基于单片机的无线数据传输装置研制基于wifi的3d脉搏计资料.docx
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基于单片机的无线数据传输装置研制基于wifi的3d脉搏计资料
全日制本科生毕业设计
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题目：
基于WIFI的3D脉搏计
基于单片机的无线数据传输装置研制
摘要：
监测数据的无线传输在无线遥控、遥测、电子医疗、复杂环境的工业数据采集等领域具有广泛的应用，监测点利用单片机采集数据，通过无线数据传输模块传输，在监测站利用无线数据传输模块接收后，发送到监测站计算机，实现远程监测的目的。
关键词：
STM32单片机；无线传输；通信
Abstract:
Wirelesstransmissionofmonitoringdatainthewirelessremotecontrol,remotesensing,electronicmedical,industrialdataacquisitionofcomplexenvironment,andotherfieldshaveaapplicationsofwiderange,usingsinglechipmonitoringdata,throughthewirelessdatatransmissionmodule,monitoringstationsintheuseofwirelessdatatransmissionmoduleafterreceiving,senttothemonitoringstationcomputer,achievethegoalofremotemonitoring.
Keywords:
STM32singlechip;Wirlesstransmission;communication
1引言
监测数据通常采用有线传输方式，例如近距离的串行传输、并行传输、I2C总线等，中距离采用CAN总线及其他通信总线技术，但是，远距离数据传输始终是监测数据传输的难题；其次在一些有线传输无法使用的场合，必须采用无线数据传输方式。
监测数据的无线传输在监测领域具有较为广泛的应用前景[1]。
1.1无线通信技术概述
无线通信系统（WirelessCommunicationSystem）也称为无线电通信系统.是由发送设备、接受设备、无线信道三部分组成，是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特征进行信息交换的一种通信方式，在移动中实现的无线通信又被称为移动通信，该技术的发展始于上世纪20年代，经历了五个发展阶段。
目前，正处于第五阶段的第三代数字移动通信时代。
其特点是通信频段进一步加宽，数据业务占的比重大幅度增加，全面走向移动多媒体通信。
1.2短距离无线通信
随着Internet技术、计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，无线网络逐渐走入人们的眼帘，在有线网络技术已经发展成熟的今天，无线网络具有巨大的潜力。
人们提出了“物联网”的概念，在人和环境融为一体的模式下，能够在任何时间，任何地点，以任何方式进行信息的获取与处理。
近年来无线组网通信发展迅速的原因，不仅是由于技术已经到达可驾驭和可实现的高度，更是因为人们对信息随时随地获取和交换的迫切需要，从而要去各种通信技术发展的终极目标是“无处不在”。
在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，短距离无线通信技术成为了当今的热点。
一个典型的短距离无线通信系统基本包括一个无线发射器和一个无线接收器。
目前使用较广泛的短距离无线通信技术是蓝牙（Bluetooth）,无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA）。
同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是：
ZiBee、超宽频（UltraWideBand）、短距通信（NFC）、GPS、DECT和专用无线系统等。
它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。
但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。
常用几种短距离无线通信的特点和基本原理介绍：
（1）蓝牙无线通信技术是由瑞典电信设备制造商TelefonaktiebolagetLMEricsson（也就是现今的爱立信公司）的工程师们构想出来的。
蓝牙技术主要被应用于无线设备、图像处理、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家电电器、医疗健身和建筑等领域。
蓝牙技术的特点包括：
采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；使用2.4GHz的ISM频段，无须申请许可证；采用FM调制方式，降低设备的复杂性。
（2）Wifi（IEEE802.11）（是WLAN的一种，最常用）Wifi全程WirelessFidelity,意为无线。
Wifi是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准、最早提出与1997年，目的是提供无线局域网的接入，可实现几Mbps的无线接入、主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。
其优势在于：
无线电波的覆盖范围广（100m左右）；传输速度快（11Mb/s）；成本低，省去网络布线，便于厂商介入。
（3）红外数据传输（IrDA）红外线数据协会[3]（InfraredDataAssociation，IrDA）成立于1993年，是致力于建立红外无线连接的非盈利组织。
IrDA是一种利用红外进行点对点通信的技术。
目前支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机、笔记本电脑）上已经被广泛使用。
它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低的特点、IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接[4]。
（4）ZigBee（紫峰技术）ZigBee技术是最近发展起来的一种短距离、低速率无线通信技术，它具有低功耗、低成本、易应[]用的特点，主要工作在2.4Ghz频段，采用扩频技。
ZigBee也被认为是可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。
2系统硬件设计
2.1总体设计
基于单片机的无线数据传输系统[5]，在硬件方面，整个设计两个模块单片机主控模块和无线数据收发模块，该系统由主机和从机组成，主机发送数据，从机接收数据。
通信过程是生物传感器采集数据通过单片机串口写入到单片机，之后将数据通过WiFi模块发送。
从机通过另外的WiFi模块接收数据然后单片机通过串口读取。
通过软件编程使每一部分完成相应的功能。
该无线数据传输装置，结构简单，易于拓展。
下面是该无线数据装置的整体结构框图，如图2-1、图2-2所示：
图2-1数据发送端
图2-2数据接收端
2.2核心控制单片机
作为无线数据传输装置的控制中心[6]，我们采用的意法半导体公司的STM32F1系列的单片机。
意法半导体（STMicroelectronics）是全球第五大半导体厂商，在很多市场居世界领先水平。
例如，意法半导体是世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商，世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商，而且在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。
STM32具体以下特点。
内核：
ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。
单周期乘法和硬件除法。
存储器：
片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理：
2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。
上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD）。
4-16MHz的晶振。
内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。
内部40kHz的RC振荡电路。
用于CPU时钟的PLL。
带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗：
3种低功耗模式：
休眠，停止，待机模式。
为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式：
串行调试（SWD）和JTAG接口。
DMA：
12通道DMA控制器。
支持的外设：
定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART[7]。
图2-3STM32脉搏信号采集及传输原理图
图2-4STM32脉搏信号采集及传输PCB
2.2无线数据收发模块（WiFi模块）
WIFI模块，我们采用的是安信可公司基于乐鑫ESP8266无线芯片所制的无线模组。
ESP8266是一个完整且自成体WiFi网络解决方案，能够独立运行，也可以作为slave搭载与其他Host运行。
图2-5ESP8266模组
ESP8266是通过AT指令进行控制工作的。
它能工作在三种模式下：
softAP模式、station模式、softAP+station模式。
softAP模式指的是ESP8266自身作为无线接入点（俗称热点），其他站点（移动、固定设备）分别于ESP8266进行链接通
信，构成一个星型的无线局域网网络。
Station模式指的是ESP8266作为站点加入到其他路由（AP），与其他AP组成无线局域网。
softAP+station模式指的是具体无线接入点与站点的功能，ESP8266自身作为一个网络的中心也可以加入到其他网络当中去，构成一个扩展的服务集ESS（ExtendedServiceSet）。
在脉搏信号采集端，ESP8266被设置成station模式。
单片机通过串口向ESP8266模组发送AT指令，设置成sation模式，并设置了相应的参数，使之成为数据发送端并加入到数据接收端AP模式当中去。
2.3生物数据采集
我们将采用HKG_07A红外脉搏传感器对人体脉搏信号进行采集。
此款脉搏
计，由电源5V供电，利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动，引起手指指尖的血容积发生相应的变化，经过信号放大、调理等电路处理。
HKG-07A输出同步与脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。
图2-6HKG-07A红外脉搏传感器输出波形图图2-7HKG-07A红外脉搏传感器
3系统软件设计
3.1总体流程图
基于单片机的无线数据传输装置系统[8]软件结构较为简单，包含开启单片机的串口并利用串口完成对无线收发模块ESP8266的配置。
配置完成后，通过输入命令使其进入发送或接受状态进行数据传输。
软件采用模块化程序设计方法，软件系统的总体流程如图3-1所示：
图3-1总体流程图
3.2数据采集端
STM32F103VET6控制着整个采集端的工作流程[9]。
首先利用HKG_07A红外脉搏传感器采集的人体脉搏信号（矩形波），通过STM32中的片上外设“定时器”的捕获功能，每一次上升沿产生一个中断。
在中断服务函数中，计算出矩形波的周期，并通过ESP8266把周期发送给接收端。
在主程序中配置了相应的外设，同时也通过串口向ESP8266发送AT指令，初始化好ESP8266的模式。
程序如下：
voidNet_Build（void）
{boola=false,b=false;//循环标志
USART_printf（USART1,"%s","\r\n......正在组建网络......\r\n"）;
USART_printf（USART1,"%s","\r\n正在测试ESP8266......\r\n"）;
ESP8266_TEST（）;//ESP8266启动测试,失败则在函数死循环测试
USART_printf（USART1,"%s","\r\n正在配置ESP8266工作模式......\r\n"）;
while（!
a）a=ESP8266_Work_Mode_SET（STA_AP）;//ESP8266工作模式设USART_printf（USART1,"%s","\r\n正在加入Wife......\r\n"）;
while（!
b）b=ESP8266_JOINAP（"PCYQY","0123456789"）;//加入指定AP，失败则死循环加入}
voidclient（void）
{boola=false,/*c=false,*/d=true;//循环标志
boolb;//建立通信成功标志
uint8_ti=1;//失败次数标志
USART_printf（USART1,"%s","\r\n........正在建立通信........\r\n"）;
USART_printf（USART1,"%s","\r\n正在开启多链接......\r\n"）;
while（!
a）a=ESP8266_MultipleId（ENABLE）;//是否开启多链接.
USART_printf（USART1,"%s","\r\n正在请求通信......\r\n"）;
while（d）
{b=ESP8266_Link_Server（TCP,"192.168.4.1","5050",0）;//向server请求通信链接
if（!
b）
if（i<5）//失败次数不能大于5（先发送后i累加,i=1）
i++;//向server请求通信链接失败，i累加失败次数
else
{flag_client=1;
USART_printf（USART1,"%s","\r\n建立通信失败5次，放弃请求\r\n\r\n"）;
break;
}
else
{flag_client=0;
break;
}
}
}
4系统调试
4.1硬件调试
电路在硬件调试过程中，采用分模块焊接、分模块调试的方法，保证系统硬件焊接完成后，在系统上电时，电路可正常工作，同时要特别注意短路、虚焊、热击穿等。
本设计中，主要对主控模块、ESP8266WiFi模块等进行焊接及调试。
图4-1基于单片机的无线数据传输装置
4.1.1主控模块
单片机调试时，首先把单片机芯片正确地焊接在PCB板上，由于单片机芯片管脚比较多，不能对每一个管脚进行单独焊接，故采用在管脚上均匀涂抹一定量焊锡，然后再去除个别管脚上多余的焊锡。
焊接过程中应注意：
电路板的焊接工艺是通过烙铁的加热使焊锡丝融化，电路板和元器件连接在一起，焊接时注意烙铁的角度和电路板呈现约45度角，焊接的时间控制好，温度太高会使铜箔剥离电路板。
用示波器测试单片机的晶振时，发现波型混乱，晶振不能正常工作。
电容换了还是不起振，可以排除电容和虚焊的问题。
把20MHz的晶振换成了8MHz（换成8MHz晶振是因为手上没有20MHz的晶振）后再次测量晶振，波型完整。
说明原因可能是晶振的问题。
4.1.2ESP8266WiFi模块
系统选用ESP8266芯片，其具有14个管脚，要特别注意相邻管脚由于焊接不当导致的短路现象，焊接完毕后，用万用表依次对相邻管脚进行检查，检查是否有虚焊、短路的情况。
4.2软件调试
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。
安装Keil后，可用C语言进行编程。
在软件调试过程中我学会一点，如果配置字设置不合理，即便程序编译通过下到单片机的程序仍然无法正常运行。
5总结
本论文无线数据传输装置以ESP8266模块为无线收发核心，以单片机为数据收发的控制核心。
系统的设计和实现分硬件电路和软件编程完成，首先根据课题要求选择合适的元器件。
使用电路设计软件Altiumdesigner根据器件手册上推荐的外围电路来设计本次课题的硬件部分。
用Keil软件编写系统的软件部分包括ESP8266的初始化和串口控制数据的收发及与单片机的通信。
由于系统实现的功能只是简单地实现数据的接收，核心部分都是集成芯片，所以电路不算复杂，涉及的元器件不多。
在画PCB版图时，总出错。
最终在老师的指导下，找出了出错的原因是PCB设计规则不合理，所以在每次从原理图到PCB总是报错。
还有就是元器件的布局，完成合理的布局需要一定的设计经验，所以刚开始布了几次总感觉乱糟糟，后来经指导得到了一些经验，重新开始才勉强通过。
尽管本次设计基本实现了任务要求，但是还可以进行许多晚上扩展其功能使之成为具有实际意义和价值的装置。
我们可以充分利用单片机的资源，把剩余的端口设计成某些信息的数据输入端口。
比如把发射模块单片机PB的某一口接上DS18B20温度传感器，这样系统就可实现气温数据发送，接收模块可通过上位机或者通过液晶实时显示气温。
当然根据实际需求进行设计开发出相应的产品。
参考文献
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人民邮电出版社,1995.
[2]马淑华、王凤文、张美金，单片机原理与接口技术[M].北京：
北京邮电大学出版社，2005.
[3]杰哈、张孝霖，红外技术应用：
光电、光子器件及传感器[M].北京：
化学工业出版社，2004.
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科技出版社，1979.
[5]李群芳，张士军，黄建，单片微型计算机与接口技术（第2版）[M].北京：
电子工业出版社，2004.
[6]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉：
华中科技大学出版社，2000.
[7]江国强.现代数字逻辑电路[M].北京：
电子工业出版社，2002：
162～178.
[8]王一怀.单片机原理及其嵌入式应用教程[M].北京：
北京希望电子出版社，2002.
[9]Koji Nakanishi, Infrared absorption spectroscopy, Publisher:
Holden-Day,Inc.1977.
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