圖3所示。 圖3 nRF51822電路圖 3.2 溫濕度傳感器 溫濕度傳感器采用SHT11。SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。主要特點(diǎn)如下：將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；提供二線(xiàn)數字符串行接口，接口簡(jiǎn)單，傳輸可靠性高；測量精度可編程調節；測量精確度高；封裝尺寸超��；測量和通信結束后，自動(dòng)轉入低功耗模式。 處理器模塊利用二線(xiàn)串行數字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進(jìn)行通信。DATA數據線(xiàn)需要外接上拉電阻，電源與地之間要加100nF去耦電容。時(shí)鐘線(xiàn)SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒(méi)有要求；二線(xiàn)串行數字接口不兼容I2C，必須按照傳器協(xié)議工資。硬件連接如圖4所示。 圖4 SHT11連接電路圖 3.3 電源及外圍電路 電源采用紐扣型電池CR2032，系統設有1個(gè)按鍵與1個(gè)LED指示燈，用于連接測試與顯示通信狀態(tài)。電路如圖5所示。系統預留SWD編程調試接口。系統使用板載PCB天線(xiàn)，有效通信距離可達10米。 圖5 電源及外圍電路 4.軟件設計 系統軟件設計是根據BLE協(xié)議，在BLE協(xié)議�；A上構建傳感器節點(diǎn)應用程序。藍牙4.0的BLE協(xié)議棧包含兩部分：控制器和主機。協(xié)議棧的實(shí)現采用分層方式，控制器部分包括物理層、鏈路層、主機控制接口層；主機部分包括邏輯鏈路控制及適配協(xié)議層、安全管理層、屬性協(xié)議層、通用訪(fǎng)問(wèn)配置層、通用屬性配置層；上層可以調用下層提供的函數來(lái)實(shí)現需要的功能[3]。BLE協(xié)議棧的結構如圖6所示。 圖6 BLE協(xié)議棧 其中物理層主要定義了通信頻率、傳輸速度、調制方式等；鏈路層定義了廣播狀態(tài)、掃描狀態(tài)、數據包格式等；主機控制接口層主要定義了供主機訪(fǎng)問(wèn)控制器統一命令接口；邏輯鏈路控制及適配協(xié)議層主要是為藍牙低功耗協(xié)議棧高層提供面向連接的數據服務(wù)，并為高層協(xié)議提供協(xié)議復用、包的分段和重組、服務(wù)質(zhì)量等功能；屬性協(xié)議層用來(lái)發(fā)現、讀取、寫(xiě)入與其連接的對等設備的屬性；通用屬性配置層是利用屬性協(xié)議層來(lái)定義一些處理例程，服務(wù)的格式以及它們的屬性；安全管理協(xié)議，用來(lái)定義安全管理的相關(guān)協(xié)議以及LE設備之間的配對、認證和加密行為；通用訪(fǎng)問(wèn)配置層用來(lái)定義一些通用的接口，一些針對不同安全級別的處理程序接口和一些用于用戶(hù)接口層進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的通用格式要求。 4.1 S110 SoftDevice軟件包 nRF51822是nRF51系列中的一員，Nordic公司為nRF51系列提供一系列軟件支持。通過(guò)使用nRF51設備，可以免費使用藍牙低功耗以及ANT協(xié)議棧中的nRF51應用。 nRF51822的S110 SoftDevice軟件包是預編譯二進(jìn)制藍牙低功耗協(xié)議堆棧，集成了低功耗控制器與主機的功能，可獨立編程和更新，提供了全功能的API供系統調用。特點(diǎn)包括：異步和事件驅動(dòng)SVC的API；運行時(shí)保護；GATT、GAP和L2CAP級別API；廣播器功能；GATT客戶(hù)端和服務(wù)器；具有少于128kB的代碼和6kB的RAM使用量，為應用程序留有超過(guò)128kB的閃存和10kB的RAM；S110SoftDevice和nRF51822加上nRF51 SDK相互配合，包含全面的藍牙低功耗配置文件、服務(wù)以及示例應用集合。在使用過(guò)程中，只需下載nRF51822的S110軟件包及nRF51 SDK并安裝，即可在軟件中調用相關(guān)API實(shí)現系統功能。 溫濕度傳感器節點(diǎn)喚醒并進(jìn)行設備初始化后，響應主機的掃描請求，匹配UUID后建立連接成為從機，接收主機服務(wù)和特性，并返回存放了溫濕度數據的特性值。之后節點(diǎn)設備斷開(kāi)連接并進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)。 4.2 溫濕度采集 溫濕度采集程序包括SHT11的驅動(dòng)程序，與溫濕度采集處理程序。SHT11的通信協(xié)議是廠(chǎng)家自定義的，所以在驅動(dòng)程序設計時(shí)，需要用微處理器GPIO模擬通信協(xié)議。溫濕度采集處理程序流程圖如圖7所示。 圖7 溫濕度采集程序 4.3 實(shí)驗測試 實(shí)驗硬件系統采用基于低功耗藍牙技術(shù)的溫濕度傳感器節點(diǎn)向主機發(fā)送室內溫度和濕度數據。主機采用智能手機安裝nRF UART應用，通過(guò)UART形式顯示傳感器節點(diǎn)發(fā)送的數據。實(shí)驗軟件環(huán)境采用nRFgo Studio，nRF51 SDK，S110 SoftDevice，Keil MDKARM Lite等軟件構成。實(shí)驗顯示主機能夠穩定連接傳感器節點(diǎn)并接收顯示溫濕度數據。 5.結論 本設計采用了基于BLE技術(shù)的nRF51822藍牙SoC和溫濕度傳感器SHT11設計了一種基于低功耗藍牙技術(shù)的溫濕度傳感器節點(diǎn)，能夠將節點(diǎn)所處位置的溫度和濕度發(fā)送給主機用于顯示，隨著(zhù)智能手機的廣泛應用，該設計可應用于家庭、車(chē)間、倉庫的溫濕度監控，具有廣闊的應用前景。 |
