基于傳感器網(wǎng)絡的嵌入式體質測量儀

1、基于傳感器網(wǎng)絡的嵌入式體質測量儀摘要：本課題任務是設計并制作基于傳感器網(wǎng)絡的嵌入式體質測量儀，實現(xiàn)可刷校園卡、可測量人體身高、人體體重、肺活量的功能。根據(jù)要求以超聲波、稱重傳感器以及肺活量傳感器為主要檢測元件，以STM32為單片機，以及HX_711AD芯片、MFRC522射頻模塊、無線WIFI、SIM900通信模塊在其控制下實現(xiàn)以下功能：1、 可刷校園卡，顯示卡號。2、 測量身高；3、 測量體重；4、 測量肺活量；5、 通過WIFI將測量數(shù)據(jù)在基于Android平板電腦上顯示；6、 通過藍牙將被測數(shù)據(jù)傳輸?shù)交贏ndroid平板電腦上，并且數(shù)據(jù)可導出；7、 通過SIM900以短信形式將測量數(shù)據(jù)

2、發(fā)送到手機上；8、 利用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)單片機與各個傳感器的通信；9、 在單片機上運行ucosii實時系統(tǒng)關鍵字：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：測量身高以及其測量模塊的選擇31.3：測體重以及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: 無線zigbee模塊41.7: 單片機的選擇4二、理論分析與計算42.1射頻模塊的原理42.2測重原理講解52.3身高測量法52.4肺活量測量算法52.5傳感器組成方案5三、程序設計：63.1程序流程圖63.2部分程序代碼63.3 zegbee協(xié)議6四、實物

3、圖7見附錄6.27五、設計總結及體會7六 附錄76.1部分程序代碼76.2實物圖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重力模塊、測身高模塊、校園卡刷卡模塊、測肺活量模塊。1.1：校園卡刷卡射頻模塊MF RC522 是應用于13.56MHz 非接觸式通信中高集成度讀寫的芯片。本模塊與STM32單片機結合，使用單片機SPI總線通信協(xié)議，實現(xiàn)校園卡刷卡功能并通過模塊顯示所要測得的數(shù)據(jù)信息。 MF RC522 利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。同時也具備諸多特點和差異。它與主機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、戶需求,本作品采用RC522射頻模塊實現(xiàn)校園卡刷卡功能通過刷校園卡，讓自己的卡號顯示在液晶屏上。1.2：測量身高以及其測量模塊的選擇方案一、超聲波模塊超聲波測距模塊有好多種類型，目前比較常用的有URM37超聲波傳感器默認是232接口，可以調為TTL接口,URM05大功率超聲波傳感器測試距離能到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位移轉換成一串數(shù)字脈沖信號的旋轉式傳感器，這些脈沖能 用來控制角位移，如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結合在一起，也可用于測量直線位移。綜上所述，考慮到測量身高時安裝的方便以及精度和誤差的要求，利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡

5、單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到要求，因此決定采用超聲波作為采集測距的模塊。1.3：測體重以及AD芯片的選擇本模塊實現(xiàn)測量體重功能，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轉換芯片PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同一個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。方案二、HX_711AD轉換芯片HX711是一款專為高精度電子秤而設計的

6、24位A/D轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A 或通道B，與其內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，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±40mV。通道B 則為固定的64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的

7、A/D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。綜上所述，本實驗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轉換芯片；通過內部增益實現(xiàn)采集放大原理。1.4：肺活量傳感器模塊方案一直接通過AWM700系列氣體流量傳感器直接測量氣體流量，再將傳感器的輸出電壓經(jīng)由AD送到單片機中進行處理，計算得出具體流量。再送液晶顯示模塊以及語音模塊進行顯示和語音播報。并通過RS232與上位機進行通信。 實際設計中并未采用此方案，因氣體流量傳感器價格普遍較高。方案二通過氣體壓力傳感器(MP

8、X2010DP)測量一定時間內的氣體流量，將氣壓傳感器置于 已知截面積的細管中，輸出電壓信號經(jīng)過轉換再送到單片機器，結合氣壓與流速的關系以及測量時間得出總的氣體流量。由于氣體壓力傳感器成本低、精度高，外界干擾對其影響不大，所以實際設計中采用此方案。本模塊將氣壓傳感器置于已知截面積的細管中，在被測量者向管中吹氣時，便可通過各 時刻的氣壓與流速的關系得出相應的氣流速，再結合測量時間計算得出氣體總流量。測量的原理框圖如下：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，性價比高;通過該模塊可與上位機連接通過串口發(fā)送

9、指令使得通信模塊安裝好手機卡后接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)；實現(xiàn)短信接收功能。1.6:無線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500米（5dbi天線），工作頻段2.380GHz2.500Ghz，除標準ZigBee的16個通道外，還有9個擴展頻段，可以有效避開WIFI、藍牙等其他2.4G信號干擾。1.7: 單片機的選擇方案一、使用80C51 單片機作為主控器，這是我們都比較熟悉的單片機，學習和使用起來都 比較簡單，能夠滿足系統(tǒng)所需的計算速度。價格適合。具有低功耗設計。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，它的運算速度非?？臁Ⅲw積小，耗電量低，甚至可以運行操作系統(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，通過其強大的功能以實現(xiàn)對身高、體重等數(shù)據(jù)的精確測量及處理。二、理論分析與計算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磁卡的線圈在卡的線圈感應出一個電壓被整流當工作電壓到達后卡的 IC 被激活感應電壓會隨著讀卡器天線和 MIFARE®卡的距離不同而變化由于電壓會變化工作距離受到傳輸?shù)墓β氏拗?.2測重原理講解詳細講解程序計算原理：步驟1：如何計算傳感器供電電壓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 VAVDD=VBG(R1 +R2 )/R2計算。VBG 為模塊兒基準電壓1.25v。R1 = 20K；R2 = 8.2K因此得出 VAVDD = 4.3V（為了降低功耗，該電壓只在采樣時刻才有輸出，因此 用萬用表讀取的值可能低于4.3v，因為萬用表測量的是有效值。）步驟2：如何計算 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128倍放大后，最大電壓為4.3mV*128 = 550.4mV經(jīng)過 AD 轉換后輸出的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)如何轉換。程序中通過HX711_Buffer = HX711_Read()獲取當前采樣的 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)計算。Weight SHIWU = HX711_Buffer/100，Weight SHIWU 最大為21474。步驟4：何將 AD 值反向轉換為重力值。假設重力為 A Kg，（x<5Kg）,測量出來的 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128倍增益后為 128 * 0.86A = 110.08AmV轉換為24bit 數(shù)字信號為 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所以得出程序中計算公式 Weight_ SHIWU = (unsigned int)(float)Weight_ SHIWU /4.30+0.05)。2.3身高測量法利用超聲波測距，都是統(tǒng)計超聲波發(fā)出到接收的時間

14、，然后再換算為距離;對于時間的統(tǒng)計，通常都是使用計數(shù)器完成;超聲波發(fā)射后，啟動計數(shù)器，收到回波后，取出計數(shù)值進行換算;STM32單片機內部的計數(shù)器，是對機器周期進行計數(shù)；假設聲波的速度是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，計數(shù)器中的值為:065535，除以6后，距離即為:010922(mm);推導如下：1s對應路程0.333km=1/3km；1ms對應路程0.333m=1/3m；1us對應路程0.333mm=1/3mm；1us:距離1/6mm；6us:距離1mm；1/6：即為每個機器周期T(即us)代表的距離數(shù)值(mm)；本模塊采用STM32的定時器中斷和輸入捕獲

15、功能來計時得到時間從而由公式得到實際測得的距離。2.4肺活量測量算法由于傳感器的輸出較?。ū粶y量者吹氣時，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)過轉換得到肺活量的實際值。2.5傳感器組成方案 本題目采用HX711AD芯片以及壓力傳感器、驅動芯片以及編碼 器組成的身高測量儀，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關可任意選取通道A 或通道B，與其內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，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±

16、40mV；壓力傳感器工作原理將應變片粘貼到受力的彈性元件上, 當彈性元件受力產(chǎn)生變形時,應變片產(chǎn)生相應的應變,通過測量輸出電壓的數(shù)值, 再通過換算即可得到所測量物體的重量。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磁卡的線圈在卡的線圈感應出一個電壓被整流當工作電壓到達后卡的 IC 被激活感應電壓會隨著讀卡器天線和 MIFARE®卡的距離不同而變化由于電壓會變化工作距離受到傳輸?shù)墓β氏拗?。通過WIFI模塊和SIM900、藍牙實現(xiàn)無線傳輸和發(fā)送短信功能使得基于Android 的手機可以接收到相應的數(shù)據(jù)。三、程序設計：3.1程序流程圖 開始初始 初始化for

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

18、協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。四、實物圖見附錄6.2五、設計總結及體會 本設計內容，涉及對傳感器的使用，使得對超聲波、AD采集的原理有了更深的了解，同時在無線通信方面的知識如，SIM900、WIFI的數(shù)據(jù)傳輸更為深刻，通過嵌入式操作系統(tǒng)調試數(shù)據(jù)使其顯示在液晶上；調試工作十分繁瑣，以后的學習過程中應更加細心，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