基于STM32和Zigbee的电力表数据采集

只看该作者 · 2023-5-30 15:51

项目描述
要求：
1、监测设备一天的用电量。
2、统计开机、关机时间，计算使用率。
3、有可能的话实现手机端实时监控

预计方案：
STM32单片机通过RS-485串口驱动电力表模块采集数据，然后再通过TTL串口将数据发送给ZigBee终端。ZigBee终端在接收到数据后通过无线传输将数据发送给协调器，ZigBee协调器通过RS232串口通讯将数据发送给上位机。上位机实时显示数据。另外，还可以开发一款手机APP，上位机将数据保存，发送到手机端，通过手机端对数据进行实时监控。
其中，电力表模块、STM32模块、ZigBee终端模块这三部分组成一个数据采集模块，放置在机器人上，用于采集数据。ZigBee协调器模块和上位机构成显示模块，用于显示耗电量、使用效率等数据。
项目系统结构图如下：

————————————————
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原文链接：https://blog.csdn.net/ShineSmile29/article/details/109547399

只看该作者 · 2023-5-30 16:03

项目实施计划
通信
单片机与电力表之间通过串口1通讯，上位机与单片机之间通过串口2通讯。
串口1、2的初始化程序、中端配置程序如下：

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//串口1初始化函数

void usart1_init(u32 bound)

{

  //GPIO端口设置

        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//创建GPIO的初始化结构体

        USART_InitTypeDef USART_InitStructure;//创建USART的初始化结构体

        

         

        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);        //使能USART1，GPIOA时钟

  

        //USART1_TX   GPIOA.9

        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9 RX        

        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        //复用推挽输出

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9

   

  //USART1_RX          GPIOA.10初始化

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10  



  

   //USART 初始化设置



        USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率

        USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式

        USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位

        USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位

        USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制

        USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;        //收发模式



    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1

   

    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口1 



}

//串口1中断配置

void usart1_NVIC__init(void)

{

        NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;//创建NVIC的初始化结构体

        //Usart1 NVIC 配置

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;                //子优先级3

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;                        //IRQ通道使能

        NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);        //根据指定的参数初始化VIC寄存器

        USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断

  





}

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void usart2_init(u32 bound)

{  

        //GPIO端口设置

        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

         

 

        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟

        RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);//使能USART2时钟

        

 

        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;        //PA2 tx

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        //复用推挽

        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

   

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;//PA3 Rx

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  



        

 //USART2配置

        USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//波特率设置

        USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//8位数据长度

        USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位

        USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;///奇偶校验位

        USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制

        USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式



    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); ; //初始化串口

  

    USART_Cmd(USART2, ENABLE);                    //使能串口 

}

//串口2中断配置

void usart2_NVIC__init(void)

{

        NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

        

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn; //使能串口2中断

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级2级

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //从优先级2级

        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能外部中断通道

        NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器

        

        USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中?





}

只看该作者 · 2023-5-30 16:03

上位机与单片机之间
上位机与单片机之间通过串口2通讯。当上位机向单片机发送命令时，单片机接收到命令执行相应操作。比如上位机发送“ I”，单片机就会向电力表发送相应的查电流的代码。
串口2中断服务程序如下：
此处千万要注意，千万要注意中断服务程序的名字不能写错，否则就不能进中断。（当时这个Bug找了好久…想哭悲伤哭泣委屈）

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//串口2中断服务函数

void USART2_IRQHandler(void)

{

         

        if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) == SET)//检测中断接收标志位是否置1

                uctemp=USART_ReceiveData(USART2);

                

}

只看该作者 · 2023-5-30 16:07

电力表与单片机之间
单片机——>电力表
MODBUS_RTU通讯协议补充
电力表提供了RS485通讯接口，采用MODBUS——RTU通讯规约。

只看该作者 · 2023-5-30 16:08

电力表与单片机之间
单片机——>电力表
MODBUS_RTU通讯协议补充
电力表提供了RS485通讯接口，采用MODBUS——RTU通讯规约。

只看该作者 · 2023-5-30 16:08

例如：主机发送数据帧：读三相电流值

存电流寄存器的起始地址是“00H，45H”（查说明书MODBUS——RTU地址信息表得，即69），存放三相电流的寄存器一共有六个，所以寄存器数是“00H,06H”。

校验码是通过专用计算器算的。

只看该作者 · 2023-5-30 16:09

所以定义读取电压、电流、功率的数组如下：

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        u8 current[8]={0x01,0x03,0x00,0x45,0x00,0x06,0xD4,0x1D};

        u8 voltage[8]={0x01,0x03,0x00,0x39,0x00,0x06,0x15,0xC5};

        u8 power[8]={0x01,0x03,0x00,0x4B,0x00,0x06,0xB5,0xDE};

只看该作者 · 2023-5-30 16:09

串口发送指令补充

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//发送一个字节

void sendByte(USART_TypeDef* USARTx,u8 date)

{

        USART_SendData(USARTx, date);

        while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE)==RESET);

}



//发送两个字节

void sendTwoByte(USART_TypeDef* USARTx,u16 date)

{

        u8 temp_h,temp_l;

        temp_h =(date&0xff00)>>8;

        temp_l=(date&0xff);

        sendByte(USARTx,temp_h);

        sendByte(USARTx,temp_l);

        

        

}



//发送四个字节

void sendFourByte(USART_TypeDef* USARTx,u32 date)

{

        u8 temp1,temp2,temp3,temp4;

        temp1 =(date&0xff000000)>>24;

        temp2=(date&0xff0000)>>16;

        temp3=(date&0xff00)>>8;

        temp4=(date&0xff);

        sendByte(USARTx,temp1);

        sendByte(USARTx,temp2);

        sendByte(USARTx,temp3);

        sendByte(USARTx,temp4);

        

        

}

//发送8位数组

void sendArry(USART_TypeDef* USARTx,u8 *arry,u8 num)

{

        u8 i;

        for(i=0;i<num;i++)

        {

                sendByte(USARTx,arry[i]);

        }

        while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TC)==RESET);

}

//发送字符串

void Usart_Sendstr(USART_TypeDef* USARTx,char*str)

{

        u8 i=0;

        do

        {

                sendByte(USARTx,str[i]);

                i++; 

        }

        while(*(str+i)!='\n');

        while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TC)==RESET);

        

}

只看该作者 · 2023-5-30 16:10

单片机接收到命令后，通过串口1向电力表发送相应指令，电力表通过串口1返回数据
例如：

其中数据段一共有12个字节，没4个字节表示一相的电流值。

只看该作者 · 2023-5-30 16:10

串口1接收到数据后进入串口1的中断服务子程序，把接收到的数据存在接收缓存寄存器里面，具体程序如下：

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//串口1中断服务函数

//USART_RX_BUF[17];接收缓冲,最大17个字节 。 USART_RX_STA;接收状态标记,记录接收到第几个字节

void USART1_IRQHandler(void)

{

        u8 Res;

        

        if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断

                {

                        

                        Res =USART_ReceiveData(USART1);        //读取接收到的数据

                        USART_RX_BUF[USART_RX_STA] = Res;

                        USART_RX_STA++;

                        if(USART_RX_STA==17)//返回的数据一共有17个字节

                        {

                                USART_RX_STA=0;

                                flag =1;//flag是接收完成标志位

                        

                        }

                

                }

}

只看该作者 · 2023-5-30 16:11

单片机再把返回的数据发送给上位机。

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if(flag)//串口1接收中断完成

                {        

                        

                        for(t=3;t<15;t++)//数组里的第四个字节开始是电流值

                        {

                                

                                USART_SendData(USART2, USART_RX_BUF[t]);//向串口2发送数据

                                while(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束

                        }

                        flag=0;

                }

只看该作者 · 2023-5-30 16:22

只接A相负载的实验结果如图

只看该作者 · 2023-5-30 16:23

可见A相的电流值为“32 30 20 C5”，这是一个4个字节表示的浮点型数据，标准的IEEE-754标准，后续还要对数据进行处理，直接用ASCLL码表示浮点型。

只看该作者 · 2023-5-30 16:23

数据处理
上次已经通过串口读到电表采集的电流值了，但是它是用4个字节的16进制数表示的，不方便读取，所以要根据IEEE-754标准将4个字节的16进制数转换成10进制浮点数。

IEEE-754标准16进制（32位）转化成10进制float
关于IEEE-754标准的只是大家可以参见这篇文章：IEEE754 浮点数的表示方法
1、首先返回来的一相数据是“32 30 20 C5”，它占4个字节存储在4个内存单元中，目前还不是一个32位的数，所以要先把它转换成一下存在一个内存单元里，故需要定义一个变量temp，具体程序如下：

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                        u32 temp1=0,temp2=0,temp3=0;//用于存放每相转化后的32位16进制数

                        temp1=temp1|(USART_RX_BUF[3]<<24);//USART_RX_BUF[3]变为temp1的高8位（25~32位）

                        temp1=temp1|(USART_RX_BUF[4]<<16);

                        temp1=temp1|(USART_RX_BUF[5]<<8);

                        temp1=temp1|(USART_RX_BUF[6]);

只看该作者 · 2023-5-30 16:23

USART_RX_BUF[]是一个含有17个元素的全局变量数组，用来存放电表返回的数据。从第4个元素开始是数据值，故需要从USART_RX_BUF[3]开始取值。

extern u8 USART_RX_BUF[17];

只看该作者 · 2023-5-30 16:24

!!!注意全局变量不能重复定义，只定义在一个.h文件中就可以了。

只看该作者 · 2023-5-30 16:25

2、现在16进制的32位数已经保存在了temp1这个内存单元中，下面要把temp1内存单元的数按照IEEE-754标准转化成10进制浮点型。
16进制（32位）转化成10进制float程序如下：

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//============================================================

//函数名称 :Float32

//函数功能 :将32位的float转换为10进制数,IEEE 754标准

//输入变量 :NumFloat32:待转换32位浮点数        

//返 回 值 :计算结果 无符号整形 u32 ,返回-1为负数或者超限；

//============================================================

float Float32(u32 NumFloat32)

{



        signed char  sbit, ebits;// sbit符号位，ebits指数位

        signed int mbits,temp,i;//mbits位数位

        float Float32_sum;

        float Float32_result =0;

        temp = 0x00400000;

        Float32_sum = 1.0;

        i = 1;



        sbit = NumFloat32 >> 31;

        ebits = (NumFloat32 >> 23) & 0xff;



        if (sbit)    //若需要负数部分，sbit为1时，result*-1,去掉判断；

        {

                return -1;

        }

        ebits -= 127;    //得到阶码<0，即结果小于1，返回0；

        if (ebits < 0)//负数

        {

                return 0;

        }

        while (temp != 0)

        {

                mbits = NumFloat32 & temp;

                if (mbits!=0)

                        Float32_sum += pow(2, -i);//pow是指数运算函数，2是底数，-i是指数

                temp = temp >> 1;

                i++;

        }

        

        Float32_result =Float32_sum* pow(2, ebits);

        

        return Float32_result;



}

只看该作者 · 2023-5-30 16:25

2、现在16进制的32位数已经保存在了temp1这个内存单元中，下面要把temp1内存单元的数按照IEEE-754标准转化成10进制浮点型。
16进制（32位）转化成10进制float程序如下：

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//============================================================

//函数名称 :Float32

//函数功能 :将32位的float转换为10进制数,IEEE 754标准

//输入变量 :NumFloat32:待转换32位浮点数        

//返 回 值 :计算结果 无符号整形 u32 ,返回-1为负数或者超限；

//============================================================

float Float32(u32 NumFloat32)

{



        signed char  sbit, ebits;// sbit符号位，ebits指数位

        signed int mbits,temp,i;//mbits位数位

        float Float32_sum;

        float Float32_result =0;

        temp = 0x00400000;

        Float32_sum = 1.0;

        i = 1;



        sbit = NumFloat32 >> 31;

        ebits = (NumFloat32 >> 23) & 0xff;



        if (sbit)    //若需要负数部分，sbit为1时，result*-1,去掉判断；

        {

                return -1;

        }

        ebits -= 127;    //得到阶码<0，即结果小于1，返回0；

        if (ebits < 0)//负数

        {

                return 0;

        }

        while (temp != 0)

        {

                mbits = NumFloat32 & temp;

                if (mbits!=0)

                        Float32_sum += pow(2, -i);//pow是指数运算函数，2是底数，-i是指数

                temp = temp >> 1;

                i++;

        }

        

        Float32_result =Float32_sum* pow(2, ebits);

        

        return Float32_result;



}

只看该作者 · 2023-5-30 16:26

3、后来师兄说利用共用体就可以实现16进制（32位）转化成10进制float的功能，不用调用复杂的Float32函数。
共用体可以使不同的数据类型来共享相同的地址空间。首先定义一个共用体，既可以存放浮点型又可以存放整型。程序如下：

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union data

{

        float dataInFloat;//存放浮点型数

        u32 dataInUnsingedInt;//存放整数

};

只看该作者 · 2023-5-30 16:26

定义共用体变量：

union data currentData;//定义一个共用体变量。

将32位的16进制数（整型）存放在共用体中，然后调用的时候以浮点型取出。这样它就可以实现16进制（32位）转化成10进制float的功能。

currentData.dataInUnsingedInt = temp1;
Turn_Float_to_str(currentData.dataInFloat);