【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】多功能环境气象数据采集站
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作品名称：多功能环境气象数据采集站
作者：ylyfxzsx
作品简介
理想中的这款多功能气象数据采集站，设想的功能是可以通过网络获取设定的本地天气预报数据，然后通过各种传感器模块，远程采集发送给主控器数据，获得本地的空气指标(如PM2.5，甲醛等数据)，温度湿度，噪音，光照等，然后通过可选的，有条件的可以接入GPS数据获取高精度时钟数据，可选的网络NTP同步获取时间数据等。加入本地高精度RTC模块，真人语音模块，可扩展实现语音播报实时气象信息，附加报时，万年历功能。
系统各个模块及组件可实现较强的拆分，自由组合功能。
由于时间紧迫，开发的周期比较短，根据申请到的物料，在这里就简单的实现一个由BADGER 2040 +STEVAL-STLKT01V1 实现的无线数据显示组件功能。
得益于墨水屏技术的卓越省电性能，墨水屏显示器只在刷新时消耗电能，而在静态显示时几乎不消耗电能，在这里用作显示屏是极好的。
BADGER 2040 参数及资源链接 : Badger 2040 下载 (circuitpython.org)
2.9 英寸黑白电子墨水®显示屏（296 x 128 像素）由 RP2040 提供支持（双 Arm Cortex M0+，运行频率高达 133Mhz，具有 264kB SRAM）2MB QSPI闪存，支持XiP五个前置用户按钮重置和启动按钮（启动按钮也可以用作用户按钮）白光LED USB-C 连接器，用于电源和编程。用于连接电池的 JST-PH 连接器（输入范围 2.7V - 6V）用于电池电量监控的高精度基准电压源。
考虑到低功耗特性，这次设计的主控部分，采用的是来自意法微公司的STEVAL-STLKT01V1传感器模块，板载STM32L476系列低功耗的芯片及蓝牙芯片。
这块传感器板子的资源丰富，其实更适合是做音频系列的开发应用，一起看看有哪些资源
资源链接 : STEVAL-STLKT01V1 - SensorTile development kit - STMicroelectronics
STM32L476xx器件是基于高性能Arm Cortex-M4 32位RISC内核的超低功耗微控制器，工作频率高达80 MHz。Cortex-M4 内核具有浮点单元 （FPU） 单精度，支持所有 Arm 单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一整套 DSP 指令和存储器保护单元 （MPU），从而增强了应用安全性。STM32L476xx器件嵌入了高速存储器（高达1 MB的闪存，高达128 KB的SRAM）。
MP34DT05-A 是一款超紧凑、低功耗、全向数字 MEMS 麦克风，内置电容式传感元件和 IC 接口。
LSM6DSM是一种系统级封装，具有 3D 数字加速度计和 3D 数字陀螺仪，在高性能模式下以 0.65 mA 的电流运行，并支持始终在线的低功耗功能，为消费者提供最佳运动体验。LSM303AGR是一款超低功耗、高性能系统级封装，具有 3 轴数字线性加速度传感器和 3 轴数字磁传感器，具有 ±2g/±4g/±8g/±16g 的满量程线性加速度和 ±50 高斯的磁场动态范围。
LPS22HB是一款超紧凑的压阻式绝对压力传感器，可用作数字输出气压计，采用全模制带孔 LGA 封装 （HLGA）。保证工作温度范围为-40 °C至+85 °C。
BlueNRG-MS 是一款超低功耗蓝牙低功耗 （BLE） 单模网络处理器，符合蓝牙规范 v4.2。BlueNRG-MS同时支持多种角色，可以同时作为蓝牙智能传感器和集线器设备。
设计思路：
Badger2040显示模块，主要就是用到其显示功能，牵扯到数据输入部分，显示模块的板子带一个串口和I2C通讯接口，那么进入显示模块的数据，就采用2.4G的串口通讯模块即可与主板板子进行通讯即可，这里Badger2040显示模块就相当于是一个独立的无线串口显示屏模块，可自定义通讯协议数据格式即可完美与主控MCU交换数据。后期扩展考虑再用物联网(Zigbee)网络集群来实现各类传感器模块的扩展和接入。
STEVAL-STLKT01V1传感器模块主要就用到MCU和气压计部分，模块其他的硬件部分暂时搁置。由STM32L476负责主控部分，通过模块的I2C接口部分采集SHT20温度湿度传感器的数据，然后和模块的气压计数据一起通过无线串口模块发送到BADGER 2040模块进行实时显示，为了省电，一小时更新一次数据即可，预想的设计框图和本次设计实现的框图(蓝色部分)
预备的部分传感器模块，温度湿度模块，PM2.5激光尘埃检测模块，H2O气体检测模块，实时时钟模块，WIFI模块，GPS定位模块，语音模块等，部分模块图片
Badger2040显示模块集成了RP2040的芯片，和树莓派Pico的开发板是一样的，那么这里我们可以参考树莓派Pico的引脚图。使用Badger2040的串口与电脑通信，可以看到上面有UART的引脚，UART又分为TX和RX。UART是串口的一种，可以用来通信，包括单片机和电脑，单片机和单片机，单片机和其它带串口的外设，UART是全双工的，也就是说发送的发送的同时可以接收数据，UART需要三根线，一根TX(发送)，一根RX(接收)和一根GND(共地)。
由于现在的电脑都几乎不带串口了，所以这里需要一个USB转串口模块来给电脑增加串口能力，就是我们常用的USB转TTL模块，如图所示，网上很容易买到这样的USB转串口模块，只需几块钱，这里我用的是FT232芯片的模块，使用比较稳定，当然其他的也是可以的。将模块插入电脑的USB口，如果电脑没有安装驱动，会提示一个感叹号的黄色未识别设备。网络搜索安装对应的驱动程序即可，安装完成后，在我的电脑设备管理器出现新的串口设备。将USB转串口的另一头的引脚通过杜邦线连接Badger2040模块的TX和RX引脚，GND连接GND，VDD不需要连接，总共三根线。
接下来，可以测试下模块是否正常工作，打开串口调试助手，在里面选择自己的串口号，点击打开，连接完成后给Badger2040编写串口通信代码。以下测试代码实现了板载LED闪烁，屏幕显示文字和通过串口发送helloworld的功能实现，下一步就是实现其通过串口接收模块接收数据并显示在屏幕指定区域的功能即可。
树莓派RP2040入门的网站的很多，我这里主要是参考了以下两个网站:
Badger 2040 入门 (pimoroni.com)
Raspberry Pi Pico入门 (pimoroni.com)
考虑到时间紧迫，并没有太多的时间来深入熟悉开发了。我的计划是打算简单入门后，把Badger2040作为一个无线串口显示屏来使用，周边设备通过的LORA模块进行(透明传输的数据完全透明，发射端模块串口输入的发射数据与接收端模块串口输出的接收数据一致。
透明传输可以实现一个模块与一个或多个模块之间的无线数据传输，只要各个模块的配置的设备地址、信道和空中速率参数相同，那么这些模块之间就能够进行数据通讯)多对一进行数据交换，通过专有协议发送数据到RP2040处理，解析协议数据后10S更新一次显示屏信息。这种架构可以很方便的进行外围扩展以及方便修改代码。虽说有点大材小用了，不过符合快速上手。
这里使用的LORA模块采用了正点原子的LORA模块ATK-LORA-01
将Badger2040与LORA模块通过杜邦线连接起来
STEVAL-STLKT01V1 这个模块已经自带了L476的MCU芯片，可惜前期没考虑周到，下单的时候没把扩展板一起下单了，这个核心板要么是用飞线连接，要么是只能画一块扩展板进行开发了，这里我用万能板直接先飞线伺候了。把L476的串口与LORA模块通过杜邦线连接，然后整个硬件平台就构建完成。接下来就可以把L476自带的气压模块数据通过LORA模块发送给Badger2040模块进行数据显示，在后面更富裕的时间里，可以扩展更多的外设进行数据显示。
开始搭线，这里用了一个小尺寸的洞洞板，安排好各种接口
逐渐成型，到搭建完成
采用STEVAL-STLKT01V1 内置的LPS22HB气压数据通过LORA模块发送到BADGER 2040进行显示
项目总结
由于时间关系，其他的模块只能后续再添加上，这次没有实现全部功能，但总的来说达到了预期的设想，完成了基础的硬件构架。
BADGER 2040电子墨水屏模块是一个非常好用，且省电的显示屏，非常容易上手，适用于需要低功耗刷新不频繁的场合。但是在对实时性显示要求较高的场合，采用这个显示屏制作时钟之类的应用时，不是非常的合适。由于墨水屏的特性，刷新的频率比较高也就是不断要更新显示内容时，会产生拖尾，鬼影的现象，需要注意。
BADGER 2040模块可以使用Python语言编写代码，能很快上手，对初学者比较友好。
TEVAL-STLKT01V1 这款模块用在可穿戴设备上是非常合适的，用在我这个项目中没有充分发挥这个模块的潜力，有点吕布骑狗的感觉了，这次评测是赶不及了，后期尽可能的挖掘其剩余价值，物有所用吧。
最后感谢EE论坛的组织和得捷电子的慷概赞助，祝本次大赛取得圆满成功！
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