我們所居住的嵌入式世界是由數(shù)千種不同的MCU和CPU共同開發(fā)的。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)和信息的自由流動，許多數(shù)據(jù)和信息是相互聯(lián)系的，而且通常都是無這種數(shù)據(jù)交換提供了更方便和更安全的生活方式。 Digi-Key氣象中心說明了如何連接各種MCU以便與手持智能手機(jī)進(jìn)行無線通信。氣象中心是一個太陽能供電的多節(jié)點項目，各種MCU和傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)連接在一起。這些聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供了天氣狀況和太陽能電池板陣列功率輸出的快照，為主要氣象中心的電力總線供電。

PIC24FJ192GA110 MCU實現(xiàn)

PIC24FJ192GA110 MCU用作天氣節(jié)點，可以從各個傳感器返回溫度，濕度和Lux(光通量密度)的無線讀數(shù)。該節(jié)點還通過使用高阻分壓器和電壓跟隨器監(jiān)控其自身電壓。這些模擬信號通過片內(nèi)ADC以十六進(jìn)制平均值讀取。人機(jī)界面通過密封的觸覺按鈕開關(guān)和LCD屏幕使用更改通知(CN)中斷，以使用當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)更新本地用戶。

該節(jié)點的平均電流消耗僅為9.25 mA，在設(shè)計時考慮了低功耗和無線連接。該系統(tǒng)以57，600波特率運(yùn)行，使用PIC的UART2端口作為與直通模式下XBee Pro單元(XBP24-BWIT-004-ND)串行通信的方式。這允許即插即用連接，就像PIC的UART端口在硬線上物理連接一樣。

大多數(shù)情況下，PIC MCU實際上處于低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)通過兩個事件之一喚醒和更新;通過按下按鈕的用戶交互或來自網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)請求將強(qiáng)制系統(tǒng)喚醒和更新。如果發(fā)生按鈕按下事件，則觸發(fā)改變通知中斷，并且相應(yīng)的處理程序設(shè)置用于改變程序流程并在LCD屏幕上更新天氣數(shù)據(jù)的標(biāo)志。 LCD屏幕驅(qū)動程序通過并行主端口接收數(shù)據(jù)。這允許用戶選擇顯示哪個讀數(shù)。如果網(wǎng)關(guān)通過XBee Pro設(shè)備上的引腳聲明請求，則系統(tǒng)喚醒，讀入輸入并在返回休眠之前發(fā)送適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。程序流程如下圖1所示。使用V-Infinity 500 mA DC-DC轉(zhuǎn)換器(102-1709-ND)有效地將太陽能充電鉛酸電池的電源電壓與PIC和其他節(jié)點的外設(shè)。該穩(wěn)壓器允許32 V輸入，并提供低紋波輸出，效率高達(dá)96%。

圖1：程序流程。

外圍設(shè)備，傳感器和硬件

并行主端口用于更新Newhaven顯示器(NHD-0208AZ-RN-YBW-3V-ND)。選擇此顯示器的原因是其占地面積小，兼容的電源電壓和可用性。

對于Lux傳感，由于其溫度穩(wěn)定性和近似人眼光譜響應(yīng)，使用了Microsemi Lux傳感器(LX1971IDU-ND)。這意味著傳感器輸入(Lux)和輸出(電壓)之間的關(guān)系導(dǎo)致平方根傳遞函數(shù)。這允許通過使用分支語句進(jìn)行分段轉(zhuǎn)換以確定輸出是否位于傳遞函數(shù)的彎曲部分或線性部分上。找到曲線的正確部分后，計算輸出。對于日光條件，大部分輸出是線性的。因此，針對大多數(shù)環(huán)境光測量計算快速線性縮放。

對于濕度測量，使用霍尼韋爾HIH-5031濕度傳感器(480-3284-1-ND)。選擇該傳感器是因為它具有0到100%的相對濕度操作范圍，具有+/- 3%的低滯后。為了獲得更好的精度，可以通過考慮溫度和電源電壓測量來補(bǔ)償溫度和電壓的變化。這兩種測量均可用于計算更精確的濕度讀數(shù)。

使用Microchip(TC1047AVNBCT-ND)溫度傳感器測量溫度。該傳感器采用低至35μA的電源電流工作，并呈現(xiàn)線性響應(yīng)，從而降低了處理器的計算負(fù)荷。如上所述，溫度傳感器還用于在計算相對濕度時補(bǔ)償溫度的變化。

PIC24FJ192GA110天氣節(jié)點的電路如下圖2和圖3所示。

圖2：傳感器和開關(guān)電路。

圖3：電源輸入和外設(shè)電路。

設(shè)計挑戰(zhàn)

高電阻分壓器減少了電源電流流出量(如圖3所示)，它還會導(dǎo)致PIC的ADC阻抗不匹配，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。對于從任何電壓源到ADC的最大輸入阻抗，PIC的數(shù)據(jù)表建議不要超過2.5KΩ。分頻器產(chǎn)生的近似輸出阻抗為388KΩ。通過使用Microchip高精度運(yùn)算放大器(MCP6031T-E/OTTR-ND)緩沖分壓器的輸出來解決這種阻抗失配問題。由于其低成本和低靜態(tài)電流消耗0.9μA，這款特殊運(yùn)算放大器是此應(yīng)用的理想選擇。事實證明，這是整個系統(tǒng)功耗的一個小因素。

由于MCU大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，因此需要雙速啟動以及從XBee觸發(fā)的引腳更改(RD1)中斷，以確保在網(wǎng)關(guān)請求時立即將UART傳輸?shù)絏Bee模塊。在雙速啟動模式下，MCU使用快速RC(FRC)振蕩器從睡眠模式喚醒，頻率為8 MHz +/- 2%，典型啟動時間為15μs。這允許從8 MHz內(nèi)部FRC振蕩器開始從睡眠中快速，低功耗喚醒，并且一旦PLL鎖定，最終切換到32 MHz的外部晶體振蕩器。 PLL本身通常需要2 ms才能鎖定。

NEMA認(rèn)證的外殼(377-1459-ND)和C& K密封的IP67級觸覺按鈕開關(guān)(CKN10004-ND)用于準(zhǔn)備惡劣天氣的裝置。 C& K開關(guān)是單刀單擲常開觸覺開關(guān)。對于引腳更改通知中斷，引腳被拉高并通過使用并聯(lián)電容器反彈至地。這確保了通過避免觸覺開關(guān)中固有的機(jī)械顫動，開關(guān)致動將僅被讀取一次。密封外殼(蓋子已移除)和電路板布局如下圖5所示。

圖4：密封外殼。

展示了將各種組件無線連接為子系統(tǒng)(或MCU節(jié)點)以支持完成更大任務(wù)的便利性。每個子系統(tǒng)在檢測天氣特征變化方面起著很小的支持作用。這個過程很好地轉(zhuǎn)化為許多其他應(yīng)用，其中子系統(tǒng)在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上無線通信是很重要的。