基于n的蓝牙鱼缸水情检测系统设计RF52832
吴蓬勃1,张金燕2,张小苗3
(石家庄邮电职业技术学院电信工程系,石家庄0河北电信设计咨询有限公司;河北省广播电视技术中心)1.50031;2.3.
摘要:针对智能家居环境下,人们对鱼缸水环境智能监测的实际需求,设计开发了一种基于蓝牙BLE4.0芯片nRF52832
的低功耗鱼缸水情检测仪,实现了鱼缸内水的p水温、水位以及仪器电池电压的实时测量。同时设计了相应的手H值、机A实现了鱼缸水环境数据在手机上的实时显示。试验证明,该水情检测仪实现了鱼缸水环境数据的精确测PP软件,量和显示,有利于提高鱼的存活率,具有很高的实用价值。关键词:水情检测;nRF52832;BLE4.0;H值p
中图分类号:TP29 文献标识码:A
BluetoothAuariumWaterReimeDetectorSstemBasedonnRF52832qgy
(,,1.Shiiazhuanost&CommunicationTechnolonstituteDeartmentofTelecommunicationEnineerinShiiazhuan50031,jgPgyIpggjg0
WuPenbo,Zhaninan,ZhaniaomiaoggJygX
1
2
3
,,turewaterleveloftheauariumandthebatteroltaearemeasuredinrealtime.Atthesametimethecorresondinobilephoneqyvgpgm
,consumtionauariumwaterreimedetectorbasedonBLE4.0chiRF52832isdesinedanddeveloed.ThepHvaluewatertemera-pqgpngpp
:,AbstractInordertomeettheneedofintellientmonitorinfauariumwaterenvironmentinsmarthomeenvironmentalowenerggoqgy
;,;)China2.HebeiCommunicationDesin&ConsultationCo.Ltd.3.HebeiRadioandTelevisionTechnoloenterggyC
,,taanditisbeneficialtoimrovethesurvivalrateoffishandhashihpracticalvalue.pg
sultsshowthatthewaterreimedetectininstrumentrealizestheaccuratemeasurementanddislafauariumwaterenvironmentda-ggpyoq
APPsoftwareisdesinedtorealizethereal-timedislafauariumwaterenvironmentdataonthemobilephone.Theexerimentre-gpyoqp
:;KeordsnRF52832;BLE4.0;waterreimedetectorHvaluegpyw
引 言
极测量鱼缸内水的p通过温度传感器采集温度。水H值,情检测仪通过蓝牙将测量数据发送到手机端,手机端APP显示测量结果。
随着社会的快速发展和人民生活水平的提高,养鱼已
经逐渐成为越来越多的人爱好,其成为家庭装饰和绿色生
1-2]
。但是,活的首选[不同的鱼对水环境的要求各不相同,
如鱼缸的水温、水位情况等。如果水环境不合适,H值、p
2]
。很容易导致一些名贵鱼的死亡[
随着物联网技术的飞速发展,智能家居技术逐渐成
熟,通过手机实现对家居设备的智能管理成为人们的普遍需求。针对这一情况,本文提出并设计了一种可通过手机)蓝牙(实时了解鱼缸水环境情况的水情检测仪。BLE4.0
1 系统总体设计
的超声波传感器进行鱼缸水位测量,通过pH复合玻璃电
);河北省高等学校科学技术研究青年基金(河北*基金项目:QN2015326
系统结构示意图如图1所示。水情检测仪通过顶部
图1 系统结构示意图图
2 系统硬件设计
()蓝牙通信的MC以下简称n最小系统、UnRF52832RF52
)。省科技计划项目(16214706
系统硬件框架如图2所示。主要包括:可与手机进行
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温度传感器D超声波H值信号采集处理电路、S18B20、p
水位测量传感器、外设电源控制电路、锂电池组、电池管理板、电压转换电路以及电池电压采集电路。
压到5V,为各个传感器供电;电池电压采集电路通过电
2.1 nRF52832最小系统设计
其中,电池管理板负责将锂电池输出的3.7V电压升
/BLE、ANTANT+和2.4GHz多种无线协议的处理器,CPU、512KB的Flash和64KBRAM,主频可达
nRF52832为Nordic公司的一款支持低功耗蓝牙
其内部集成了支持浮点运算的32位ARMCortex4F
阻分压,将3.7V电压降低到3.3V以下。nRF52832通
/过两路A通过一路IDC采集pH信号和电池电压信号;O口连接D通过一路串口接收超声波S18B20进行温度采集;/水位测量传感器数据;通过一路IO口控制MOS管开关电路,实现外设电源开关控制。下面重点对nRF52832最小系统和pH信号采集处理电路做详细论述。
64MHz
[3-4]
22
、ADC、2路SPI2路IC总线、1路IS音频接口和1路
。nRF52832内部集成8路12位逐次逼近型
)机制使得外设之间的事件可独立于riHeralInterconnectp
UART等多种接口。其特有的PPI(ProrammablePe-g
[5]
节省CCPU进行连接,PU资源。基于其EasDMA技y
术,外设可直接访问内部R而无需CAM,PU干预。
/个I去掉2个3O口,2.768kHz的RTC实时时钟口和2/个N用户可使用的IFC天线接口,O口共28个。本系统使用2路GH值信号电压测量,PIO口进行温度采集和p
外设电源控制,使用1路串口接收超声波水位传感器数据。需要注意的是,nRF52832电源电压范围为1.7~
图3是n该芯片共有3RF52832最小系统原理图,2
中使用了AIN6和AIN7两路12位ADC进行电池电压和
本系统采用的锂电池额定工作电压为3充满3.6V,.7V,
[6]
电空载时可达4为安全可靠起见,电池电压首先进行了.2V,
图2 系统硬件架构图
电阻分压后才进入nRF52832电池电压测量ADC接口。
图3 nRF52832最小系统原理图
8 0
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2.2 pH值信号采集处理电路设计
测量方法主要有两种:依据pH试剂颜色变化的比色法和测量电极两端电压的电位法。其中,比色法仅用于粗略测试,无法保证精度;电位法具有测量精度高、稳定性好的优
[8-9]
。因此,点,适合用于溶液p本系统采H值的精确测量
[7]
溶液的pH值取决于其中氢离子的浓度。pH值的
,关。根据式(温度对p1)H值电极电位差的影响为
/℃,如果温度变化较大,需要做温度补偿。0.1984mV
)式(中可看出,还和温度有1H值除和电位差有关之外,p
]参考文献[给出了温度补偿模型。考虑到本系统10
工作环境为室内,温度变化不大,所以未做温度补偿。三根据第一点和欧姆定律,其电流仅为0.100MΩ,5916
为保证测量信号的稳定,要求后端处理电路必须具备nA,
用了后者,使用的传感器为复合玻璃pH电极。
是玻璃电极具有很高的阻抗,通用pH值电极阻抗约为
入待测溶液中,通过测量电极内部标准KCL溶液内的参
比电极与外部待测溶液中的玻璃电极的电位差,实现pH
7]
。根据能斯特方程,值的测量[复合玻璃电极的电位与被
电位法测量p将复合玻璃电极放H值的基本原理是:
很高的输入阻抗与之匹配。为此本系统选用了高输入阻抗的轨到轨运算放大器TLC4502实现微弱信号的放大。
测溶液的pH值的关系为:
0.1984T。
(,/(),mV)R为气体常数8.3144JK*molT为绝对温度,
/,/F为法拉第常数96485CmolK=2.303RTF=
2.303RT[10]
()E=EH=EH1pp0-0-K
F
,式中:E为复合玻璃电极电位(mV)E0为参比电极电位
H值信号采集处理电路如图4所示。pH电极两端p
经过pH+和pH-电位差经过TLC4502放大后,H_OUTp
端口送到n经过RF52832的ADC端口进行模数转换,nRF52832的运算后得到最终的pH值。其中需要注意的是:所以会引入负电压,为降低系TLC4502为轨到轨运放,统成本和功耗,本电路通过TLC4502的一路运放结合
将pLM285D2.5稳压二极管输出的2.5V电压,H-的
对应的电位差(非常微弱,当环境温度为2E-E5℃时,0)
此种测量方式具备几个特点:一是每个pH值的变化
电压值抬高,从而使得pH+和pH-的电位差始终为正电
一个p二是从H值的变化对应的电位差为59.16mV;
[9]
选择了1使得p.8kΩ,H-电压为1.85V,H+电压以1.p
电压范围始终处于085V为基准上下波动,~3.3V之间。
压。由于n所以RRF52832的工作电压为3.3V,28的阻值
图4 pH信号采集处理电路
3 系统软件设计
3.1 nRF52832软件设计
3.1.1 nRF52832工作流程
nRF52832的工作流程如图5所示。
首先,进行n主RF52832外设和BLE协议栈初始化,串口和A①nRF52832的GPIO、DC的初始化。②RTC实时时钟初始化。nRF52832有两种时钟
源:高频时钟HFCLK和低频时钟LFCLK。低频时钟源
[6]
32.768kHz的RC时钟和32.768kHz合成时钟。其
主要有:32.768kHz外部晶体振荡器时钟、内部
HFCLK合成而来。为降低功耗,nRF52832的BLE协议栈一般选择低频时钟源,所以系统选择了32.768kHz外
中,合成时钟是从高频时钟RC时钟受温度影响精度不高,
要包括:
部晶体振荡器时钟。
化、Nordic串口服务初始化、BLE广播初始化和连接参数
③BLE协议栈初始化、BLE连接事件GAP参数初始
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电路中各元器件存在差异,第一次使用时需进行校准,通过对实验数据分析,采用最小二乘法对离散点进行线性。本系统采用了三点校准方式。根据参考文献kH+bp
[],高、低p但11H值与电压变化量的曲线是有所不同的,两者在p所以,本系统采用了两组三H=7附近基本重合,点校准得到两组关系式,以实现pH值的精确测量。
首先,以pH=6.86为分界线,H=6.86以下为酸p
]11
,回归分析[得到pH值与电压变化量的关系式△E=
基于y=k4.0、6.86三点对应的电极电压值,x+b的最);同理,采集p1H=6.86、7.80、9.18三点对应的电极电)。压,得出碱度曲线公式(具体数据见表2
k=
图5 nRF52832工作流程
度曲线,H=6.86以上为碱度曲线。采集pH=3.0、p))小二乘法式(和(得出酸度曲线公式(具体数据见表23
nYii-i
∑X∑X∑Yi
n2i- ∑Xi 2∑X
i=1
n
i=1
i=1
n
i=1
n
i=1
nnn
()2
初始化。
_b_e()中断处理函nRF52832协议栈SoftDevice的onlevtNECTED和BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED。如果连接成功,则开启外设(在本系统中,外设包括:温度传感器、超声波水位传感器)供电;进行温度采H采样电路、p集;通过nRF52832的ADC进行pH值电压采样和pH值计算、电池电压采样和计算;通过串口接收超声波水位传则停止温APP显示。如果nRF52832未与手机建立连接,最大限度降低系统功耗。nRF52832进入低功耗模式,感器数据并解译;数据处理完成后,通过BLE上传到手机度采集和A通过开关电路关闭外设供电,DC采样,
然后,等待手机连接。基于nRF52832开启蓝牙广播,
b=
∑Y
i=1
i
)表1 p标准pH≤6.86时采集的三点数据(H值,ΔE
及最小二乘法拟合结果
相对实测根据拟合曲线公式
误差=
)/标准电极H=6.86pH=(ΔE-bk=p
拟合pH-的电压差()/H值电压值:ΔE+812.57118.74p
标准pH
/()Δ拟合的pE=EEmvH值6.86-E3.004.006.86
223221001770
-462-3300
2.954.066.84
-0.05+0.06-0.02
n
-k
∑X
i=1
n
i
n
()3
数,可获取当前BLE的连接状态:BLE_GAP_EVT_CON-
)表2 p标准pH≥6.86时采集的三点数据(H值,ΔE
及最小二乘法拟合结果
实测电极
标准
电压值:
H值p/()Emv6.867.809.18
177016681530
3.1.2 pH值的数据滤波与校准
被送到n经过运算RF52832的ADC接口进行模数转换,得到实际的电压值。在实际的A由于外DC数据采样中,据做软件滤波。考虑到pH值数据属于缓慢变化的被测,为奇数)把N次采样数据采用冒泡法从小到大排列,选取中间值作为本次采样的有效值。
由于温度的差异、H电极个体差异和信号采集处理p
经过pH值信号采集处理电路放大之后的电压信号,
根据拟合曲线公式
误差=
)/H=6.86pH=(ΔE-bk=p
拟合pH-的电压差()/ΔE+706.03103.19
标准pH
拟合的pΔE=EH值6.86-E
相对
界的干扰,会出现偶然的数据波动,所以需对ADC采样数参数,所以本系统采用了中位滤波法,即连续采样N次(N
102240
06.847.839.16
-0.02+0.03-0.02
3.2 AndroidAPP软件设计
收nRF52832上传的各项数据并显示、通过蓝牙向
手机端的A接PP用于与nRF52832建立蓝牙连接、
图7所示。nRF52832发送指令。APP显示界面如图6、
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结 语
本文针对智能家居环境下,人们对鱼缸水环境智能感
知的实际需要,设计了一种可检测鱼缸中水的p水H值、
温、水位等参数的蓝牙水情检测仪。用户通过手机APP可实时了解鱼缸内的水环境情况,有利于提高鱼的存活率,具有很高的实用价值。此外,由于本检测仪具备了较低的功耗以及与手机的快捷连接方式,在此基础上添加如溶解氧、浊度的传感器元素,可广泛用于地表水质检测,具有很好的推广价值。
参考文献
图6 手机APP扫描到
蓝牙设备SQJC01
图7 APP显示鱼缸
水情数据
[]徐喆.一款家用鱼缸智能控制系统设计[西安:西南交通1D].
4 测试验证
4.1 样机试制
统样机实物图,从左到右依次为:水位传感器接口、温度锂电池和电池管nRF52832最小系统板、3.3V电源板、
理板。
[]白春雨,吴红海,赵怀冬,等.基于G2SM的可调节智能鱼缸
大学,2017.
[]NO3RDICSEMICONDUCTOR.nRF52832-ProductSec-p
]():生态系统[J.科技风,201788687.
根据系统的设计方案,进行了样机试制。图8是系
/[://ificationv1.0[EBOL].201712].httinfocenter.nor-pcenter.nrf52%2Fdita%2Fnrf52%2Fchis%2Fnrf52832_ps.p/?tdicsemi.comindex.soic=%2Fcom.nordic.info-jpp,html20160201.
传感器接口、H值信号处理板及接口、MOS管开关板、p
[]刘百芬,李图之,陈鹏展,等.基于n4RF51822的汽车无线姿
]:态测量系统设计[J.科学技术与工程,2014,14(17)
8790.
[]谭晖.低功耗蓝牙开发与实践[5M].北
[]N6ORDICSEMICONDUCTOR.nRF52832
92.
京:北京航空航天大学出版社,2016:
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nordicsemi.
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///comenProductsBlue-g
[]董华.基于M7SP430单片机的pH计的
01.
[]彭鹏.基于物联网的水环境在线监测系8
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图8 系统样机实物图
[]林大烜,唐荣年,王云强,等.基于A9n-统研究[武汉:华中科技大学,D].2012.
4.2 系统数据测试
值、水位值、电池电压和系统工作电流进行了数据采集和分析。通过误差分析,可知水情检测仪的各项指标达到了较高的测量精度。同时由于采用了蓝牙低功耗MCU和
电源开关控制,系统正常工作时电流为9休眠时4.4mA,
]droid系统的pH参数测量仪设计[J.():仪表技术与传感器,201475860.
在室温2水情检测仪对鱼缸内水的p5℃环境下,H
[]张占学.基于最小二乘法的p]10H值温度补偿模型[J.电气
():技术,20152115117.
[]张开远,周孟然,闫鹏程,等.基于最小二乘法的p11H值温度
]:补偿系统设计[J.传感器与微系统,2015,34(5)109
111,122.
(仅开启了蓝牙广播,其他外设全部关闭)仅为9.系4mA,统具有较低的功耗,可实现长时间的稳定运行。
,吴蓬勃(副教授)主要研究方向为物联网技术、嵌入式技术。
()责任编辑:杨迪娜 收稿日期:2017-12-01
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