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

　　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

　　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

　　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

　　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