基于WIA—PA的無線手持機設計

周長學 袁赫

摘要：手持機為便攜式數據接收處理終端，該手持機可以通過無線/有線（WIA-PA/USB）進行數據通信，用于實現數據實時顯示，數據閾值設定、超限報警、數據的存儲等功能。

關鍵詞：手持機，STM32，WIA-PA

通常數據采集器采集到的數據進行本地顯示或者發送到云端進行顯示，但是該種方式對于通常只有簡單的幾個環境要素和較低采集頻率情況下每一個節點都配一個液晶或者添加網絡模塊會產生巨大的成本。所以采用手持機無線通信方式可以一對多，一個手持機采集多個環境模塊數據進行顯示則有效的降低成本，提高設備的利用率。

1.系統原理

該系統采用無線通信通信或者有線兩種通信方式，支持鍵盤設置、液晶顯示。采用大容量可更換電池，便于攜帶運輸，可以一對多對所有的采集器進行一對一連接進行數據采集和數據顯示和閾值設定。

2.系統組成

系統采用STM32為主控芯片，采用WIP-PA為無線通信模塊，TUSB3410為有線通信方式支持USB通信。液晶采用3.2寸TFT顯示器。并采用時鐘芯片，存儲芯片等模塊。

2.1 STM32主控芯片

Stm32是一款性價比超高的系列單片機，功能極其強大。其基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核，同時具有一流的外設：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等

2.2 WIA-PA無線通信模塊

我國自主的工業無線技術標準WIA-PA實現無線傳輸，具有復合結構的先進工業無線網絡，動態網絡的管理效率提高80%以上，網絡規模達到1000點;具有射頻環境認知能力的多級自適應跳頻機制，是國際上工業無線網絡獨有的智能跳頻技術，根據信道干擾狀態，自適應切換，同頻干擾環境下通信可靠性99%以上;在多跳無線自組網中時空頻聯合調度的實時通信技術，時延指標達到國際先進水平;多源隨機選擇和周期自適應的時間同步方法，功耗指標達到國際先進水平;支持中國自主安全加密技術，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、存儲器保護單元、高速嵌入存儲器（512KB閃存和80KB RAM），還有連接到兩個APB總線的增強I/O和外設。

2.3.2WIA-PA部分原理圖

無線通信選擇WIA-PA模塊，用于手持機采集模塊無線通信。WIA-PA通信模塊采用符合IEEE 802.15.4標準的無線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，進一步提高了發射功率和接收靈敏度。鏈路預算達到121dB，在室外可視通信距離能達到1.6Km以上。由于采用了先進功耗管理技術，在WIA-PA網絡中工作的最小電流僅為30uA。

其主要性能如下：

· 符合WIA-PA協議，物理層基于IEEE 802.15.4;

· 封裝小，超低功耗設計，休眠電流小于8uA;

· 提供256kB擴展數據存儲空間，重要數據存儲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天線連接端口;

· 兼容主流ZigBee模塊接口，快速滿足高可靠通信需求。

WIA-PA在信息安全方面也具有優勢，主要表現在：

（1）秘鑰管理，分發秘鑰主要是通過網關設備進行，分發的秘鑰是經過加密的。加密方法為對稱加密算法和散列算法相結合的方式。更新秘鑰：網關設備設備按照一個月為周期重新構造新的秘鑰;

（2）入網安全設計，關鍵是有效識別設備的網絡身份合法性。先將路由設備或現場設備初始化，獲得設備的64位長地址，手持設備接收長地址，轉發給安全管理者;安全管理者接收到長地址后，獲得相應的秘鑰A，并將秘鑰A用P來保護，然后將P以及秘鑰A發送給手持設備，手持設備將P以及秘鑰A轉發給路由設備或者現場設備;路由設備或者現場設備向網絡管理者發送用秘鑰A保護的安全加入請求S，網絡管理者將安全加入請求以及秘鑰A發送給管理者;安全管理者將接受的信息進行安全認證，然后將認證結果發送給網絡管理者，并由網絡管理者將認證結果經秘鑰A保護后回復給路由設備或者現場設備;

（3）數據流安全傳輸設計，主要是對應用層以及數據鏈路層的數據進行加密。

2.3.3按鍵部分部分原理圖

它采用I2C接口，能直接驅動8位共陰式數碼管，同時可掃描管理多達64只按鍵，實現人機對話的功能資源十分豐富。除具有自動消除抖動功能外，它還具有段閃爍、段點亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計數等強大功能，并可提供10種數字和21種字母的譯碼顯示功能，用戶可以直接向顯示緩存寫入顯示數據，而且無需外接元件即可直接驅動數碼管，還可擴展驅動電壓和電流。ZLG7290B的電路簡單，使用也很方便。

3.軟件設計

軟件設計采用stm32官方庫函數，界面設計采用STemWin，可以實時顯示數據，圖表的形式顯示歷史數據，報警閾值的設定等功能。

4.結語

此款手持機的主要設計是用來搭配環境采集裝置進行隨身攜帶，實時讀取環境參數數據，并且分析數據等。數據的設定等功能?？梢砸粚Χ噙B接。支持有線和無線兩種通信方式。采用可更換電池，支持多種充電方式。

作者簡介：周長學，畢業于沈陽農業大學，電子信息工程專業，現就職于沈陽飛越通信有限公司，研究方向為電子設計;袁赫，畢業于渤海大學，自動化專業，現就職于奧維通信股份有限公司，研究方向電子設計。

參考文獻：

[1]STM32 DataSheet

[2]劉軍.例說STM32[M ] 北京航空航天大學出版社

[3]劉火良/楊森.STM32庫開發實戰指南[M ] 機械工業出版社