馬艷梅,陳 猛

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,無線傳輸技術(shù)在智慧礦山、智能倉儲、智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如當(dāng)前礦用皮帶機沿線監(jiān)視裝置均為有線傳輸信號及供電,造成巷道內(nèi)電纜數(shù)量多,管理困難,電纜鋪設(shè)工程量大。結(jié)合礦井人員短缺情況,急需將有線信號傳輸裝置升級為無線信號傳輸監(jiān)視裝置。本文以TI的CC3200微控制器為核心,實現(xiàn)了一款低功耗無線監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由基于CC3200的Wi-Fi數(shù)據(jù)采集傳送裝置、無線路由器、智能手機客戶端和基于QT開發(fā)的APP組成,如圖1所示。無線監(jiān)視系統(tǒng)節(jié)點的能量消耗主要包括:處理器模塊和 Wi-Fi 無線通信模塊。系統(tǒng)的低功耗不僅取決于硬件,更重要的是合理的軟件設(shè)計。本文通過對CC3200 微控制器以及Wi-Fi模塊低功耗的合理使用并通過較好的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低了系統(tǒng)的總體功耗。

圖1 無線監(jiān)視系統(tǒng)

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

MCU處理器的選擇上由于CC3200自帶Wi-Fi通信模塊和片上系統(tǒng),在實現(xiàn)無線監(jiān)視終端與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺的信息交互功能上性能較好,而且功耗較低,本次設(shè)計以CC3200作為發(fā)送和接收的核心控制器。

1.1 CC3200無線監(jiān)視系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線監(jiān)視終端的主芯片采用CC3200微控制器,由電源模塊、電壓電流測試端口、ADC轉(zhuǎn)換模塊、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)、LED電路模塊等部分組成,如圖2所示。

圖2 無線監(jiān)視系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主要硬件電路設(shè)計

硬件部分主要由3部分組成:電源電路、信號采集電路和指示燈顯示電路。第一,電源電路。采用5V直流電源供電,通過波動開關(guān)來控制通電斷電,通過電容元件進行隔離濾波,如圖3所示。第二,信號采集電路。在主站和從站上分別布設(shè)8個開關(guān)按鍵作為IO口輸入信號。自帶上拉電阻,低電平閉合,高電平斷開。音頻模擬信號直接接到單片機的ADC輸入接口,如圖4所示。第三,指示燈顯示電路。采用8路LED燈串聯(lián)電阻作為對應(yīng)數(shù)字信號顯示線路。單片機輸出低電平點亮,高電平熄滅,如圖5所示。

圖3 電源電路圖

圖4 信號采集電路圖

圖5 指示燈顯示電路圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

軟件工作流程如下,系統(tǒng)初始化之后開定時器,啟動CC3200無線模塊連接無線路由AP。在主循環(huán)中設(shè)定定時器頻率進行音頻信號采集,判斷定時器是否采集到700幀一組的數(shù)據(jù),如果采集到,就進行UDP收發(fā)數(shù)據(jù)操作。具體功能包括,第一,數(shù)字量采集,普通GPIO采集。第二,音頻信號采集。12位ADC+DMA采集,使用定時器,進行有效數(shù)據(jù)獲取,同時控制采樣頻率。采樣頻率=1S/定時器中斷時間。第三,數(shù)據(jù)傳輸。等待接收開啟/關(guān)閉傳輸指令,更新傳輸?shù)刂泛烷_啟/關(guān)閉數(shù)據(jù)發(fā)送。檢測有效數(shù)據(jù)是否夠一幀,如果足夠進行組包發(fā)送,然后清除有效數(shù)據(jù)區(qū)等待下次采集發(fā)送。數(shù)字量數(shù)據(jù)如果改變,立刻觸發(fā)實時發(fā)送,未避免丟包,重復(fù)發(fā)送3～5次。軟件流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 系統(tǒng)功能測試的目的

一是測試設(shè)備無線發(fā)送數(shù)字信號,另一設(shè)備可以正常接收并顯示。二是測試設(shè)備無線發(fā)送模擬信號,手機端可以正常接收并顯示。三是測試設(shè)備同時無線發(fā)送數(shù)字信號和模擬信號,另一設(shè)備可以正常接收并顯示,手機端可以同步接收并顯示。

3.2 系統(tǒng)功能測試的方法

模擬音頻信號通過信號發(fā)生器產(chǎn)生,數(shù)字信號通過一組8位的開關(guān)量人為撥動產(chǎn)生。為方便觀察數(shù)據(jù)發(fā)送延時時長,測試時終端間測試距離設(shè)定為5米,發(fā)送延時時長通過秒表測量。本系統(tǒng)加入功耗的測量,通過萬用表測量供電電壓、電流,進而計算出功耗,P=U*I。具體功能測試如下:功能設(shè)計1,APP接收顯示節(jié)點采集的數(shù)字量信號。功能設(shè)計2,APP接收節(jié)點采集音頻信號,實時顯示信號波形。功能設(shè)計3,APP同時顯示節(jié)點采集數(shù)字量和音頻信號波形。功能設(shè)計4,APP切換采集節(jié)點,重復(fù)1、2、3項測試。 功能設(shè)計5,節(jié)點1數(shù)字量改變,節(jié)點2指示燈同步。節(jié)點2數(shù)字量改變,節(jié)點1指示燈同步。按照設(shè)計功能,測試結(jié)果見表1。

圖6 軟件工作流程圖

表1 測試表

4 結(jié)語

以CC3200為控制核心,設(shè)計了一套低功耗無線監(jiān)視系統(tǒng)。通過站點上采集模擬音頻信號和開關(guān)數(shù)字信號的各項參數(shù),借助CC3200片上WiFi模塊和互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議實現(xiàn)自主組網(wǎng)功能,將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送到手機監(jiān)視終端,實現(xiàn)通過WIFI實時傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上主要由電源模塊、電壓電流測試端口、ADC轉(zhuǎn)換模塊、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)、LED電路模塊等部分組成,軟件功能上主要實現(xiàn)了模擬音頻信號和數(shù)字信號的采集、CC3200控制及信號傳輸功能、無線網(wǎng)組網(wǎng)以及手機APP功能。通過實驗分析和功能測試,表明設(shè)計的系統(tǒng)具有低功耗、高帶寬、實時性強等優(yōu)點,是一款性能優(yōu)良的無線監(jiān)視系統(tǒng)。