一種智能手機獲取監測環(huán)境溫度、濕度的實(shí)現方法

摘要：本文介紹一種利用智能手機耳機接口音頻傳輸，來(lái)實(shí)現智能手機拓展監測環(huán)境溫度、濕度的應用設計與實(shí)現方案，同時(shí)提出了可兼容2種不同耳機接口標準的解決方案，增強了智能手機拓展應用價(jià)值。

　　隨著(zhù)移動(dòng)終端操作系統應用軟件功能日益強大，如Android和iOS智能操作系統，智能手機的應用已遠超出通話(huà)的原始功能，各種移動(dòng)應用的開(kāi)發(fā)更充分體現了智能化、開(kāi)放式的趨勢。這里介紹一種如何利用智能手機的耳機音頻接口，來(lái)實(shí)現隨時(shí)獲取外界環(huán)境溫度濕度參數的方法。

1 技術(shù)應用背景

　　目前智能手機等移動(dòng)通訊終端，通常都帶有4腳3.5mm立體聲耳機接口，這就給智能手機帶來(lái)通用接口擴展應用的可能性，或許有人會(huì )想到PC上通用的USB接口，然而我們發(fā)現在智能手機不斷演進(jìn)發(fā)展過(guò)程中，盡管逐步過(guò)渡到支持micro USB接口，但是僅局限于USB device接口功能，雖然支持USB OTG功能的手機也有不少，但并不能保證市面所有的手機都支持。而智能手機支持耳機接口，卻是絕對所需必配，因此研究通過(guò)手機耳機接口作拓展應用，似乎是必然之路。

2 系統組成與原理

　　本智能手機偵測環(huán)境溫、濕度參數系統，如圖1所示系統由來(lái)自耳機端口環(huán)境溫濕度偵測外設和智能手機所組成，其中耳機端口外設主要由耳機端口MIC與GND自動(dòng)偵測與自動(dòng)切換電路，電池供電開(kāi)關(guān)電路，耳機輸出L聲道信號整形電路，MIC信號整形發(fā)送電路，低功耗32位MCU單片機電路，專(zhuān)業(yè)級溫度、濕度傳感器等組成。

3 工作原理

　　耳機端口外設裝置將負責完成環(huán)境溫、濕度參數測量采集，在相應的智能手機APP程序支持下，智能手機顯示屏將可直接顯示環(huán)境溫度、濕度曲線(xiàn)。為了達此目的，這就需要建立耳機端口外設與智能手機數據通訊機制：數據傳輸的具體方式中，外設裝置通過(guò)插入手機外置話(huà)筒音頻輸入接口或音頻線(xiàn)路輸人接口的連接線(xiàn)發(fā)送數據信號給手機，外設裝置通過(guò)插入手機的外置耳機音頻接口或音頻線(xiàn)路輸出接口的連接插線(xiàn)，接收手機發(fā)送出的數據信號。很顯然手機耳機端口只能直接傳輸音頻信號，耳機線(xiàn)傳輸一般是1250Hz~9600Hz之間的交流音頻信號。要進(jìn)行數據傳輸，信號就需要進(jìn)行編碼調制發(fā)送，接收時(shí)解調解碼頻率為9600Hz和4800Hz的音頻信號。本方案則采用標準的曼徹斯特(Manchester) 線(xiàn)路編碼，來(lái)進(jìn)行數據傳輸，如果把耳機接口終端作為主導裝置，則由其產(chǎn)生位時(shí)鐘信號、命令選擇信號和數據。外設裝置通過(guò)耳機音頻輸入/輸出接口與智能手機進(jìn)行數據通信，數據信號在主控模塊中進(jìn)行編解碼處理，再通過(guò)控制裝置讀取、寫(xiě)入外部介質(zhì)，并存儲數據。實(shí)現的主控模塊電路可選用低功耗的ARM微控制器，內部有可編程工作寄存器，可以方便地與主機通信，但要有自己的數據協(xié)議，主控模塊對雙向信號進(jìn)行編解碼處理的過(guò)程：(1)主控電路模塊將讀寫(xiě)裝置需傳送的曼徹斯特編碼數據信息解碼成國標數據，再編碼為差分曼徹斯特編碼數據信號，送到連接手機MIC接口或線(xiàn)路音頻輸入接口的傳輸線(xiàn)上。(2)主控電路模塊從連接手機耳機接口或線(xiàn)路音頻輸出接口如輸出L聲道的傳輸線(xiàn)上，接收差分曼徹斯特編碼數據信號，解碼成國標數據，再編碼為標準曼徹斯特編碼數據信息，送入MCU內置的讀寫(xiě)裝置。該讀寫(xiě)裝置將負責完成環(huán)境溫度、濕度數據采集。

　　本耳機外設解決方案使用曼徹斯特編碼來(lái)實(shí)現智能手機和EFM32ZG108微控制器間的通訊。不進(jìn)行載波調制與解調，直接在音頻線(xiàn)路上傳輸數據編碼信號。具體協(xié)議機制如下：基于音頻輸入/輸出的數據傳輸方法是一種串行通訊方法，參考標準同步串行通訊協(xié)議，采用差分曼徹斯特編碼，曼徹斯特編碼總會(huì )在每一位的中點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)邊沿跳變，在每一位的開(kāi)始位置也可能會(huì )有一個(gè)邊沿跳變(這決定于傳輸的數據)。在每一位中點(diǎn)的跳變方向表明數據。在位傳輸的邊沿所產(chǎn)生的跳變并不表明數據信息。它們的存在只是讓信號處于正確的狀態(tài)以便允許每一位中點(diǎn)的跳變。存在有保證的跳變允許信號能自同步，并且允許接收者能正確地匹配數據;如果數據不匹配，接收者能通過(guò)識別每一位中點(diǎn)，即在每一位的周期里不會(huì )一直有一個(gè)跳變，如圖2所示，數據傳輸是雙工方式，從手機輸出數據的傳輸使用音頻輸出線(xiàn)路，進(jìn)人手機的數據傳輸使用音頻輸入線(xiàn)路，發(fā)送數據前讓總線(xiàn)空閑準備，提示接收方做好接收準備。

4 智能手機與耳機外設數據傳輸的軟硬件設計

　　從硬件外觀(guān)體積設計得小巧出發(fā)，整個(gè)環(huán)境溫濕度偵測耳機外設將有采用3.0V/50mAh CR1225 鈕扣電池供電，內置的電路設計具有不插入智能手機耳機，電池將不耗電;插入耳機后，手機APP激活后，電池才會(huì )對整個(gè)耳機外設系統供電。為了能做到系統長(cháng)時(shí)間待機續航使用，主控MCU(微控制器)特意選用了超低功耗微控制器EFM32ZG108F16，它是基于A(yíng)RM Cortex-M0+ CPU 內核，低成本32-bit MCU，CPU頻率能達到24MHz。由于EFM32ZG108F16低功耗的性能，deep sleep(深度睡眼)模式0.9mA，此時(shí)內部的模擬電壓比較器與CPU均仍然工作;Stop 模式0.5mA;Shut off模式20nA，EFM32ZG108F16是耳機外設解決方案理想的微控制器，微控制器負責處理所有的硬件接口和軟件協(xié)議處理，通過(guò)智能手機標準的3.5mm音頻接口實(shí)現了智能手機與微控制器之間的通訊，該微處理器軟件運行固件使用內部12MHz RC (IRC) 振蕩器作為時(shí)鐘源，基于數據傳輸速率只有1.4kbps，程序實(shí)際運行可工作于1MHz，微控制器耗電僅為114mA;一旦手機APP發(fā)出退出測量模式命令，耳機外設主控可進(jìn)入深度睡眠模式(內部32.768kHz RC 振蕩器作為時(shí)鐘源)，耗電只有0.9mA。

　　針對環(huán)境溫度、濕度參數檢測，這里將選用瑞士Sensirion AG全資子公司——盛思銳溫濕度傳感器SHT21，SHT21內部由電容式相對濕度傳感器、帶隙溫度傳感器、運放、A/D轉換器、OTP 存儲及數字處理單元所組成、支持I2C總線(xiàn)接口輸出，工作時(shí)功耗較低：3.2mW(8位測量，1次/秒)，3V供電時(shí)，測量耗電只有300mA，SHT21相對濕度工作范圍為濕度0-100%;溫度工作范圍：-40 - +125℃ (-40 - +257°F);濕度響應時(shí)間為8秒(tau63%)。

　　如圖3所示主控制器與溫濕度傳感器以I²C總線(xiàn)進(jìn)行數據采集通訊。