欒文平 湯浩 郭亞

摘 要：傾角傳感器在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、鐵路、航空航天等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。本文基于STM32微處理器和高精度傾角傳感器SCA103T并結(jié)合NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗、高精度和無線傳輸?shù)男滦蛢A角傳感器。系統(tǒng)待機(jī)電流僅1.3mA，精度可達(dá)0.001°，無線傳輸速率為200Kbps。通過設(shè)計(jì)相關(guān)的外圍電路并結(jié)合Keil環(huán)境編程實(shí)現(xiàn)傾角傳感器信息的讀取、分析和處理，以及實(shí)現(xiàn)在Windows上利用C#編程從NB-IoT服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化。設(shè)計(jì)結(jié)果表明該傾角傳感器具有測(cè)量方便、傳輸穩(wěn)定、高精度、成本低等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用到各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：高精度傾角傳感器;STM32微處理器;NB-IoT網(wǎng)絡(luò);C#編程

1? ?介紹

傾角傳感器在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、鐵路、航天航空等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在農(nóng)用機(jī)械設(shè)備利用其檢測(cè)傾角信息，用于農(nóng)用無人機(jī)檢測(cè)空中噴灑農(nóng)藥時(shí)的姿態(tài)控制，也用于農(nóng)作物及牲畜的姿態(tài)檢測(cè);另外還用于工業(yè)上機(jī)床控制的精確角度檢測(cè)，以及航空航天的設(shè)備姿態(tài)高精度反饋控制等。傾角傳感器相對(duì)于其他傳感器而言，研發(fā)的機(jī)構(gòu)與供應(yīng)廠商不多，市場(chǎng)上價(jià)格比較昂貴，除此之外，傳感器的參數(shù)也不是最優(yōu)的。而本文所設(shè)計(jì)的傾角傳感器成本約為200元人名幣，可以為廣大用戶接受，且在傳感器精度和數(shù)據(jù)傳輸方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著中國(guó)科技的發(fā)展，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器非常重要。

對(duì)于很多精密儀器與傳感器，不僅在體積上要做到很小，而且還要有可擴(kuò)展的接口以方便與其它設(shè)備連接。無線傳感器連接起來非常方便，但還需考慮到電源的低功耗處理?，F(xiàn)如今的4G、WIFI等無線方式對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送功耗不可忽視[1，2]，基于NB-IoT的組網(wǎng)方式對(duì)能耗要求低，因此本設(shè)計(jì)使用該方式設(shè)計(jì)一款傾角傳感器。表1提供了幾種通信方式的對(duì)比[3，4，5]。

2? ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)如圖1所示，其中STM32作為主控中心[6]，由電源管理電路對(duì)其提供電能，供整個(gè)系統(tǒng)使用;時(shí)鐘電路為MCU提供運(yùn)行所需的時(shí)鐘頻率;SCA103T為本設(shè)計(jì)的傳感器感知元件，其內(nèi)部有數(shù)字SPI溫度數(shù)據(jù)輸出和兩軸加速度數(shù)據(jù)輸出，由于數(shù)字SPI加速度數(shù)據(jù)的精度不高，因此本設(shè)計(jì)使用AD采集該傳感器輸出的模擬信號(hào)，溫度數(shù)據(jù)直接由SPI通信得到;STM32采集到數(shù)據(jù)之后將其進(jìn)行打包，通過485模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)或者轉(zhuǎn)由NB-IoT模塊發(fā)送給云端服務(wù)器[7]，最后在PC機(jī)上開發(fā)一款上位機(jī)，該上位機(jī)既可通過485有線的方式讀取該傾角傳感器的數(shù)據(jù)，也可通過網(wǎng)絡(luò)編程以無線傳輸?shù)姆绞阶x取傳感器的數(shù)據(jù)。

3? ?STM32主控單元

STM32F4是意法半導(dǎo)體提供一款具有M4內(nèi)核的ARM處理器[8，9，10]，其系統(tǒng)頻率高達(dá)168MHz，STM32F4主控單元主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及程序下載電路。

STM32是當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域發(fā)展得相當(dāng)迅速的微控制器，STM32F4芯片高達(dá)64個(gè)引腳，加上本身的高傳輸速率，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域非常重要。該控制器與51單片機(jī)相比，它的外設(shè)更加豐富，而且?guī)旌瘮?shù)也很便捷，便于快速開發(fā)，從經(jīng)濟(jì)角度上看也完全滿足控制系統(tǒng)的需求。另外此最小系統(tǒng)擁有A/D轉(zhuǎn)換器24個(gè)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)更多外部數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)擁有17個(gè)定時(shí)器和15個(gè)通信接口，本文使用了2個(gè)AD采集通道和1個(gè)SPI通信接口[11]及發(fā)送數(shù)據(jù)的串口，除此之外，芯片還余有很多擴(kuò)展引腳，方便將來其他功能引入。

3.1? 電源設(shè)計(jì)

電源管理電路在STM32最小系統(tǒng)中很重要，本設(shè)計(jì)的該部分電源不僅給芯片供電，還給感知器件供電，處理不好會(huì)導(dǎo)致芯片運(yùn)行不平穩(wěn)，該部分的電源輸入電壓是12V，但單片機(jī)的供電電壓是3.3V，需要利用線性穩(wěn)壓芯片對(duì)其進(jìn)行降壓到5V或者3.3V，本設(shè)計(jì)中先利用IB1205S將電源電壓轉(zhuǎn)換為5V的穩(wěn)壓源。進(jìn)一步利用線性穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V為芯片供電，此外，在STM32芯片周圍加上了濾波電容，以避免外部雜波的干擾，給芯片的平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。圖2為電源管理模塊的原理圖。

3.2? 485接口電路設(shè)計(jì)

485通信是現(xiàn)如今工業(yè)上用得比較多的通信方式，因?yàn)樗辛己玫目垢蓴_能力，而且也只需要兩條線就可以進(jìn)行通訊，除此之外還有一大優(yōu)點(diǎn)就是可以很快地進(jìn)行總線傳輸，不需要另外電路將所有的485線接到一起。485通信方式是半雙工，其傳輸協(xié)議并沒有很嚴(yán)格的要求，用戶可以自定義協(xié)議，比RS-232通信的方式更好。232通信時(shí)，線之間的電壓差很大，容易損壞接口，此外232的傳輸距離和485也不能比擬，485的通信距離可達(dá)1.5km，232卻只有幾十米。在進(jìn)行總線傳輸?shù)臅r(shí)候，最大支持400個(gè)節(jié)[12]，值得注意的是，在電路的設(shè)計(jì)中，除了在輸入端具有發(fā)送和讀取的使能端口外，在發(fā)送端也有一個(gè)匹配電阻，該阻值一般選取為120Ω，另外為了增加通信的抗干擾性能，會(huì)將AB兩線分別進(jìn)行上拉和下拉。圖3即為通信的電路原理圖。

3.3? ?SCA103T模塊設(shè)計(jì)

圖4即為本文選取的基于3D MEMS技術(shù)的傾角傳感器感知部件，它是由芬蘭VTI公司開發(fā)的一款高精度加速度計(jì)芯片，經(jīng)常用于制造基于MEMS的傾角儀的傳感元件。該加速度計(jì)芯片在開發(fā)的單軸測(cè)斜儀上具有兩個(gè)可測(cè)量的范圍，即±15°和±30°。SCA103T芯片適用于惡劣的外部條件，在溫度和沖擊方面具有耐久性[13，14]。

3.4? SCA103T感知傾角原理

基于MEMS的加速度計(jì)對(duì)重力敏感，因此，處于靜止?fàn)顟B(tài)的基于MEMS的加速計(jì)傳感器測(cè)量靜態(tài)加速度和由于重力引起的加速度。在這種情況下，由于重力在靜態(tài)加速度和加速度之間產(chǎn)生一定角度。該角度對(duì)應(yīng)于傳感器的斜率或所謂的傾角[15]。

圖5中顯示了沿x軸（αx）的加速度和由于重力（g）引起的加速度，這是由傳感器位置的變化產(chǎn)生的。αx和g之間的關(guān)系用等式（1）和（2）表示，其中α表示傳感器的斜率：

αx=g · sinα? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

α=arcsin（αx/g）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

3.5? SPI通信協(xié)議及溫度讀取的設(shè)計(jì)

在低速的嵌入式領(lǐng)域隨處可見IIC協(xié)議和SPI協(xié)議，這兩種協(xié)議的通信方式不大相同，一種是全雙工讀取數(shù)據(jù)，一種是半雙工讀取數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)運(yùn)用的SPI通信協(xié)議就是一種全雙工的通信方式，由于傳感器的數(shù)字輸出采取SPI數(shù)字接口，因此需要遵循該傳感器的協(xié)議模式才能完整讀取數(shù)據(jù)。

SPI需要一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)使能線來選擇連接在總線上的設(shè)備。由于選擇線通常由主設(shè)備（微控制器）提供，這極大地限制了系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而大大限制了系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。此外，與IIC不同，SPI總線不允許在沒有任何額外外部接口的情況下將新傳感器輕松添加到系統(tǒng)中。SPI智能傳感器系統(tǒng)無法通過剪切或松開傳感器進(jìn)出總線而不會(huì)影響總線上的任何其他電路來進(jìn)行修改或升級(jí)。同時(shí)SPI也沒有用于新傳感器或中斷檢測(cè)的控制信號(hào)使其不適用于許多應(yīng)用程序，包括環(huán)境監(jiān)視和事件檢測(cè)。根據(jù)SCA103的時(shí)鐘序列示意圖，可以編寫如下代碼讀取內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。

uint8_t? Get_Sca103tT（ void ）

{

int Tresult = 0;

HAL_GPIO_WritePin（GPIOA，SPI_CS_Pin，GPIO_PIN_SET）;

HAL_Delay（1）;

HAL_GPIO_WritePin（GPIOA，SPI_CS_Pin，GPIO_PIN_RESET）;

HAL_Delay（10）;

SCA103TSendByte（ RWTR ）;

HAL_Delay（10）;

Tresult=SCA103TSendByte（ MEAS ）;

HAL_Delay（1）;

HAL_GPIO_WritePin（GPIOA，SPI_CS_Pin，GPIO_PIN_SET）;

return Tresult;

}

4? ?NB-IoT模塊設(shè)計(jì)

在過去20年中，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)得到了顯著發(fā)展 [16]，異構(gòu)性等方面取得了顯著的進(jìn)步[17，18]。從傳輸速率的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的通信服務(wù)可以粗略地分為兩類：高數(shù)據(jù)速率服務(wù)（如視頻服務(wù)）和低數(shù)據(jù)速率服務(wù)（如抄表服務(wù)）[19]。ATECH在2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，低數(shù)據(jù)速率服務(wù)占物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)總量的67%以上，這表明低數(shù)據(jù)速率的廣域網(wǎng)技術(shù)是可取的。

NB-IoT是一種旨在支持窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新型協(xié)議，并已被列為未來第五代（5G）移動(dòng)通信的重要組成部分[20，21]，在NB-IoT終端中，支持的信號(hào)帶寬在單邊模式下可以是3.75kHz或15kHz，在多邊模式下可以是15kHz的任何整數(shù)倍，并且可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇工作頻段（獨(dú)立、保護(hù)帶或帶內(nèi)）。但是它缺乏計(jì)算能力，因此，設(shè)計(jì)了該模塊的開發(fā)板。

4.1 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

NB-IoT主控有兩個(gè)供電接口，其典型輸入電壓值不同于以往的MCU，它的供電電壓是3.6V的直流輸入，電源電路的設(shè)計(jì)對(duì)于該模塊來說至關(guān)重要，首先必須具有至少0.5A的電流驅(qū)動(dòng)能力，這意味著在PCB板設(shè)計(jì)需要對(duì)電源的走線加粗以能夠通過如此大的電流，此外該模塊的電壓輸入范圍大致為3.1-4.1V，也就是說不管在何種工作環(huán)境下，即使不能提供穩(wěn)定的3.6V供電電壓，也不能讓輸入電壓低于3.1V以下，否則會(huì)引起通訊異常，導(dǎo)致模塊內(nèi)的參數(shù)發(fā)生改變。鑒于以上考慮，本設(shè)計(jì)采取LM2596可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓芯片作為電壓的控制芯片，其電路原理圖如圖6所示。LM2596可以最高提供3A的飽和電流，滿足本設(shè)計(jì)的需求，另外只需要調(diào)節(jié)輸出端兩個(gè)電阻的比例即可控制電壓的輸出，其輸出電壓如表達(dá)式（3）所示：

Vout=VREF （1+R2/R3）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中VREF = 1.23V

4.2? SIM卡模塊電路設(shè)計(jì)

該NB-IoT模塊包括一個(gè)外部的SIM卡接口，支持通過SIM卡訪問網(wǎng)絡(luò)，該SIM卡也支持3GPP規(guī)范的功能，該模塊僅支持3V供電，供電電壓來源于NB73內(nèi)部電壓，其中CCLK引腳為外部SIM卡的時(shí)鐘線，CCIO為外部SIM卡的數(shù)據(jù)線，CCRST為外部SIM卡的復(fù)位線，在外部SIM卡的設(shè)計(jì)中，為了確保SIM卡的良好性能，需要增加一個(gè)靜電保護(hù)電路;此外，為了避免干擾，外部 SIM 卡座的地與模塊的地線布線要適當(dāng)加粗。為保證相同的電勢(shì)，需確保布線寬度不小于0.5mm。供電電源的去耦電容不超過1uF，且電容應(yīng)靠近外部 USIM 卡座擺放。其具體的電路原理圖如圖7所示。

4.3? RS-232接口電路設(shè)計(jì)

如圖8所示，RS-232是異步傳輸接口，該模塊的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)同樣的接口設(shè)計(jì)，其電路原理圖幾乎一致，主串口主要用來發(fā)送AT指令，它可用于AT命令通信和數(shù)據(jù)的傳輸，波特率設(shè)置為9600bps，另一個(gè)則是調(diào)試串口，可以進(jìn)行日志信息的軟件調(diào)試。本設(shè)計(jì)中的串口轉(zhuǎn)換芯片采取了SP3232芯片，另外，當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)電平是3.0V或者3.3V時(shí)，為了降低串口功耗，需要在模塊和主機(jī)的串口連接上加入1K以上的電阻，用于降低串口電流。對(duì)于更高的電壓系統(tǒng)之間的電平匹配，需要在模塊和主機(jī)之間增加電平轉(zhuǎn)換芯片以保證通信正常。

5? 上位機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)是針對(duì)下位機(jī)而言的，下位機(jī)一般指實(shí)體部分，由于節(jié)約下位機(jī)開發(fā)成本，其數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)性不是很好，往往需要將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給對(duì)應(yīng)的上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行解析與可視化，本設(shè)計(jì)將采取.NET技術(shù)，用C#語(yǔ)言開發(fā)一款具有無線接口的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。

5.1 .NET技術(shù)介紹

由于C#的一些優(yōu)點(diǎn)，即簡(jiǎn)單、易用，功能強(qiáng)大和跨平臺(tái)等特點(diǎn)，它已成為最有效的語(yǔ)言之一[22]。.NET框架是由Microsoft提供的基于Windows的軟件框架，它一直被廣泛認(rèn)為是軟件世界中最重要的技術(shù)。未來的其他Microsoft技術(shù)可能都會(huì)依賴于它。該框架擁有兩個(gè)主要組件：公共語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)（CLR）和.NET框架類庫(kù)。作為軟件執(zhí)行環(huán)境，CLR是.NET框架的基礎(chǔ)，提供了大量服務(wù)，例如內(nèi)存管理、線程管理、增強(qiáng)的安全性、調(diào)試和分析服務(wù)、異常處理、代碼檢查和編譯等，以在創(chuàng)建.NET組件期間幫助系統(tǒng)開發(fā)人員。類庫(kù)是一個(gè)全面的，面向?qū)ο蟮拇a集合，可以與開發(fā)人員自己的代碼結(jié)合使用，以便在各種應(yīng)用程序中使用。本文就是基于.NET框架，利用C#語(yǔ)言開發(fā)一款具有友好而便捷的人機(jī)交互界面軟件。

5.2? 軟件模塊設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)軟件主要包括有線連接界面、無線連接界面、波形顯示界面、日志顯示界面。為了方便用戶使用，該軟件系統(tǒng)將有線連接和無線連接都寫到了一個(gè)界面上，也就是說該軟件既可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的有線傳輸，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，具體的布局與功能如圖9所示。

如圖9所示，該界面主要包括設(shè)備的初始化，連接與釋放，登錄所需的用戶名和密碼，有數(shù)據(jù)的訂閱與取消訂閱，可以通過輸入設(shè)備的ID號(hào)來接收傳感器發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，消息的推送中可以通過給不同的設(shè)備發(fā)送命令來讀取不同設(shè)備的數(shù)據(jù)，即可以實(shí)時(shí)查看各節(jié)點(diǎn)的值。

5.3? 軟件編程邏輯設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，要確定系統(tǒng)的通信正常和下位機(jī)通信正常才能連接上位機(jī)系統(tǒng)，正常啟動(dòng)好應(yīng)用程序之后，應(yīng)用程序會(huì)啟動(dòng)自身有所的進(jìn)程，應(yīng)用程序完成自身啟動(dòng)之后開始檢查網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，然后開始讀取數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示：

數(shù)據(jù)的獲取過程依然會(huì)經(jīng)過一個(gè)連接過程，若是有線連接系統(tǒng)，則需要確定通信端口、通信之間的波特率以及校驗(yàn)碼等，若是選擇的NB無線連接，則需要核定登錄的用戶名以及密碼，或者提供該設(shè)備在有人為聯(lián)網(wǎng)之下的設(shè)備號(hào)，詳細(xì)流程如圖11所示所示。

5.4? ?C#網(wǎng)絡(luò)編程

C#語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，具有邊界檢查和垃圾收集。因此，它有助于通過防止危險(xiǎn)指針和內(nèi)存管理錯(cuò)誤來編寫安全代碼，例如訪問數(shù)組中的數(shù)組元素或與創(chuàng)建和刪除對(duì)象相關(guān)的問題。然后，由C#編譯器生成的元代碼由CLI解釋器執(zhí)行，可用于Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)。C#網(wǎng)絡(luò)編程一般有如下幾個(gè)步驟。

（1）服務(wù)端對(duì)端口進(jìn)行偵聽

（2）客戶端與服務(wù)端進(jìn)行連接

（3）服務(wù)端獲取客戶端連接

6? ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種傾角傳感器，可以有線接入PC機(jī)，也可以通過NB-IoT無線接入PC機(jī)，給用戶提供了極大便捷，另外良好的人機(jī)交互界面也是此系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)，該人機(jī)交互界面分為有線交互和無線交互兩個(gè)部分，可以顯示兩軸的傾角數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的可視化波形圖，在傾角傳感器的波動(dòng)中可以實(shí)時(shí)顯示兩軸的動(dòng)態(tài)曲線，此外，本文在對(duì)輸出的兩軸加速度進(jìn)行了硬件RC濾波，能夠過濾掉一些無關(guān)的干擾。引入NB-IoT進(jìn)行組網(wǎng)是本設(shè)計(jì)的另外一個(gè)特色，NB-IoT具有超強(qiáng)覆蓋、強(qiáng)連接、低功耗以及低成本等特點(diǎn)，將其運(yùn)用到本系統(tǒng)中降低系統(tǒng)成本計(jì)能耗。該設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了以下要求：

（1）基于SCA103T傾角感知元件，設(shè)計(jì)與該傳感器匹配的外圍采樣電路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能夠正常工作和高精度感知傾角信息;

（2）實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)多方位的傾角信息采集子系統(tǒng)和多節(jié)點(diǎn)測(cè)試組網(wǎng)擴(kuò)展功能;

（3）實(shí)現(xiàn)了485接口電路，使其能夠方便地接入互聯(lián)網(wǎng)，使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)容納量更高;

（4）實(shí)現(xiàn)了與其對(duì)應(yīng)的多節(jié)點(diǎn)上位機(jī)顯示，能夠很方便地查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傾角信息;

（5）實(shí)現(xiàn)了基于NB-IoT的低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸。

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