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基于nRF51822蓝牙芯片和SHT11温湿度传感器的温湿度传感器节点设计方案

来源：电子发烧友

2019-06-28

类别：工业控制

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拍明

原标题：基于蓝牙BLE的温湿度传感器节点设计方案

　　1.引言

　　在智能家居和物联网飞速发展的背景下，基于蓝牙4.0标准的低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)技术正被逐步地为人们重视。随着兼容蓝牙4.0标准的智能手机逐步普及，低功耗蓝牙技术也面临着越来越广泛的应用。本设计采用了基于BLE技术的nRF51822蓝牙SoC芯片和SHT11温湿度传感器设计了一种基于低功耗蓝牙技术的温湿度传感器节点，能够将节点位置的温度和湿度发送给主机用于显示，可广泛应用于家庭、车间、仓库的温湿度监控。节点采用了低功耗设计，可用一枚纽扣电池供电，实际使用时间可达1年以上。

　　2.系统结构

　　本设计的系统结构如图1所示，系统的处理器模块由nRF51822构成，温湿度传感器件采用SHT11，电源采用纽扣电池供电;由处理器模块、温湿度传感器模块、天线模块、电源模块构成的节点与主机通过2.4GHz的低功耗蓝牙信号通信，主机采用智能手机运行信息采集显示的APP。多个节点可利用应用层协议与主机组成星形网络。

　　图1 系统结构图.png

　　图1 系统结构图

　　3.硬件电路

　　温湿度传感器节点硬件的系统构成如图2所示。

　　图2 硬件系统结构图.png

　　图2 硬件系统结构图

　　3.1 处理器模块

　　处理器模块选用Nordic公司的nRF51822芯片。nRF51822是具有CORTEX-M0低功耗内核，支持BLE、Gazell等多协议的低功耗高速率射频收发器的 SoC。其具有高集成度、低成本、处理能力强、低功耗、小体积等优势，非常适合低功耗蓝牙产品的应用。该芯片具有以下特性：具有Cortex-M0内核，片上256KB FLASH，16KB RAM，片内包含支持BLE协议的2.4GHz射频收发器。软件可编程输出功率，最高可达+4dBm的输出功率，输出+4dBm功率时，最高工作电流仅为 10.5mA。休眠模式仅为2uA电流。片内包含10-bit ADC、RTC、TWI、SPI、UART等模块，提供最多32个GPIO，具有16个PPI通道。

　　nRF51822芯片的外围电路简单，采用单端供电，可以使用片内线性稳压器(LDO)，输入电压1.8-3.6V;外接16MHz晶振;并配以相应的射频匹配电路。电路图如图3所示。

　图3 nRF51822电路图.png

　　图3 nRF51822电路图

　　3.2 温湿度传感器

　　温湿度传感器采用SHT11。SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。主要特点如下：将温度感测、湿度感测、信号变换、 A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;提供二线数字符串行接口，接口简单，传输可靠性高;测量精度可编程调节;测量精确度高;封装尺寸超小;测量和通信结束后，自动转入低功耗模式。

　　处理器模块利用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信。DATA数据线需要外接上拉电阻，电源与地之间要加100nF去耦电容。时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求;二线串行数字接口不兼容I2C，必须按照传器协议工资。硬件连接如图4所示。

　　图4 SHT11连接电路图.png

　　图4 SHT11连接电路图

　　3.3 电源及外围电路

　　电源采用纽扣型电池CR2032，系统设有1个按键与1个LED指示灯，用于连接测试与显示通信状态。电路如图5所示。系统预留SWD编程调试接口。系统使用板载PCB天线，有效通信距离可达10米。

　　图5 电源及外围电路.png

　　图5 电源及外围电路

【nRF51822】

蓝牙低功耗和 2.4GHz 专利 SoC

nRF51822 是功能强大、高灵活性的多协议 SoC，非常适用于 Bluetooth® 低功耗和 2.4GHz 超低功耗无线应用。 nRF51822 基于配备 256kB flash + 16kB RAM 的 32 位 ARM® Cortex™ M0 CPU 而构建。嵌入式 2.4GHz 收发器支持蓝牙低功耗及 2.4GHz 操作，其中 2.4GHz 模式与 Nordic Semiconductor 的 nRF24L 系列产品无线兼容。

nRF51822 还具备丰富的模拟和数字周边产品，可以在无需 CPU 参与的情况下通过可编程周边产品互联 (PPI) 系统进行互动。灵活的 31 引脚 GPIO 映射方案可使 I/O(例如串行接口、PWM 和正弦解调器)根据 PCB 需求指示映射到任何设备引脚。这可实现完全的设计灵活性及引脚位置和功能。

nRF51822 支持 S110 蓝牙低功耗协议堆栈及 2.4GHz 协议堆栈(包括 Gazell)，这两种协议堆栈在 nRF518 软件开发套件中均免费提供。nRF51822 需要单独供电，如果供电范围在 1.8-3.6V 之间，用户可选择使用芯片上的线性整流器，如果供电范围在 2.1-3.6V 之间，可以选择直流 1.8V 模式和芯片上的 DCDC 变压器。DC-DC 变压器的使用可在工作期间动态控制，并使 nRF51822 工作期间的射频峰值电流低于 10 mA @ 3V 供电 (TX @ 0 dBm & RX)。

nRF51822 具有 6x6mm 48 引脚 QFN 封装和 3.5x3.8mm 64 球形晶片水平芯片级封装 (WLCSP)。

nRF51822 提供 256k 或 128kB Flash 容量的不同版本。

FEATURES

单芯片, 高灵活性, 2.4GHz 多协议设备

32 位 ARM Cortex M0 CPU 内核

256KB flash 16KB RAM

支持 S110 蓝牙低功耗协议堆栈

S110 需要 80 kB 内存空间

线程安全和运行时保护

事件驱动 API

与 nRF24L 系列无线兼容

3 种数据率 (2Mbps/1Mbps/250kbps)