基于stm32的无线传感器节点设计
基于stm32的无线传感器节点设计[20191214193855]
摘要
随着自动控制、网络技术和芯片小型化的发展，无线传感器网络技术在环境监测、工业数据采集和军事等大规模领域具有广泛应用，而小规模的无线传感器网络技术也越来越多的走进人们的日常生活，无线传感器节点的研究对于无线传感器网络的应用具有重要意义。
本文针对无线传感器节点续航能力、计算能力和存储容量等方面的限制问题，设计实现了一种基于STM32的无线传感器网络节点，主要研究内容有：介绍了无线传感器网络的特点、体系结构，讨论了无线传感器节点的研究现状；根据系统功能需求选定了系统的无线通信模块与微控制器模块，提出系统的总体框架；对传感节点的软硬件进行设计，传感节点的硬件设计主要包括电源电路设计、温度采集电路设计和串口电路设计等，传感节点的软件设计主要包括通信软件设计、采集软件设计及上位机软件设计。
通过对本文设计的无线传感器网络节点的测试，结果表明系统能够 快速准确的完成温度参数的测量并实现无线通信功能，系统具有较好的稳定性 。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:无线传感器；节点；STM32；nRF24L01
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2无线传感器网络概述 1
1.2.1无线传感器网络的特点 2
1.2.2无线传感器网络的体系结构 3
1.2.3无线传感器网络的研究意义 5
1.3国内外研究现状 7
1.3.1无线传感器网络研究现状 7
1.3.2无线传感器网络节点技术研究现状 8
1.4本文主要研究内容以及结构 8
第二章 无线传感器节点总体设计 10
2.1系统构想 10
2.2 系统各模块选型 10
2.2.1无线通信模块选型 10
2.2.2 微控制器模块选型 13
2.2.3传感器模块选型 15
2.3 系统总体框架 17
第三章 传感器网络节点硬件设计 18
3.1无线通信模块 18
3.2电源模块 20
3.3串口电路设计 21
3.4 SPI接口设计 22
3.5 温度采集模块设计 25
3.5.1传感器模块 25
3.5.2 A/D采集模块 26
3.5.3 ADC基准源 26
3.6 存储模块 27
第四章 传感器节点软件设计 28
4.1 通信软件设计 28
4.1.1初始化操作 28
4.1.2配置发送模式 29
4.1.3配置接收模式 30
4.1.4配置中断 32
4.2 采集模块软件设计 33
4.3上位机软件设计 36
4.3.1串口参数 36
4.3.2 数据显示设计 36
4.3.3数据解析设计 38
第五章 系统测试 39
5.1 点对点通信测试 39
5.1.1 通信能力测试 39
5.1.2 通信距离测试 39
5.1.3 抗干扰测试 39
5.2 上位机测试 40
第六章 总结和展望 42
6.1总结 42
6.2 展望 42
致 谢 43
参考文献 44
附录 英文翻译 46
第一章 绪论
近年来的微电子机械系统和低功耗高集成数字设备的发展，导致了成本低，功耗低，体积小的传感器节点的出现。无线传感器网络的特点是有限的电源，通信节点的有限，有限的计算能力，和对物理世界的紧密耦合，大规模密集部署，动态网络。传感器网络作为一个自治系统，涉及到定位和时间同步、协同信号的处理、通讯形式及协议、网络的容量、寿命、任务分配妥协管理、自适应性等诸多课题。其中，能量问题是决定传感器网络可否适用的核心问题。鉴于以上认识和现有的传感器设备存在的问题，提出了低功耗无线设备解决方案。
1.1课题的研究背景
无线传感网络是拥有信号收集，数据分析，无线通信等多种功用，由安放在监控地域内大量袖珍传感器而构成。如今使用于实践中的无线传感器节点，多以 MSP430为MCU模块，nRF905为无线通信模块。它可以满足低功耗，低成本的要求。然而，计算能力选定单片机本身是不够的，没有足够的存储空间来存储数据，扩展的FLASH。在功率消耗，成本的基础上，电力和其他方面的要求，设计采用nRF24L01的超低功耗无线模块与意法半导体公司，无线传感器节点的高性能STM32 MCU模块。
1.2无线传感器网络概述
随着嵌入式技术、微电子技术、无线通信技术和传感器技术的迅速发展应运而生了无线传感器网络，它的涌现为信息感知领域带来了的一场革新，于是无线传感器网络受到全世界各国的极度重视。通常无线传感器网络由大量的微型传感器节点组成，节点之间通过ZigBee无线通信方式形成网络。通过每个节点上携带的传感器，无线传感器网络能够对监测目标数据进行采集，采集到的数据在传感器节点上进行初步处理以后再通过无线通信的方式汇聚到网络的中心节点，最终中心节点将数据传输给远程的用户。无线传感器网络的出现将传感技术、嵌入式技术和无线通信技术结合在一起，实现了数据的采集、处理和传输的统一，拉近了物理世界和人类世界的联系，为实现智慧城市的宏大目标奠定了基础。无线传感器网络技术大致经历四个发展阶段：第一阶段，可追溯到20世纪70年代，通过点对点连接传感器和传感控制器组成了拥有简易信息取得能力的传感器网络，称为第一代传感器网络；第二阶段，随着相关技术的不断发展，传感器网络通过串/并口连接多个传感器，具有了同时获取多种信息进行综合处理的能力，称之为第二代传感器网络；第三阶段，呈现在20世纪90年代后期，随着现场总线的不断发展和现场总线通信协议的普遍使用，传感器网络进入了智能化时代，并且可以通过网关实现与Internet相连，称之为智能传感器网络；第四阶段，随着MEMS技术、无线通信技术、嵌入式技术和传感技术的发展微型传感器成功问世，这种微型传感器不但体积小、功耗低，而且通常与微处理器和射频模块一起构成传感器节点，节点能够通过无线通信的方式自组织的构成网络，成千上万个一起协同工作，这种传感器网络的出现标志着无线传感器网络的真正形成。
1.2.1无线传感器网络的特点
无线传感器网络有着本身特有的特点,主要表现在:
1)网络规模大
由于ZigBee协议支持网络至多包含65535个节点。在大面积的监测应用中,一般通过飞机将节点抛洒在目标区域。网络的大规模性会带来如下优势:通过多点采集、信息汇总，提高了监测精度；个别节点不能正常工作，对整个监测网络没有任何影响，使整个网络具有更强的容错性；节点密度大，将会全面覆盖监测区域，有力杜绝了监测盲区。
2)自组织网络
在实际应用中，大量的节点一般是通过飞机抛洒到人不适立到达的危险区域或者敌对区域，因此传感器节点的位置不能事先确定，相邻节点之间互不“相识”，因此，无线传感器网络的组网协议和路由算法必须具有自组织能力，能够自动的进行网络的建立、搜索、加入等。而且，在使用过程中，由于个别节点能量耗尽或者损坏，将会脱离网络，对整个网络的拓扑结构产生影响，无线传感器网络需要通过自组织特色来顺应网络拓扑结构的转变。
3)节点的资源有限
无线传感器网络的节点一般采用电池供电，当节点被抛洒到不适宜人到达的目标区域以后将无法人为更换电池，所以电池的寿命也就基本决定了节点的寿命。除此之外，由于电源供给和节点体积的限制，传感器节点微处理器和外围电路尽量选择体积小、功耗低的芯片，这也间接导致节点的数据处理能力、存储能力和通信能力都是很有限的。
4)多跳路由
无线传感器网络节点通信能力有限，受功耗、节点尺寸的限制，节点上不宜采用大功率的天线，所以一般通信半径在百米以内。当某个节点需要与通信半径以外的节点通信时，则需要通过中间节点进行转发信息。无线传感器网络没有专门的路由器设备，而是采用通过具有路由功能的节点进行多跳路由的。无线传感器网络采用多跳的通信模式，避免了节点通信能力有限的缺点，并且均衡了整个网络的能量，实现了网络寿命的最大化。
5)动态性网络
无线传感器网络的拓扑结构不是稳定不变的，节点能量耗尽、节点损坏、新节点的插足以及周围环境改变影响部分节点通信等原因，都会影响整个网络的拓扑结构，无线传感器网络的路由算法必须能够适应这种变化的拓扑。
1.2.2无线传感器网络的体系结构
1)无线传感器网络结构
图1.1显示一个典型的无线传感器网络，通常由大量的传感器节点，一个节点和远程管理节点[1]。大量的传感器节点散布在监测区域的内部或者边缘，主要掌管数掘的收集；当传感器节点数据采集完毕以后，数据将以多跳的方式沿着其他具有路由功能的传感器节点传播，最终到达汇聚节点；汇聚节点是无线传感器网络的中心，它负责整个网络的形成，并最终通过网关把传感器节点采集的数据经互联网、卫星或者移动通信网络发给远程的管理节点；管理节点也就是远程的监控中心，可以是服务器、PC机或者任何可以入网的智能终端，用户通过管理节点可以对整个无线传感器网络进行配置和管理，发送命令进行数据的采集和上报。
2)无线传感器网络节点的构成
如图1.2所示,传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块这四部分构成了无线传感器网络节点。四个部分各司其职：传感器模块主要负责信息的采集，根据需要选择配备合适的AD转换器及信号调理电路；微处理模块负责处理传感器收集的数据和其他节点发送来的数据；无线通信模块负责节点之间的射频信号的收发；电源模块负责为整个节点正常工作供电。除此之外，一些特殊节点还配置有其他功能的模块，例如为定位提供参考的锚节点上需要安装有GPS模块[2]；作为无线传感器网络的核心，中心节点是不能休眠的，为了实现能量持续供给，可以在节点上安装天阳能充电模块等。
图1.2 无线传感器网络节点框图
3)无线传感器网络的通信协议
目前常用的短距离无线通信协议有：基于IEEE 802.11的Wi-Fi、基于IEEE 802.15.1的蓝牙和基于IEEE 802.15.4的ZigBee。其中Wi-Fi通信带宽大，主要针对数据量大和通信速率高的通信应用，目前主要用于无线局域网(WLAN)的应用中；蓝牙技术具有良好的互操作性能，支持不同运行操作系统的设备之间通信，目前多用于点对点传输的应用中，如无线耳机、无线鼠标等。蓝牙协议一般不对用户开发编程接口，使得用户无法编程扩展蓝牙设备的功能，这就限制了蓝牙技术的使用；ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的协议，组网灵活，并且ZigBee的协议是完全公的，很多大公司都推出了自己发的ZigBee协议栈，并且是开源的，可以通过网络免费下载，如TI公司的Z—Stack、Ember公司的EmberZNet等[3]。在这些协议栈的基础上，用户可以通过这些公司提供的协议栈接口函数(API)很方便的完成ZigBee应用开发。Wi-Fi、蓝牙和ZigBee3种通信协议的主要特征如表所示。
表1.1 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 3种通信协议的主要特征
协议名称 Wi-Fi 蓝牙 ZigBee
采用标准 802.11 802.15.1 802.15.4 网络结构 星型 星型 星型、树型、网状 网络规模 32 7 65535 带宽/（Kb/s） 11000+ 720 250 通信距离 1~100 10+ 1~100 时延 3s 10s 30ms 电池寿命 几小时 几天 多至几年 优势 速率高 廉价、方便 低功耗、低成本
无线传感器网络主要应用于监测和控制系统，这类应用往往通信数据量不大，所以不要求高的通信速率高实时性，但是要求设备有很低的功耗，能够长期的工作。另外，在监测应用中通常测量点较多且形态多变，所以要求无线传感器网络具有无需配置即可自组织接纳新节点入网的能力。
摘要
随着自动控制、网络技术和芯片小型化的发展，无线传感器网络技术在环境监测、工业数据采集和军事等大规模领域具有广泛应用，而小规模的无线传感器网络技术也越来越多的走进人们的日常生活，无线传感器节点的研究对于无线传感器网络的应用具有重要意义。
本文针对无线传感器节点续航能力、计算能力和存储容量等方面的限制问题，设计实现了一种基于STM32的无线传感器网络节点，主要研究内容有：介绍了无线传感器网络的特点、体系结构，讨论了无线传感器节点的研究现状；根据系统功能需求选定了系统的无线通信模块与微控制器模块，提出系统的总体框架；对传感节点的软硬件进行设计，传感节点的硬件设计主要包括电源电路设计、温度采集电路设计和串口电路设计等，传感节点的软件设计主要包括通信软件设计、采集软件设计及上位机软件设计。
通过对本文设计的无线传感器网络节点的测试，结果表明系统能够 快速准确的完成温度参数的测量并实现无线通信功能，系统具有较好的稳定性 。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:无线传感器；节点；STM32；nRF24L01
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2无线传感器网络概述 1
1.2.1无线传感器网络的特点 2
1.2.2无线传感器网络的体系结构 3
1.2.3无线传感器网络的研究意义 5
1.3国内外研究现状 7
1.3.1无线传感器网络研究现状 7
1.3.2无线传感器网络节点技术研究现状 8
1.4本文主要研究内容以及结构 8
第二章 无线传感器节点总体设计 10
2.1系统构想 10
2.2 系统各模块选型 10
2.2.1无线通信模块选型 10
2.2.2 微控制器模块选型 13
2.2.3传感器模块选型 15
2.3 系统总体框架 17
第三章 传感器网络节点硬件设计 18
3.1无线通信模块 18
3.2电源模块 20
3.3串口电路设计 21
3.4 SPI接口设计 22
3.5 温度采集模块设计 25
3.5.1传感器模块 25
3.5.2 A/D采集模块 26
3.5.3 ADC基准源 26
3.6 存储模块 27
第四章 传感器节点软件设计 28
4.1 通信软件设计 28
4.1.1初始化操作 28
4.1.2配置发送模式 29
4.1.3配置接收模式 30
4.1.4配置中断 32
4.2 采集模块软件设计 33
4.3上位机软件设计 36
4.3.1串口参数 36
4.3.2 数据显示设计 36
4.3.3数据解析设计 38
第五章 系统测试 39
5.1 点对点通信测试 39
5.1.1 通信能力测试 39
5.1.2 通信距离测试 39
5.1.3 抗干扰测试 39
5.2 上位机测试 40
第六章 总结和展望 42
6.1总结 42
6.2 展望 42
致 谢 43
参考文献 44
附录 英文翻译 46
第一章 绪论
近年来的微电子机械系统和低功耗高集成数字设备的发展，导致了成本低，功耗低，体积小的传感器节点的出现。无线传感器网络的特点是有限的电源，通信节点的有限，有限的计算能力，和对物理世界的紧密耦合，大规模密集部署，动态网络。传感器网络作为一个自治系统，涉及到定位和时间同步、协同信号的处理、通讯形式及协议、网络的容量、寿命、任务分配妥协管理、自适应性等诸多课题。其中，能量问题是决定传感器网络可否适用的核心问题。鉴于以上认识和现有的传感器设备存在的问题，提出了低功耗无线设备解决方案。
1.1课题的研究背景
无线传感网络是拥有信号收集，数据分析，无线通信等多种功用，由安放在监控地域内大量袖珍传感器而构成。如今使用于实践中的无线传感器节点，多以 MSP430为MCU模块，nRF905为无线通信模块。它可以满足低功耗，低成本的要求。然而，计算能力选定单片机本身是不够的，没有足够的存储空间来存储数据，扩展的FLASH。在功率消耗，成本的基础上，电力和其他方面的要求，设计采用nRF24L01的超低功耗无线模块与意法半导体公司，无线传感器节点的高性能STM32 MCU模块。
1.2无线传感器网络概述
随着嵌入式技术、微电子技术、无线通信技术和传感器技术的迅速发展应运而生了无线传感器网络，它的涌现为信息感知领域带来了的一场革新，于是无线传感器网络受到全世界各国的极度重视。通常无线传感器网络由大量的微型传感器节点组成，节点之间通过ZigBee无线通信方式形成网络。通过每个节点上携带的传感器，无线传感器网络能够对监测目标数据进行采集，采集到的数据在传感器节点上进行初步处理以后再通过无线通信的方式汇聚到网络的中心节点，最终中心节点将数据传输给远程的用户。无线传感器网络的出现将传感技术、嵌入式技术和无线通信技术结合在一起，实现了数据的采集、处理和传输的统一，拉近了物理世界和人类世界的联系，为实现智慧城市的宏大目标奠定了基础。无线传感器网络技术大致经历四个发展阶段：第一阶段，可追溯到20世纪70年代，通过点对点连接传感器和传感控制器组成了拥有简易信息取得能力的传感器网络，称为第一代传感器网络；第二阶段，随着相关技术的不断发展，传感器网络通过串/并口连接多个传感器，具有了同时获取多种信息进行综合处理的能力，称之为第二代传感器网络；第三阶段，呈现在20世纪90年代后期，随着现场总线的不断发展和现场总线通信协议的普遍使用，传感器网络进入了智能化时代，并且可以通过网关实现与Internet相连，称之为智能传感器网络；第四阶段，随着MEMS技术、无线通信技术、嵌入式技术和传感技术的发展微型传感器成功问世，这种微型传感器不但体积小、功耗低，而且通常与微处理器和射频模块一起构成传感器节点，节点能够通过无线通信的方式自组织的构成网络，成千上万个一起协同工作，这种传感器网络的出现标志着无线传感器网络的真正形成。
1.2.1无线传感器网络的特点
无线传感器网络有着本身特有的特点,主要表现在:
1)网络规模大
由于ZigBee协议支持网络至多包含65535个节点。在大面积的监测应用中,一般通过飞机将节点抛洒在目标区域。网络的大规模性会带来如下优势:通过多点采集、信息汇总，提高了监测精度；个别节点不能正常工作，对整个监测网络没有任何影响，使整个网络具有更强的容错性；节点密度大，将会全面覆盖监测区域，有力杜绝了监测盲区。
2)自组织网络
在实际应用中，大量的节点一般是通过飞机抛洒到人不适立到达的危险区域或者敌对区域，因此传感器节点的位置不能事先确定，相邻节点之间互不“相识”，因此，无线传感器网络的组网协议和路由算法必须具有自组织能力，能够自动的进行网络的建立、搜索、加入等。而且，在使用过程中，由于个别节点能量耗尽或者损坏，将会脱离网络，对整个网络的拓扑结构产生影响，无线传感器网络需要通过自组织特色来顺应网络拓扑结构的转变。
3)节点的资源有限
无线传感器网络的节点一般采用电池供电，当节点被抛洒到不适宜人到达的目标区域以后将无法人为更换电池，所以电池的寿命也就基本决定了节点的寿命。除此之外，由于电源供给和节点体积的限制，传感器节点微处理器和外围电路尽量选择体积小、功耗低的芯片，这也间接导致节点的数据处理能力、存储能力和通信能力都是很有限的。
4)多跳路由
无线传感器网络节点通信能力有限，受功耗、节点尺寸的限制，节点上不宜采用大功率的天线，所以一般通信半径在百米以内。当某个节点需要与通信半径以外的节点通信时，则需要通过中间节点进行转发信息。无线传感器网络没有专门的路由器设备，而是采用通过具有路由功能的节点进行多跳路由的。无线传感器网络采用多跳的通信模式，避免了节点通信能力有限的缺点，并且均衡了整个网络的能量，实现了网络寿命的最大化。
5)动态性网络
无线传感器网络的拓扑结构不是稳定不变的，节点能量耗尽、节点损坏、新节点的插足以及周围环境改变影响部分节点通信等原因，都会影响整个网络的拓扑结构，无线传感器网络的路由算法必须能够适应这种变化的拓扑。
1.2.2无线传感器网络的体系结构
1)无线传感器网络结构
图1.1显示一个典型的无线传感器网络，通常由大量的传感器节点，一个节点和远程管理节点[1]。大量的传感器节点散布在监测区域的内部或者边缘，主要掌管数掘的收集；当传感器节点数据采集完毕以后，数据将以多跳的方式沿着其他具有路由功能的传感器节点传播，最终到达汇聚节点；汇聚节点是无线传感器网络的中心，它负责整个网络的形成，并最终通过网关把传感器节点采集的数据经互联网、卫星或者移动通信网络发给远程的管理节点；管理节点也就是远程的监控中心，可以是服务器、PC机或者任何可以入网的智能终端，用户通过管理节点可以对整个无线传感器网络进行配置和管理，发送命令进行数据的采集和上报。
2)无线传感器网络节点的构成
如图1.2所示,传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块这四部分构成了无线传感器网络节点。四个部分各司其职：传感器模块主要负责信息的采集，根据需要选择配备合适的AD转换器及信号调理电路；微处理模块负责处理传感器收集的数据和其他节点发送来的数据；无线通信模块负责节点之间的射频信号的收发；电源模块负责为整个节点正常工作供电。除此之外，一些特殊节点还配置有其他功能的模块，例如为定位提供参考的锚节点上需要安装有GPS模块[2]；作为无线传感器网络的核心，中心节点是不能休眠的，为了实现能量持续供给，可以在节点上安装天阳能充电模块等。
图1.2 无线传感器网络节点框图
3)无线传感器网络的通信协议
目前常用的短距离无线通信协议有：基于IEEE 802.11的Wi-Fi、基于IEEE 802.15.1的蓝牙和基于IEEE 802.15.4的ZigBee。其中Wi-Fi通信带宽大，主要针对数据量大和通信速率高的通信应用，目前主要用于无线局域网(WLAN)的应用中；蓝牙技术具有良好的互操作性能，支持不同运行操作系统的设备之间通信，目前多用于点对点传输的应用中，如无线耳机、无线鼠标等。蓝牙协议一般不对用户开发编程接口，使得用户无法编程扩展蓝牙设备的功能，这就限制了蓝牙技术的使用；ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的协议，组网灵活，并且ZigBee的协议是完全公的，很多大公司都推出了自己发的ZigBee协议栈，并且是开源的，可以通过网络免费下载，如TI公司的Z—Stack、Ember公司的EmberZNet等[3]。在这些协议栈的基础上，用户可以通过这些公司提供的协议栈接口函数(API)很方便的完成ZigBee应用开发。Wi-Fi、蓝牙和ZigBee3种通信协议的主要特征如表所示。
表1.1 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 3种通信协议的主要特征
协议名称 Wi-Fi 蓝牙 ZigBee
采用标准 802.11 802.15.1 802.15.4 网络结构 星型 星型 星型、树型、网状 网络规模 32 7 65535 带宽/（Kb/s） 11000+ 720 250 通信距离 1~100 10+ 1~100 时延 3s 10s 30ms 电池寿命 几小时 几天 多至几年 优势 速率高 廉价、方便 低功耗、低成本
无线传感器网络主要应用于监测和控制系统，这类应用往往通信数据量不大，所以不要求高的通信速率高实时性，但是要求设备有很低的功耗，能够长期的工作。另外，在监测应用中通常测量点较多且形态多变，所以要求无线传感器网络具有无需配置即可自组织接纳新节点入网的能力。
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