CW32L083智能温湿度监控系统
基于CW32L芯片制作的无线温温度采集系统
2023-07-07 08:56:06
CW32L083智能温湿度监控系统
2023-07-07 08:56:06 来源：华仔的编程随笔
【系统功能】
CW32l083为主控制的无线终端数据收发。运行国产RT-Thread操作系统。主要功能为实现用E31-TTL-50接收各个模块发送上来的数据，解析数据，分析数据，显示数据，并实现信息的显示，以及异常情况的显示、警告功能。
(资料图片)
无线终端主要以cw32L031为主控，采集sht30温湿度传感器数据，通过E31-TTL-50无线模块将数据上传。实现5微安的待机电流的超低功耗。
【功能模块】
主机：
1、接收模块：接收无线终端模块发送的温湿度数据,解析数据后，更新模块数据。
2、巡检模块：定时巡检各个无线终端的数据，判定工作状况、更新显示、报警标志。
3、显示模块：根据各个模块的工作状态，生成为示数据，用TFT屏展示。
4、报警模块：驱动pwm模块，装载pwm重载值，发出警示声音。
无线终端：
1、温湿采集模块：采集sht30数据。
2、发送模块：将数据打包，通过无线发送。
3、休眠模块：发送完数据后进入深度休眠状态，由AWT模块定时唤醒。
【硬件】
主机：
1、CW32L083VxTx StartKit REV01开发板。
2、ST7735TFT显示屏。
3、E31-TTL-50无线串口模块。
无线终端：
1、cw32l031开发板
2、Sht30温湿度传感器。
3、E31-TTL-50无线串口模块。
4、可充电锂电池。
【开发环境】
1、代码编译环境采集ubuntu20.4;
2、代码编辑工具为vscode 1.79.2;
3、交叉编译器为arm-nano-eabi-gcc;
4、固件库为cw32提供的固件库;
5、gcc启动文件与链接由作者在cortex-M0+的其他软件上移植过来;
6、下载器为CW32配送的wch-link;
7、代码下载软件为pyocd;
8、调式工具为gdb。
本次开发板的编译环境、工具均采用开源工具。
【操作系统】
本工程的主控，作者移植了RTT-ThreadNano 3.15版本。RTT作为一款国产开源免费的操作系统可以提供强大的功能，为CW32的性能发挥提供强力的支持。
【程序流程图】
1、主机端由RTT开启两个主要任务，用于数据显示与巡检，同时利用串口中断来实时处理接收的数据。GTIM定时开启PWM任务，来驱动开发板板载的BEEP。流程图如下：
2、无线终端采用单线流程，主要是采集数据后进入休眠，做到极简才能实现最好的功耗控制。流程图如下：
【原理图】
1、无线端终采集：
2、主机端：
【程序设计】
一、无线采集端
1．IIC初始化，采用模拟I2C主要代码是对
二、主机端
1．主机端我们处理数据的核心为sht30数据，声明结构体如下：
typedef struct _sht30_data
{
uint32_t ID;int temp; //温度值int temp_upper_limit; //温度值上限int temp_lower_limit; //温度值下限uint16_t humi; //湿度uint16_t humi_upper_limit; //湿度上限uint16_t humi_lower_limit; //湿度上限uint32_t time_tick; //更新数据计时enum _sht30_errcode sht_errcode;} SHT30_infor;
主要用于存储数据的核心，以后所有的任务都是针对这个模块进行。
2．同时声明一个枚举，来确定测量点的状态：
enum _sht30_errcode{
NORMAL=0,ABNORMAL,OFFLINE,};
3．先约定好默的一些参数，最大传感器个数，温湿度报警上下限，巡检次数初值：
#define maxID 2
#define MaxTime 300
#define HUMI_LOWER 500
#define HUMI_UPPER 750
#define TMPE_LOWER 100
#define TMPE_UPPER 300
到此我们的数据结构设计完成。
4．时钟的初始化，由于主机端需要高速处理数据这里配置为64MHz：
void RCC_cofiguration(void)
{
RCC_HSI_Enable(RCC_HSIOSC_DIV6);// 使能PLL，通过HSI倍频到 64MHzRCC_PLL_Enable(RCC_PLLSOURCE_HSI, 8000000, 8); //HSI 默输出8MHz///< 当使用的时钟源HCLK大于24M,小于等于48MHz：设置FLASH 读等待周期为2 cycle///< 当使用的时钟源HCLK大于48M,小于等于72MHz：设置FLASH 读等待周期为3 cycle__RCC_FLASH_CLK_ENABLE();FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_3);//时钟切换到PLLRCC_SysClk_Switch(RCC_SYSCLKSRC_PLL);RCC_SystemCoreClockUpdate(64000000);}
5．主机端的无线接收使用了uart1,端口选择了PE8与PE9作为TXD、RXD,初始化代码为：
void E31_UART_Init(void)
{
uint32_t PCLK_Freq;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};UART_InitTypeDef UART_InitStructure = {0};PCLK_Freq = SystemCoreClock > > pow2_table[CW_SYSCTRL- >CR0_f.HCLKPRS];PCLK_Freq > >= pow2_table[CW_SYSCTRL- >CR0_f.PCLKPRS];// 调试串口使用UART3// PA8- >TX// PA9< -RX// 时钟使能RCC_AHBPeriphClk_Enable(E31_UART_GPIO_CLK, ENABLE);E31_UART_APBClkENx(E31_UART_CLK, ENABLE);// 先设置UART TX RX 复用，后设置GPIO的属性，避免口线上出现毛刺E31_UART_AFTX;E31_UART_AFRX;GPIO_InitStructure.Pins = E31_UART_TX_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_Init(E31_UART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.Pins = E31_UART_RX_GPIO_PIN;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_INPUT_PULLUP;GPIO_Init(E31_UART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); UART_InitStructure.UART_BaudRate = E31_UART_BaudRate;UART_InitStructure.UART_Over = UART_Over_16;UART_InitStructure.UART_Source = UART_Source_PCLK;UART_InitStructure.UART_UclkFreq = PCLK_Freq;UART_InitStructure.UART_StartBit = UART_StartBit_FE;UART_InitStructure.UART_StopBits = UART_StopBits_1;UART_InitStructure.UART_Parity = UART_Parity_No ;UART_InitStructure.UART_HardwareFlowControl = UART_HardwareFlowControl_None;UART_InitStructure.UART_Mode = UART_Mode_Rx | UART_Mode_Tx;UART_Init(E31_UARTx, &UART_InitStructure); //优先级，无优先级分组NVIC_SetPriority(E31_UART_IRQ, 0);//UARTx中断使能NVIC_EnableIRQ(E31_UART_IRQ);}
同时配置中断函数，主要功能是判断是否接到了帧属，如果接收到帧尾则把数据交给回调函数进行处理，代码如下：
void UART1_UART4_IRQHandler(void)
{
/* USER CODE BEGIN */uint8_t TxRxBuffer;if(UART_GetITStatus(CW_UART1, UART_IT_RC) != RESET){ TxRxBuffer = UART_ReceiveData_8bit(CW_UART1); if(e31_rx_cnt < E31_RX_MAXLEN) { if ((TxRxBuffer == 0x0A) && (e31_rx_state == 1)) { e31_rx_state = 2; e31_exp_data(); } else if ((TxRxBuffer == 0x0D) && (e31_rx_state == 0)) { e31_rx_state = 1; } else if (e31_rx_state == 0) { e31_rx_buff[e31_rx_cnt] = TxRxBuffer; e31_rx_cnt ++; } } else { e31_rx_cnt = 0; e31_rx_state = 0; } UART_ClearITPendingBit(CW_UART1, UART_IT_RC);}/* USER CODE END */}
同时回调函数，为处理与解析数据更新到sht30数据之中：
void e31_exp_data(void)
{
int temp;uint16_t humi;uint32_t ID;if(e31_rx_state == 2){ if(e31_rx_cnt == 14) { temp = e31_rx_buff[10]< <8 | e31_rx_buff[11]; humi = e31_rx_buff[12]< <8 | e31_rx_buff[14]; ID = e31_rx_buff[6]< <24 | e31_rx_buff[7]< <16 | e31_rx_buff[8]< <8 | e31_rx_buff[9]; updata_sht30(temp, humi, ID); rt_kprintf("ID:%X, temp:%d, humi:%d\\r\\n", ID, temp, humi); }}e31_rx_cnt = 0;e31_rx_state = 0;}
6．ST7735的驱动，驱动采集模拟SPI进行驱动，详细的驱动见工程源码包。
7．PWM驱动，pwm选用PA6为pwm输出端，初始化为1KHz的输出来驱动板载的蜂鸣器。在初始化驱动后，我们装载最大的装截时，占空比为100%，使得蜂鸣器停止，在后面的需要输入报警声后，调整为50%的占空比，来实现蜂鸣器的报警声:
void init_beep(void)
{
GTIM_InitTypeDef GTIM_InitStruct = {0};__RCC_GTIM1_CLK_ENABLE(); // GTIM2时钟使能/* PA6 PWM 输出 */__RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();PA06_AFx_GTIM1CH1();PA06_DIR_OUTPUT();PA06_DIGTAL_ENABLE(); GTIM_InitStruct.Mode = GTIM_MODE_TIME;GTIM_InitStruct.OneShotMode = GTIM_COUNT_CONTINUE;GTIM_InitStruct.Prescaler = GTIM_PRESCALER_DIV2;// GTIM_InitStruct.ReloadValue = 60100UL - 1; // PWM频率为 48M/60100=800Hz, SPWM周期 = 800/2/1000= 0.4HzGTIM_InitStruct.ReloadValue = 32000UL - 1; // PWM频率为 64M/2/64000=1000Hz, SPWM周期 = 800/2/1000= 0.4HzGTIM_InitStruct.ToggleOutState = DISABLE;GTIM_TimeBaseInit(CW_GTIM1, >IM_InitStruct);GTIM_OCInit(CW_GTIM1, GTIM_CHANNEL1, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_HIGH);GTIM_SetCompare1(CW_GTIM1, 32000-1);GTIM_Cmd(CW_GTIM1, ENABLE);}
void alarm_ON(void)
{
GTIM_SetCompare1(CW_GTIM1, 16000-1);;}
void alarm_OFF(void)
{
GTIM_SetCompare1(CW_GTIM1, 32000-1);}
8．按照程序流程图，我们创建了两个任务，一个为巡检任务来实现对传感器模块的数据监控，并实理更新工作状态，代码如下：
/* 巡检任务 */
void thread_sht30_check_entry(void *parameter)
{
int i;uint8_t alarm_sta;while(1){ alarm_sta = 0; for(i=0; i< maxID; i++) { if(sht30[i].time_tick == 0) { //发送离线的警告 sht30[i].sht_errcode = OFFLINE; sht30[i].temp = 0; sht30[i].humi = 0; alarm_sta ++; } else if (sht30[i].temp < sht30[i].temp_lower_limit \\ || sht30[i].temp > sht30[i].temp_upper_limit \\ || sht30[i].humi < sht30[i].humi_lower_limit \\ || sht30[i].humi > sht30[i].humi_upper_limit ) { sht30[i].sht_errcode = ABNORMAL; sht30[i].time_tick--; alarm_sta++; } else { sht30[i].sht_errcode = NORMAL; sht30[i].time_tick--; } } if(alarm_sta > 0) { alarm_ON(); } else { alarm_OFF(); } rt_thread_mdelay(500);}}
/* 巡检任务 */
void sht30_check(void)
{
rt_thread_init(&tid_check_sht30, "sht30_check", thread_sht30_check_entry, RT_NULL, &thread_sht30_check_stack[0], sizeof(thread_sht30_check_stack), THREAD_PRIORITY - 1, THREAD_TIMESLICE);rt_thread_startup(&tid_check_sht30);}
9．显示任务，为定时按照传感器的工作状态来实现数据的展示，主要是根据三个状态、以及温湿度是否超过或者低于限值来显示不同的颜色，代码如下：
/* 线程 显示 的入口函数 */
static void thread_lcd_entry(void *parameter)
{
sht30_data_Init();char buff_temp[15];char buff_humi[15];uint16_t temp_background_color, temp_font_color;uint16_t humi_background_color, humi_font_color;int y_offset = 0;int i = 0;while (1){ y_offset = 46; for(i=0;i< maxID;i++) { rt_kprintf("sensorID:%d stata: %d", i+1, sht30[i].sht_errcode); y_offset = y_offset + i*70; sprintf(buff_temp,"%d%d.%d",sht30[i].temp/100, sht30[i].temp/10%10, sht30[i].temp%10); sprintf(buff_humi,"%d%d.%d",sht30[i].humi/100, sht30[i].humi/10%10, sht30[i].humi%10); switch (sht30[i].sht_errcode) { case NORMAL: temp_background_color = GRAY0; temp_font_color = BLUE; humi_background_color = GRAY0; humi_font_color = BLUE; break; case OFFLINE: temp_background_color = GRAY2; temp_font_color = BLUE; humi_background_color = GRAY2; humi_font_color = BLUE; sprintf(buff_temp, " "); sprintf(buff_humi, " "); break; case ABNORMAL: if(sht30[i].humi< sht30[i].humi_lower_limit || sht30[i].humi > sht30[i].humi_upper_limit) { humi_background_color = YELLOW; humi_font_color = BLACK; } else { humi_background_color = GRAY0; humi_font_color = BLUE; } if(sht30[i].temp< sht30[i].temp_lower_limit || sht30[i].temp > sht30[i].temp_upper_limit) { temp_background_color = YELLOW; temp_font_color = BLACK; } else { temp_background_color = GRAY0; temp_font_color = BLUE; } break; default: break; } Gui_DrawFont_GBK16(90,y_offset,temp_font_color,temp_background_color,buff_temp); //更新显示 Gui_DrawFont_GBK16(90,y_offset+20,humi_font_color,humi_background_color,buff_humi); } rt_thread_mdelay(10000);}}
/* 显示任务 */
void lcd_show(void)
{
rt_thread_init(&tid_show_sht30, "lcd show", thread_lcd_entry, RT_NULL, &thread_lcd_show_stack[0], sizeof(thread_lcd_show_stack), THREAD_PRIORITY - 1, THREAD_TIMESLICE);rt_thread_startup(&tid_show_sht30);}
【工程效果】
1、无线数据采集端能实现的采集数据，并按照设定的时间实现超远距离、超低功耗的长时间运行，经测量功耗情况如下：
从上面的数据我们可以看出，待机电流为7.5微安左右，在每两分钟启用一次数据上报，最在工作电流为46.5mA，平均电流为110uA，平均功率为362微瓦。可以推算一下，1000mAH的电池可以持续供电100天左右。如果我们采用在温湿度正常的范围内缓存，每一个小时做一次数据上传，那么预计可以延长30倍的工作时间，那就是10年左右的待机。
2、主机端，我们可以实时的监控无线数据采集工作站的实现状况。
离线的警示：
温度异常：
【项目总结】
经过半个月的项目开发，主要实现了RT-Thread Nano移植，温湿度计、无线串口模块、LCD屏的驱动。实现了一套温湿度监测系统的基本功能。
【项目拓展计划】
下一步，将继续完善监控系统。
1、进行数据储存。
2、数据的历史数据查看。
3、连接互联网，把数据分发给服务器。
审核编辑：汤梓红
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