基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式體質(zhì)測(cè)量?jī)x

1、基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式體質(zhì)測(cè)量?jī)x摘要：本課題任務(wù)是設(shè)計(jì)并制作基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式體質(zhì)測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)可刷校園卡、可測(cè)量人體身高、人體體重、肺活量的功能。根據(jù)要求以超聲波、稱(chēng)重傳感器以及肺活量傳感器為主要檢測(cè)元件，以STM32為單片機(jī)，以及HX_711AD芯片、MFRC522射頻模塊、無(wú)線WIFI、SIM900通信模塊在其控制下實(shí)現(xiàn)以下功能：1、 可刷校園卡，顯示卡號(hào)。2、 測(cè)量身高；3、 測(cè)量體重；4、 測(cè)量肺活量；5、 通過(guò)WIFI將測(cè)量數(shù)據(jù)在基于Android平板電腦上顯示；6、 通過(guò)藍(lán)牙將被測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交贏ndroid平板電腦上，并且數(shù)據(jù)可導(dǎo)出；7、 通過(guò)SIM900以短信形式將測(cè)量數(shù)據(jù)

2、發(fā)送到手機(jī)上；8、 利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與各個(gè)傳感器的通信；9、 在單片機(jī)上運(yùn)行ucosii實(shí)時(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵字：zigbee;嵌入式;傳感器目錄一、系統(tǒng)硬件模塊選擇方案21.1：校園卡刷卡射頻模塊31.2：測(cè)量身高以及其測(cè)量模塊的選擇31.3：測(cè)體重以及AD芯片的選擇31.4：肺活量傳感器模塊31.5：數(shù)據(jù)通信模塊41.6: 無(wú)線zigbee模塊41.7: 單片機(jī)的選擇4二、理論分析與計(jì)算42.1射頻模塊的原理42.2測(cè)重原理講解52.3身高測(cè)量法52.4肺活量測(cè)量算法52.5傳感器組成方案5三、程序設(shè)計(jì)：63.1程序流程圖63.2部分程序代碼63.3 zegbee協(xié)議6四、實(shí)物

3、圖7見(jiàn)附錄6.27五、設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)7六 附錄76.1部分程序代碼76.2實(shí)物圖9一、系統(tǒng)硬件模塊選擇方案根據(jù)題目要求本題目可分為測(cè)重力模塊、測(cè)身高模塊、校園卡刷卡模塊、測(cè)肺活量模塊。1.1：校園卡刷卡射頻模塊MF RC522 是應(yīng)用于13.56MHz 非接觸式通信中高集成度讀寫(xiě)的芯片。本模塊與STM32單片機(jī)結(jié)合，使用單片機(jī)SPI總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)校園卡刷卡功能并通過(guò)模塊顯示所要測(cè)得的數(shù)據(jù)信息。 MF RC522 利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz 下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。同時(shí)也具備諸多特點(diǎn)和差異。它與主機(jī)間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)不同的用

4、戶(hù)需求,本作品采用RC522射頻模塊實(shí)現(xiàn)校園卡刷卡功能通過(guò)刷校園卡，讓自己的卡號(hào)顯示在液晶屏上。1.2：測(cè)量身高以及其測(cè)量模塊的選擇方案一、超聲波模塊超聲波測(cè)距模塊有好多種類(lèi)型，目前比較常用的有URM37超聲波傳感器默認(rèn)是232接口，可以調(diào)為T(mén)TL接口,URM05大功率超聲波傳感器測(cè)試距離能到10米，目前的超聲波模塊精度能到0.3cm。方案二、編碼器編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器，這些脈沖能 用來(lái)控制角位移，如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結(jié)合在一起，也可用于測(cè)量直線位移。綜上所述，考慮到測(cè)量身高時(shí)安裝的方便以及精度和誤差的要求，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)

5、單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到要求，因此決定采用超聲波作為采集測(cè)距的模塊。1.3：測(cè)體重以及AD芯片的選擇本模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量體重功能，使用通用的重力傳感器，配合AD采集得到其重力值，AD芯片的選擇：方案一、PCF8591AD轉(zhuǎn)換芯片PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同一個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無(wú)需額外的硬件。方案二、HX_711AD轉(zhuǎn)換芯片HX711是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的

6、24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±40mV。通道B 則為固定的64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的

7、A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)采用重力傳感器的靈敏電壓變化范圍較小而且還要考慮到溫漂的影響，我們決定采用HX_711AD轉(zhuǎn)換芯片；通過(guò)內(nèi)部增益實(shí)現(xiàn)采集放大原理。1.4：肺活量傳感器模塊方案一直接通過(guò)AWM700系列氣體流量傳感器直接測(cè)量氣體流量，再將傳感器的輸出電壓經(jīng)由AD送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，計(jì)算得出具體流量。再送液晶顯示模塊以及語(yǔ)音模塊進(jìn)行顯示和語(yǔ)音播報(bào)。并通過(guò)RS232與上位機(jī)進(jìn)行通信。 實(shí)際設(shè)計(jì)中并未采用此方案，因氣體流量傳感器價(jià)格普遍較高。方案二通過(guò)氣體壓力傳感器(MP

8、X2010DP)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的氣體流量，將氣壓傳感器置于 已知截面積的細(xì)管中，輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換再送到單片機(jī)器，結(jié)合氣壓與流速的關(guān)系以及測(cè)量時(shí)間得出總的氣體流量。由于氣體壓力傳感器成本低、精度高，外界干擾對(duì)其影響不大，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中采用此方案。本模塊將氣壓傳感器置于已知截面積的細(xì)管中，在被測(cè)量者向管中吹氣時(shí)，便可通過(guò)各 時(shí)刻的氣壓與流速的關(guān)系得出相應(yīng)的氣流速，再結(jié)合測(cè)量時(shí)間計(jì)算得出氣體總流量。測(cè)量的原理框圖如下：氣體壓力氣體流速氣體流量1.5：數(shù)據(jù)通信模塊SIM900屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，SIM900A性能穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比高;通過(guò)該模塊可與上位機(jī)連接通過(guò)串口發(fā)送

9、指令使得通信模塊安裝好手機(jī)卡后接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)短信接收功能。1.6:無(wú)線zigbee模塊WLT2408NZ模塊是廣州曉網(wǎng)電子出品的WLT系列ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊，具備最大8dBm輸出功率，視距傳輸距離可達(dá)500米（5dbi天線），工作頻段2.380GHz2.500Ghz，除標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的16個(gè)通道外，還有9個(gè)擴(kuò)展頻段，可以有效避開(kāi)WIFI、藍(lán)牙等其他2.4G信號(hào)干擾。1.7: 單片機(jī)的選擇方案一、使用80C51 單片機(jī)作為主控器，這是我們都比較熟悉的單片機(jī)，學(xué)習(xí)和使用起來(lái)都 比較簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)所需的計(jì)算速度。價(jià)格適合。具有低功耗設(shè)計(jì)。方案二、使用arm處理器，arm處理

10、器是近幾年新興的微型處理器，它的運(yùn)算速度非?？臁Ⅲw積小，耗電量低，甚至可以運(yùn)行操作系統(tǒng)，是近幾年電子產(chǎn)品的主流處理器。綜上所述我們決定采用STM32單片機(jī)，通過(guò)其強(qiáng)大的功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)身高、體重等數(shù)據(jù)的精確測(cè)量及處理。二、理論分析與計(jì)算2.1射頻模塊的原理RC522射頻模塊工作原理RWD 天線線圈的電流 I 產(chǎn)生磁通量的部分穿過(guò)磁卡的線圈在卡的線圈感應(yīng)出一個(gè)電壓被整流當(dāng)工作電壓到達(dá)后卡的 IC 被激活感應(yīng)電壓會(huì)隨著讀卡器天線和 MIFARE®卡的距離不同而變化由于電壓會(huì)變化工作距離受到傳輸?shù)墓β氏拗?.2測(cè)重原理講解詳細(xì)講解程序計(jì)算原理：步驟1：如何計(jì)算傳感器供電電壓HX711可以在產(chǎn)生

11、 VAVDD 和 AGND 電壓，即711模塊上的 E+和 E-電壓。該電壓通過(guò) VAVDD=VBG(R1 +R2 )/R2計(jì)算。VBG 為模塊兒基準(zhǔn)電壓1.25v。R1 = 20K；R2 = 8.2K因此得出 VAVDD = 4.3V（為了降低功耗，該電壓只在采樣時(shí)刻才有輸出，因此 用萬(wàn)用表讀取的值可能低于4.3v，因?yàn)槿f(wàn)用表測(cè)量的是有效值。）步驟2：如何計(jì)算 AD 輸出最大值在4.3V 的供電電壓下5Kg 的傳感器最大輸出電壓是4.3v*1mv/V = 4.3mV經(jīng)過(guò)128倍放大后，最大電壓為4.3mV*128 = 550.4mV經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換后輸出的24bit 數(shù)字值最大為：550.4

12、mV*224/4.3V 2147483步驟3：程序中數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)換。程序中通過(guò)HX711_Buffer = HX711_Read()獲取當(dāng)前采樣的 AD 值，最大2147483，存放在 long 型變量 HX711_Buffer 中，因 long 型變量計(jì)算速率和存放空間占用資源太多，故除以100，縮放為整型，便于后續(xù)計(jì)算。Weight SHIWU = HX711_Buffer/100，Weight SHIWU 最大為21474。步驟4：何將 AD 值反向轉(zhuǎn)換為重力值。假設(shè)重力為 A Kg，（x<5Kg）,測(cè)量出來(lái)的 AD 值為 y 5Kg 傳感器輸出，發(fā)送給 AD 模塊兒的電壓為 A K

13、g * 4.3mV / 5Kg = 0.86A mV， 經(jīng)過(guò)128倍增益后為 128 * 0.86A = 110.08AmV轉(zhuǎn)換為24bit 數(shù)字信號(hào)為 110.08A mV * 224 / 4.3V = 429496.7296A所以 y = 429496.7296A /100 = 4294.967296 A 因此得出 A = y / 4294.967296 Kg y / 4.30 g所以得出程序中計(jì)算公式 Weight_ SHIWU = (unsigned int)(float)Weight_ SHIWU /4.30+0.05)。2.3身高測(cè)量法利用超聲波測(cè)距，都是統(tǒng)計(jì)超聲波發(fā)出到接收的時(shí)間

14、，然后再換算為距離;對(duì)于時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，通常都是使用計(jì)數(shù)器完成;超聲波發(fā)射后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，收到回波后，取出計(jì)數(shù)值進(jìn)行換算;STM32單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，是對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；假設(shè)聲波的速度是333m/s，那么，用微秒數(shù)除以6，馬上即可得到距離的毫米數(shù)；即，計(jì)數(shù)器中的值為:065535，除以6后，距離即為:010922(mm);推導(dǎo)如下：1s對(duì)應(yīng)路程0.333km=1/3km；1ms對(duì)應(yīng)路程0.333m=1/3m；1us對(duì)應(yīng)路程0.333mm=1/3mm；1us:距離1/6mm；6us:距離1mm；1/6：即為每個(gè)機(jī)器周期T(即us)代表的距離數(shù)值(mm)；本模塊采用STM32的定時(shí)器中斷和輸入捕獲

15、功能來(lái)計(jì)時(shí)得到時(shí)間從而由公式得到實(shí)際測(cè)得的距離。2.4肺活量測(cè)量算法由于傳感器的輸出較?。ū粶y(cè)量者吹氣時(shí)，電壓變化大概為15mv左右）電阻R401為100歐姆將輸入電壓放大（電壓放大倍數(shù)由公式G=49.4K/R+1算出）；經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到肺活量的實(shí)際值。2.5傳感器組成方案 本題目采用HX711AD芯片以及壓力傳感器、驅(qū)動(dòng)芯片以及編碼 器組成的身高測(cè)量?jī)x，肺活量傳感器，RC522射頻模塊；工作原理：HX_711的工作原理輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±

16、40mV；壓力傳感器工作原理將應(yīng)變片粘貼到受力的彈性元件上, 當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生變形時(shí),應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變,通過(guò)測(cè)量輸出電壓的數(shù)值, 再通過(guò)換算即可得到所測(cè)量物體的重量。RC522射頻模塊工作原理RWD 天線線圈的電流 I 產(chǎn)生磁通量的部分穿過(guò)磁卡的線圈在卡的線圈感應(yīng)出一個(gè)電壓被整流當(dāng)工作電壓到達(dá)后卡的 IC 被激活感應(yīng)電壓會(huì)隨著讀卡器天線和 MIFARE®卡的距離不同而變化由于電壓會(huì)變化工作距離受到傳輸?shù)墓β氏拗?。通過(guò)WIFI模塊和SIM900、藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和發(fā)送短信功能使得基于Android 的手機(jī)可以接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。三、程序設(shè)計(jì)：3.1程序流程圖 開(kāi)始初始 初始化for

17、循環(huán)檢測(cè)按鍵循環(huán)按鍵2按下按鍵3按下按鍵1按下檢測(cè)肺活量執(zhí)行身高檢測(cè) 是是是檢測(cè)體重3.2部分程序代碼見(jiàn)附錄6.13.3 zegbee協(xié)議ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱(chēng)（又稱(chēng)紫蜂協(xié)議）來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)

18、協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。四、實(shí)物圖見(jiàn)附錄6.2五、設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì) 本設(shè)計(jì)內(nèi)容，涉及對(duì)傳感器的使用，使得對(duì)超聲波、AD采集的原理有了更深的了解，同時(shí)在無(wú)線通信方面的知識(shí)如，SIM900、WIFI的數(shù)據(jù)傳輸更為深刻，通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)使其顯示在液晶上；調(diào)試工作十分繁瑣，以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中應(yīng)更加細(xì)心，耐心；。六 附錄6.1部分程序代碼#include "stm32f10x_it.h" void NM

19、I_Handler(void)/ 測(cè)體重的部分程序 void HardFault_Handler(void)void MemManage_Handler(void)void BusFault_Handler(void)void UsageFault_Handler(void) void SVC_Handler(void)void DebugMon_Handler(void)void PendSV_Handler(void)void SysTick_Handler(void)void NMI_Handler(void) /測(cè)升高的部分程序void HardFault_Handler(void)void MemManage_Handler(void)void BusFault_Handler(void)void UsageFault_Handler(void)void SVC_Handler(void)void DebugMon_Handler(void)/SIM900部分程序 void PendSV_Handler(void)void SysTick_Handler(void)void NMI_Handler(void)void