1. 研究目的与意义
1.1 研究背景
无线数据采集是现代信息通信研究的重要组成部分，它与传感器网络、信息处理等作为现代数据监测控制的基本技术。由于采集环境的限制，在多数领域中有必要将采集到的数据经过传输网络在主控制中心显示和控制，再通过中央处理器对所测环境下的变化进行监控。在很多领域，应用该系统可以采集到温度、湿度、光照等数字和模拟信号，再将采集到的参数进行相应的处理后，可以供用户监测和控制系统。在数据传输的方式上，可以分为有线和无线传输两种。现在传统的数据采集系统都是通过有线传输方式进行的，它具有速度快、可靠性高、工作稳定等优点，但同时这种采集方式易受环境和采集数据形式的影响。在很多场合，比如人员无法到达的偏僻环境，有高腐蚀性、现场无法利用明线连接等环境，选择有线数据采集传输系统显然己无法满足数据采集和传输的需要。另外，为了一次数据采集而去架设有线网络的人力物力经济投资都比较大，形成了资源浪费。在这种情形下，无线数据采集方式就成为了一种行之有效的替代方式。
无线数据传输的系统是硬件和软件的有机结合，利用快速发展的网络技术，无线通信通信技术得到近距离的音频、视频信息。目前，无线数据传输的系统在许多领域有着重要作用，广泛应用于对分散场所实施远程监控及报警的领域中，同时还可用于可视化办公及现代企事业管理。电脑技术发展的早期，当时数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线比较麻烦，需要特制接口，非常不方便，并且采用有线线缆的成本也很高。于是人们就开始研究无线的数据传输来取代这种传统的线缆传输，就有了我们现在比较熟悉的红外、蓝牙等无线数据传输技术。
2. 研究内容与预期目标
2.1研究内容
设计一个基于STM32的数传终端，供电电压：DC 8~32V 2A输入，信息化平台硬件架构包括信息采集和处理，微处理器，无线上传数据等部分。
2.2预期目标
3. 研究方法与步骤
3.1研究方法
详细分析系统的设计需求，设计出系统总体方案；
设计系统硬件电路原理图并进行控制电路硬件设计及控制软件设计，进行硬件电路调试、软件程序调试；提供完整的软件源程序。
3.2单片机方案选择
方案一：采用51单片机。从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，处理对象不是字或字节而是位。不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。同时在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用极为灵活，这一功能无疑给使用者提供了极大的方便。乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。但AD、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担，虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，这也是51系列单片机的最大软肋。运行速度过慢，特别是双数据指针，如能改进能给编程带来很大的便利。51单片机保护能力很差，很容易烧坏芯片。
方案2：采用STM32。首先它是使用用途非常广泛的arm内核。集成了非常丰富的接口，通信模块以及其他功能模块。开发工具，比较齐全，开发资料也比较丰富。可选择的型号非常多，基本上都不需要外部的硬件扩展。在功耗方面控制得比较好，另外，还有就是实时性比较强。
本课题采用方案二。采用ST公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103RBT6作为主控CPU,Cortex-M3内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用。该芯片最高工作频率可达到72 MHz,具有512K字节的闪存以及64K字节的SRAM,丰富的片上资源大大简化了系统硬件,同时大大降低了系统功耗。
STM32F103RBT6参数如下表所示：
| 技术参数： | 频率 | 72MHz |
| 电源电压（DC） | 2.00V（min） | |
| 工作电压 | 2V~3.6V | |
| 针脚数 | 64 | |
| 时钟频率 | 72MHz | |
| RAM大小 | 20KB | |
| 位数 | 32 | |
| FLASH内存容量 | 128KB | |
| 模数转换数（ADC） | 2 | |
| 输入/输出数 | 51 Input | |
| 工作温度（MAX） | 85℃ | |
| 工作温度（MIN） | -40℃ | |
| 电源电压 | 2V~3.6V | |
| 电源电压（MAX） | 3.6V | |
| 电源电压（MIN） | 2V | |
| 封装参数： | 安装方式 | Surface Mount |
| 引脚数 | 64 | |
| 封装 | LQFP-64 | |
| 外形尺寸： | 长度 | 10mm |
| 宽度 | 10mm | |
| 高度 | 1.4mm | |
| 封装 | LQFP-64 | |
| 物理参数： | 工作温度 | -40℃~85℃（TA） |
表3.1 STM32F103RBT6参数详情
STM32F103RBT6引脚图如下图3.1所示
图3.1 STM32F103RBT6引脚图
STM32F103RBT6封装图如下图3.2所示
图3.2 STM32F103RBT6封装图
3.3无线传输方案
方案一：采用WiFi传输。WiFi的优点是局域网部署无需使用电线，降低部署和扩充的成本。另外，根据WiFi联盟指定，“WiFi认证”是向后兼容的，它指定一套全球统一标准：不同于移动电话，任何WiFi标准设备将在世界上任何地方正确运行。WiFi的缺点是通信距离有限，稳定性差，功耗较大，组网能力差，安全性也较差。
方案二：采用蓝牙传输。“低功耗蓝牙”模式下实现了低功耗，覆盖范围增强，最大范围可超过100米；支持复杂网络：针对一对一连接最优化，并支持星形拓扑的一对多连接等；智能连接：增加设置设备间连接频率的支持，Ipv6网络支持。较高安全性：使用AES－128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。蓝牙模块体积很小，便于集成。蓝牙的各个版本不兼容，组网能力差；网络节点少，不适合多点布控。
方案三：采用ZigBee传输。功耗低，网络容量大，工作频段灵活。数据传输速率低，有效范围小，抗干扰性差，ZigBee协议没有开源，以及和IP协议不的对接比较复杂等。
方案四：采用4G传输。4G通信技术是第四代的移动信息系统，是在3G技术上的一次更好的改良，其相较于3G通信技术来说一个更大的优势，是将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100Mbps。
本课题采用方案一和方案四。WiFi模块采用ESP8266，4G模块采用EC200S-CN。
ESP8266是#12032;个完整且#12163;成体系的Wi-Fi#11956;络解决#12101;案，能够搭载软件应#12132;，或通过另#12032;个应#12132;处理器卸载所有Wi-Fi#11956;络功能。ESP8266在搭载应#12132;并作为设备中唯#12032;的应#12132;处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的#12220;速缓冲存储器有利于提#12220;系统性能，并减少内存需求。另外#12032;种情况是，#12102;线上#11956;接#12042;承担Wi-Fi适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易#12175;，只需通过SPI/SDIO接#12061;或中央处理器AHB桥接#12061;即可。ESP8266强#12068;的#12122;上处理和存储能#12050;，使其可通过 GPIO #12061;集成传感器及其他应#12132;的特定设备，实现了最低前期的开发和运#12175;中最少地占#12132;系统资源。ESP8266#12220;度#12122;内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决#12101;案在设计时将所占PCB空间降到最低。装有ESP8266的系统表现出来的领先特征有：节能VoIP在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的#12163;适应#12102;线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和#12102;线电系统共存特性为消除蜂窝 /蓝#12123;/DDR/LVDS/LCD干扰。
EC200S-CN 是移远通信最近推出的 LTE Cat 1 无线通信模块，支持最大下行速率 10Mbps 和最大上行速率 5Mbps，具有超高的性价比；同时在封装上兼容移远通信多网络制式 LTE Standard EC2x（EC25、EC21、EC20 R2.0、EC20 R2.1）和 EC200T/EG25-G/EG21-G 模块以及 UMTS/HSPA UC20/UC200T 模块，实现了 3G 网络与 4G 网络之间的无缝切换。EC200S-CN 还支持标准的 Mini PCIe 封装，以满足不同行业产品应用需求。
功能框图如图3.3：
图3.3 功能框图
EC200S 模块引脚分配图如图3.4
图3.4EC200S 模块引脚分配图
相关参数
频段：
LTE-FDD: B1/B3/B5/B8
LTE-TDD: B34/B38/B39/B40/B41
GSM: 900/1800 MHz
数据
LTE:最大 10 Mbps (DL)/最大 5 Mbps (UL)
EDGE: 最大236.8 Kbps (DL)/最大236.8 Kbps (UL)
GPRS: 最大 85.6 Kbps (DL)/最大 85.6 Kbps (UL)
接口
1 个 USB 2.0 高速接口
1 个数字语音 PCM 接口（可选）
1 个 1.8 V/3.0 V (U)SIM 接口
2 个 NETLIGHT 接口（NET_STATUS 和
NET_MODE）
2 个 UART 接口（主串口和调试串口）
2 个 ADC 接口
2 个 SDIO 接口（用于连接 SD 卡*和 Wi-Fi*）
RESET（低电平有效)
PWRKEY（低电平有效）
主天线
功耗：
11 μA @关机
TBD @LTE 休眠(PF=128)
TBD @LTE 休眠(PF=256)
30 mA @空闲
一般特性
扩展温度范围：-40 C ~ 85 C
模块尺寸： 29.0 mm 32.0 mm 2.4 mm
重量： TBD
LCC 封装
供电电压： 3.4~4.5 V，典型值 3.8 V
带宽： 1.4/3/5/10/15/20MHz
3GPP TS 27.007, 27.005 定义的命令，以及移远通信增强型 AT 命令
3.4无线数据终端方案
采用GPRS DTU。GPRS DTU是一种物联网无线数据终端，利用公用运营商网络GPRS网络(又称G网)为用户提供无线长距离数据传输功能. 采用高性能的工业级8/16/32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232和RS485（或RS422）接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能。
3.5温湿度传感器
采用DHT11。DHT11 是一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。 DHT11 与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个 I/O 口。传感器内部湿度和温度数据 40Bit 的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。 DHT11 功耗很低， 5V 电源电压下，工作平均最大电流 0.5mA。
DHT11 的技术参数如下：
l 工作电压范围： 3.3V-5.5V
l 工作电流 ：平均 0.5mA
l 输出：单总线数字信号
l 测量范围： 湿度 20~90％RH，温度 0~50℃
l 精度 ：湿度5%，温度2℃
l 分辨率 ：湿度 1%，温度 1℃
虽然 DHT11 与 DS18B20 类似，都是单总线访问，但是 DHT11 的访问，相对 DS18B20 来说要简单很多。
3.6电源模块
采用LM2596,AMS11171以及 MIC29302
LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。
LM2596系列开关稳压集成电路的主要特性如下：
1、输出电压：3.3V、5V、12V及（ADJ）等，最大输出电压37V
2、工作模式：低功耗/正常两种模式。可外部控制
3、工作模式控制：TTL电平相容
4、所需外部组件：仅四个（不可调）；六个（可调）
5、器件保护：热关断及电流限制
6、封装形式：5脚（TO-220(T)；TO-263(S))
LM2596引脚图：
图3.5
AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的最小压差保证不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。
AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封装。 AMS1117 参数 AMS1117 基本参数 输出电流 (A) 1 输出电压 (V) Adj,1.2,1.5, 1.8, 2.5,
2.85, 3.3, 5.0, * AMS1117 其他特性 初始误差 (%) 1.5 压差 (V) 1.3 AMS1117 封装类型 SOT-223 TO-252 SO-8
三端口可调节或固定输出电压
1.2V,1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V 和5.0V 输出电流1A 工作压差低至1V 线荷载调节：0.2% Max. 负载调节：0.4% Max. 可选SOT-223,TO-252和SO-8封装
AMS1117引脚接线图：
图 3.6
MIC29302是一种高精度，低漏电稳压器件，其输出电流达800mA，可满足系统电源要求
MIC电路原理图：
图3.7
3.7总体设计思路
4. 参考文献
[1] 李海. 基于STM32和无线数传模块的远程环境监控系统设计[J]. 中国新技术新产品(21).[2]吕堃, 张利芳. 基于无线数传模块的工业遥控器的设计[J]. 工业控制计算机, 2004(08):27-28.[3]刘教瑜, 吴美玲, 谭杰. GPRS DTU的设计及研究[J]. 电力自动化设备, 2006, 026(003):89-91.[4]刘欣, 邵媛媛, 方加宝,等. 无线数传模块在远程监控系统中的应用[J]. 火力与指挥控制, 2007, 32(012):153-155.[5]马洪涛, 赵国良, 张仁彦. 远程监控系统中的无线数据传输[J]. 黑龙江科技大学学报, 2005, 15(5):312-314.[6]高庆云, 卢胜利, 方沂,等. 基于无线通信的环境数据采集系统设计与实现[J]. 天津职业技术师范大学学报, 2011, 21(001):48-50.
[7] 吕鑫, 王忠. ZigBee无线数据传输模块的设计与实现[J]. 安徽师范大学学报(自科版), 2010(04):332-335.
[8] 张晓健, 李伟, 张小雨. MSP430和nRF905的无线数传系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2006, 000(002):68-70.
5. 工作计划
①2022年2月26日-2022年3月5日，有针对性的学习课题相关资料，学习相关学科的基础知识，学习实验所需软硬件的相关知识。
②2022年3月6日-2022年3月20日，设定实验方案，采集实验数据。查阅资料，撰写并提交开题报告。
③2022年3月21日-2022年4月25日，进一步理论分析，进行实验，开发相关软硬件系统。
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