周長(zhǎng)學(xué) 袁赫

摘要：手持機(jī)為便攜式數(shù)據(jù)接收處理終端，該手持機(jī)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)（WIA-PA/USB）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)閾值設(shè)定、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能。

關(guān)鍵詞：手持機(jī)，STM32，WIA-PA

通常數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地顯示或者發(fā)送到云端進(jìn)行顯示，但是該種方式對(duì)于通常只有簡(jiǎn)單的幾個(gè)環(huán)境要素和較低采集頻率情況下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都配一個(gè)液晶或者添加網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)產(chǎn)生巨大的成本。所以采用手持機(jī)無(wú)線(xiàn)通信方式可以一對(duì)多，一個(gè)手持機(jī)采集多個(gè)環(huán)境模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示則有效的降低成本，提高設(shè)備的利用率。

1.系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)通信通信或者有線(xiàn)兩種通信方式，支持鍵盤(pán)設(shè)置、液晶顯示。采用大容量可更換電池，便于攜帶運(yùn)輸，可以一對(duì)多對(duì)所有的采集器進(jìn)行一對(duì)一連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示和閾值設(shè)定。

2.系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，采用WIP-PA為無(wú)線(xiàn)通信模塊，TUSB3410為有線(xiàn)通信方式支持USB通信。液晶采用3.2寸TFT顯示器。并采用時(shí)鐘芯片，存儲(chǔ)芯片等模塊。

2.1 STM32主控芯片

Stm32是一款性?xún)r(jià)比超高的系列單片機(jī)，功能極其強(qiáng)大。其基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核，同時(shí)具有一流的外設(shè)：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等

2.2 WIA-PA無(wú)線(xiàn)通信模塊

我國(guó)自主的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸，具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理效率提高80%以上，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到1000點(diǎn);具有射頻環(huán)境認(rèn)知能力的多級(jí)自適應(yīng)跳頻機(jī)制，是國(guó)際上工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的智能跳頻技術(shù)，根據(jù)信道干擾狀態(tài)，自適應(yīng)切換，同頻干擾環(huán)境下通信可靠性99%以上;在多跳無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)中時(shí)空頻聯(lián)合調(diào)度的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，時(shí)延指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;多源隨機(jī)選擇和周期自適應(yīng)的時(shí)間同步方法，功耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;支持中國(guó)自主安全加密技術(shù)，安全性高

2.3原理圖

2.3.1 STM32部分原理圖

手持器選擇超低功耗STM32L151RET6微控制器芯片。該芯片采用高性能ARMR CortexR-M3 RISC內(nèi)核的高性能超低功耗32位MCU，工作頻率32MHz，集成了USB連接電源、存儲(chǔ)器保護(hù)單元、高速嵌入存儲(chǔ)器（512KB閃存和80KB RAM），還有連接到兩個(gè)APB總線(xiàn)的增強(qiáng)I/O和外設(shè)。

2.3.2WIA-PA部分原理圖

無(wú)線(xiàn)通信選擇WIA-PA模塊，用于手持機(jī)采集模塊無(wú)線(xiàn)通信。WIA-PA通信模塊采用符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)射頻芯片和超低功耗32位微控制器，并且使用集成了PA、LNA、RF Switch的射頻前端，進(jìn)一步提高了發(fā)射功率和接收靈敏度。鏈路預(yù)算達(dá)到121dB，在室外可視通信距離能達(dá)到1.6Km以上。由于采用了先進(jìn)功耗管理技術(shù)，在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中工作的最小電流僅為30uA。

其主要性能如下：

· 符合WIA-PA協(xié)議，物理層基于IEEE 802.15.4;

· 封裝小，超低功耗設(shè)計(jì)，休眠電流小于8uA;

· 提供256kB擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)10年;

· 引腳功能靈活配置，支持3路UART，2路SPI，15路GPIO;

· 支持MMCX，UCL天線(xiàn)連接端口;

· 兼容主流ZigBee模塊接口，快速滿(mǎn)足高可靠通信需求。

WIA-PA在信息安全方面也具有優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

（1）秘鑰管理，分發(fā)秘鑰主要是通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行，分發(fā)的秘鑰是經(jīng)過(guò)加密的。加密方法為對(duì)稱(chēng)加密算法和散列算法相結(jié)合的方式。更新秘鑰：網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)備按照一個(gè)月為周期重新構(gòu)造新的秘鑰;

（2）入網(wǎng)安全設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是有效識(shí)別設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)身份合法性。先將路由設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備初始化，獲得設(shè)備的64位長(zhǎng)地址，手持設(shè)備接收長(zhǎng)地址，轉(zhuǎn)發(fā)給安全管理者;安全管理者接收到長(zhǎng)地址后，獲得相應(yīng)的秘鑰A，并將秘鑰A用P來(lái)保護(hù)，然后將P以及秘鑰A發(fā)送給手持設(shè)備，手持設(shè)備將P以及秘鑰A轉(zhuǎn)發(fā)給路由設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;路由設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)管理者發(fā)送用秘鑰A保護(hù)的安全加入請(qǐng)求S，網(wǎng)絡(luò)管理者將安全加入請(qǐng)求以及秘鑰A發(fā)送給管理者;安全管理者將接受的信息進(jìn)行安全認(rèn)證，然后將認(rèn)證結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理者，并由網(wǎng)絡(luò)管理者將認(rèn)證結(jié)果經(jīng)秘鑰A保護(hù)后回復(fù)給路由設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;

（3）數(shù)據(jù)流安全傳輸設(shè)計(jì)，主要是對(duì)應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

2.3.3按鍵部分部分原理圖

它采用I2C接口，能直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，同時(shí)可掃描管理多達(dá)64只按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)的功能資源十分豐富。除具有自動(dòng)消除抖動(dòng)功能外，它還具有段閃爍、段點(diǎn)亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計(jì)數(shù)等強(qiáng)大功能，并可提供10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，用戶(hù)可以直接向顯示緩存寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)，而且無(wú)需外接元件即可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，還可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電壓和電流。ZLG7290B的電路簡(jiǎn)單，使用也很方便。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用stm32官方庫(kù)函數(shù)，界面設(shè)計(jì)采用STemWin，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，圖表的形式顯示歷史數(shù)據(jù)，報(bào)警閾值的設(shè)定等功能。

4.結(jié)語(yǔ)

此款手持機(jī)的主要設(shè)計(jì)是用來(lái)搭配環(huán)境采集裝置進(jìn)行隨身攜帶，實(shí)時(shí)讀取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并且分析數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的設(shè)定等功能?？梢砸粚?duì)多連接。支持有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種通信方式。采用可更換電池，支持多種充電方式。

作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)學(xué)，畢業(yè)于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，電子信息工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于沈陽(yáng)飛越通信有限公司，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì);袁赫，畢業(yè)于渤海大學(xué)，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于奧維通信股份有限公司，研究方向電子設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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