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基于CW32L031的超低功耗无线超远距离温湿度采集系统

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lulugl|  楼主 | 2023-6-30 15:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
#申请原创# #有奖活动# @21小跑堂 @21小管家
【硬件环境】
  • CW32L031C8开发板
  • SHT30温湿度传感器
  • E31-TTL-50无线串口模块

【开发板环境】
Ubuntu20.0.4
【代码编辑器】
VSCODE+ssh
【编译器】
arm-none-eabi-gcc
【工程包】
Cw32l031_gcc工程包
【工程概述】
本工程的核心分为sht30数据采集后,经无线串口模块发送给上位机,利用自动唤醒模块休眠指定时长后再次唤醒系统进行数据采集。
【初略原理图】
3ab4c60b7e7ebe9d228d9c552a41276b
【程序流程图】
8d3c16a02953ab66580d55a6d6cb3a3a
【主要代码】
自动唤醒定时器 (AWT) 包含一个 16bit 向下计数器,并由一个可编程预分频器驱动。AWT 可选 5 种计数时钟源,可工作于定时模式或计数模式。当计数器时钟源为 LSE 或 LSI 时,AWT 可在深度休眠模式下保持运行,下溢出中断可唤醒 MCU 回到运行模式。具体配置代码如下:
voidInit_awt_power(void)
{
    AWT_TimeCntInitTypeDefAWT_TimeCntInitStruct = {0};
    RCC_APBPeriphClk_Enable2(RCC_APB2_PERIPH_AWT, ENABLE);  //Open AWT Clk
    RCC_SystemCoreClockUpdate( RCC_Sysctrl_GetHClkFreq() );
    RCC_LSI_Enable();

    AWT_TimeCntStructInit( &AWT_TimeCntInitStruct );
    AWT_TimeCntInitStruct.AWT_ClkSource = AWT_CLKSOURCE_LSI;
    AWT_TimeCntInitStruct.AWT_Prescaler = AWT_PRS_DIV32768;
    AWT_TimeCntInitStruct.AWT_Mode = AWT_MODE_TIMECNT;
    AWT_TimeCntInitStruct.AWT_Period = 120;
    AWT_TimeCntInit(&AWT_TimeCntInitStruct);
    __disable_irq();
    NVIC_EnableIRQ(AWT_IRQn);
    __enable_irq();
    //使能AWT下溢出中断
    AWT_ITConfig(AWT_IT_UD, ENABLE);
    AWT_Cmd(ENABLE);
    //DeepSleep唤醒时,保持原系统时钟来源
    RCC_WAKEUPCLK_Config(RCC_SYSCTRL_WAKEUPCLKDIS);

}
软件IIC的配置,这里使用软件模拟实现。具体代码如下:
#include"myiic.h"
#define  I2C1_SCL_GPIO_PORT       CW_GPIOB
#define  I2C1_SCL_GPIO_PIN        GPIO_PIN_10   
#define  I2C1_SDA_GPIO_PORT       CW_GPIOB
#define  I2C1_SDA_GPIO_PIN        GPIO_PIN_11  
voiddelay_us(uint32_tus)
{
    while(us--)
    {
        __NOP();
        __NOP();
        __NOP();
        __NOP();
        __NOP();
    }

}
voidIIC_Init(void)
{
      //配置PB10 为输出
    //使能GPIOB时钟
    CW_SYSCTRL->AHBEN_f.GPIOB  = 1;
    //配置PB10 为输出
    CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN10 = 0; //设置 GPIOx_ANALOG.PINy 为 0,将端口配置为数字功能;
    CW_GPIOB->DIR_f.PIN10 = 0;    //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0,将端口配置成输出;
    CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN10 = 0;  //0:推挽输出
    CW_GPIOB->ODR_f.PIN10 = 1;

    CW_GPIOB->ANALOG_f.PIN11 = 0; //设置 GPIOx_ANALOG.PINy 为 0,将端口配置为数字功能;
    CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0;    //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0,将端口配置成输出;
    CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0;  //0:推挽输出
    CW_GPIOB->ODR_f.PIN11 = 1;

}

//IO方向设置(SDA)
/*********xxxxxxxxxxxxxx*************/
voidSDA_IN()  
{
    CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 1;    //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0,将端口配置成输出;
}
voidSDA_OUT()
{
  CW_GPIOB->DIR_f.PIN11 = 0;    //设置 GPIOx_DIR.PINy 为 0,将端口配置成输出;
    CW_GPIOB->OPENDRAIN_f.PIN11 = 0;  //0:推挽输出
}
//产生IIC起始信号
voidIIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();     //sda线输出
    IIC_SDA=1;        
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
    delay_us(4);
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线,准备发送或接收数据
}   
//产生IIC停止信号
voidIIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();//sda线输出
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
    delay_us(4);
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    delay_us(4);                                
}
//等待应答信号到来
//返回值:1,接收应答失败
//        0,接收应答成功
/*********xxxx修改超时时间************/
uint8_tIIC_Wait_Ack(void)
{
    uint8_tucErrTime=0;
    SDA_IN();      //SDA设置为输入  
    IIC_SDA=1;delay_us(3);     
    IIC_SCL=1;delay_us(3);   
    while(READ_SDA)
    {
        ucErrTime++;
        if(ucErrTime>250)
        {
            //printf("超时\n");
            IIC_Stop();
            return1;
        }
    }
    IIC_SCL=0;//时钟输出0      
    return0;  
}
//产生ACK应答
voidIIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答         
voidIIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}           
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1,有应答
//0,无应答           
voidIIC_Send_Byte(uint8_ttxd)
{                        
    uint8_tt;   
        SDA_OUT();      
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        if((txd&0x80)>>7)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;      
        delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;  
        delay_us(2);
    }   
}     
//读1个字节,ack=1时,发送ACK,ack=0,发送nACK   
uint8_tIIC_Read_Byte(unsignedcharack)
{
    unsignedchari,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
  for(i=0;i<8;i++ )
    {
        IIC_SCL=0;
        delay_us(100);
            IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA) receive++;   
        delay_us(100);
    }                    
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    returnreceive;
}
SHT30的采集程序如下:
#include"sht30.h"
#include"myiic.h"
#define POLYNOMIAL_CXDZ 0x31 // X^8 + X^5 + X^4 + 1
//SHT3X CRC校验
unsignedcharSHT3X_CRC(uint8_t *data, uint8_tlen)
{
    unsignedcharbit;        // bit mask
    unsignedcharcrc = 0xFF; // calculated checksum
    unsignedcharbyteCtr;    // byte counter
    // calculates 8-Bit checksum with given polynomial @GZCXDZ
    for(byteCtr = 0; byteCtr < len; byteCtr++) {
            crc ^= (data[byteCtr]);
            for(bit = 8; bit > 0; --bit) {
                    if(crc & 0x80) {
                            crc = (crc << 1) ^ POLYNOMIAL_CXDZ;
                    }  else {
                            crc = (crc << 1);
                    }
            }
    }
  returncrc;
}
//SHT30命令函数
//addr:表示产品的序号,因为SHT30使用IIC总线的话一条线上可以挂两个
voidSHT30_CMD(uint16_tcmd)
{
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+0);  //发送设备地址,写寄存器
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte((cmd>>8)&0xff); //MSB
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(cmd&0xff); //LSB
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Stop();
    SysTickDelay(50);//命令发完后需要等待20ms以上才能读写
}
//SHT30读取温湿度
//temp:温度,-400~1250,实际温度=temp/10,分辨率0.1℃,精度±0.3℃
//humi:湿度,0~1000,实际湿度=humi/10,分辨率0.1%rh,精度±3
//返回0成功,1失败
uint8_tSHT30_Read_Humiture(int *temp,uint16_t *humi)
{
    uint8_tbuff[6];

    SHT30_CMD(SHT30_READ_HUMITURE);//读温湿度命令

    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(SHT30_ADDR+1); //发送设备地址,读寄存器
    IIC_Wait_Ack();
    buff[0]=IIC_Read_Byte(1);//继续读,给应答
    buff[1]=IIC_Read_Byte(1);//继续读,给应答
    buff[2]=IIC_Read_Byte(1);//继续读,给应答
    buff[3]=IIC_Read_Byte(1);//继续读,给应答
    buff[4]=IIC_Read_Byte(1);//继续读,给应答
    buff[5]=IIC_Read_Byte(0);//不继续给停止应答
    IIC_Stop();

    //printf("buff=%d,%d,%d,%d,%d,%d\r\n",buff[0],buff[1],buff[2],buff[3],buff[4],buff[5]);
    //CRC校验
    if(SHT3X_CRC(&buff[0],2)==buff[2] && SHT3X_CRC(&buff[3],2)==buff[5])
    {
        *temp=(-45+(175.0*((buff[0]<<8)+buff[1])/65535.0))*10;
        *humi=10*100*((buff[3]<<8)+buff[4])/65535.0;
        if(*temp>1250) *temp=1250;
        elseif(*temp<-400) *temp=-400;
        return0;
    }
    elsereturn1;  

}
//SHT30初始化
voidSHT30_Init()
{
    IIC_Init();
}
在主程序中,我们首先对串口、IIC、AWT、SHT30进行初始化,然后进入采集程序,实现的代码如下:
intmain(void)
{
    intt[6];
    uint16_th[6];
    E31_UART_Init();
    SHT30_Init();
    USART_ITConfig(CW_UART1, USART_IT_RC, ENABLE);
    Init_awt_power();
    InitTick(24000000ul); //初始化SysTick
    // 开启两线调试接口
    RCC_SWDIO_Config(RCC_SYSCTRL_SWDIOEN);
    while (1)
    {
        SHT30_Read_Humiture(t,h);
        e31_send(t[0],h[0]);
        enter_lowpower();
        exit_lowpower();
    }
    return0;
}
【程序效果】
模块采集的数据,在上位机的串口助手上接收到以16进制数据发送的温湿度数据。
7792666de2e990409869dd18592c4f6c
上位机根据具体的需要再进行解析、判断或者分发。
【功耗测试】
此工程以合宙的IoT Power来采集功率耗数据,并做出基本的分析,具体效果如下图:
04533513d0c814897e96baac3ecb3a74
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。
【讨论】
CW32L031具有超低功耗的出色性能,此实验的意义验证了在电池供电的环境下,可以持续的工作数年的可能。433M无线超远距离无线转输模块可以提供长达5公里(空旷)数据传输,广泛适用于智慧农业等野外的数据持续采集。也可以把温湿度传感器更改为土壤湿度、门禁等传感器,实现无线报警等功能。

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pmp| | 2023-7-5 10:14 | 显示全部楼层
DHT11、DHT22或SHT系列传感器等都可以实现的。

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lulugl 2023-7-5 10:35 回复TA
DHT11不知道功耗怎么样? 
gygp| | 2023-7-5 11:05 | 显示全部楼层
使用功耗较低的温湿度传感器,以降低整个系统的功耗。

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pixhw| | 2023-7-5 11:20 | 显示全部楼层
选择具有低功耗特性的MCU或芯片组来实现系统的控制和通信。

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albertaabbot| | 2023-7-5 11:45 | 显示全部楼层
怎么设计stm32温湿度检测               

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usysm| | 2023-7-5 11:59 | 显示全部楼层
求单片机CW32L031资料              

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zerorobert| | 2023-7-5 12:04 | 显示全部楼层
优化数据传输协议、合理配置射频发送功率、降低射频发送频率

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maudlu| | 2023-7-5 12:21 | 显示全部楼层
为了实现超低功耗无线超远距离温湿度采集,需要综合考虑选择低功耗无线技术、低功耗传感器、优化数据传输、使用低功耗MCU或芯片组、优化电源管理策略和天线增益等多个方面的因素。

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uiint| | 2023-7-5 13:31 | 显示全部楼层
CW32L031具有多种功耗管理机制,可以帮助减少系统功耗。

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louliana| | 2023-7-5 13:43 | 显示全部楼层
采用节能的数据传输方式来减少功耗。

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plsbackup| | 2023-7-5 14:35 | 显示全部楼层
LoRa、NB-IoT、Zigbee怎么样

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hearstnorman323| | 2023-7-5 14:43 | 显示全部楼层
CW32L031的低功耗性能              

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deliahouse887| | 2023-7-5 14:55 | 显示全部楼层
能够实现远距离的数据传输?              

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lulugl|  楼主 | 2023-7-5 15:31 | 显示全部楼层
deliahouse887 发表于 2023-7-5 14:55
能够实现远距离的数据传输?

空旷地带是5公里左右。可以障碍物穿透性也非常好。

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CXAuroRa| | 2024-3-21 16:37 | 显示全部楼层
请问cw31l031超低功耗无线的那个工程可以开源一份吗?急需,无论我怎么搞都400多ua的功耗,学生尽力了2503225113@qq.com

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lulugl|  楼主 | 2024-3-21 22:05 | 显示全部楼层
CXAuroRa 发表于 2024-3-21 16:37
请问cw31l031超低功耗无线的那个工程可以开源一份吗?急需,无论我怎么搞都400多ua的功耗,学生尽力了 ...

一下子找不到了呀,最近换了电脑。你可以发一份工程我,我帮你看看。

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lulugl|  楼主 | 2024-3-21 22:05 | 显示全部楼层
CXAuroRa 发表于 2024-3-21 16:37
请问cw31l031超低功耗无线的那个工程可以开源一份吗?急需,无论我怎么搞都400多ua的功耗,学生尽力了 ...

好象我的提交源码的。

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jf101| | 2024-3-22 11:13 | 显示全部楼层
楼主,具体的数据传输有信号干扰的问题嘛?如何解决的?

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lulugl|  楼主 | 2024-3-22 15:36 | 显示全部楼层
jf101 发表于 2024-3-22 11:13
楼主,具体的数据传输有信号干扰的问题嘛?如何解决的?

我这个目前没有考虑。

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szt1993| | 2024-3-25 15:14 | 显示全部楼层
用功耗较低的温湿度传感器,以降低整个系统的功耗。

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