一種智能手機(jī)獲取監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度的實(shí)現(xiàn)方法

摘要：本文介紹一種利用智能手機(jī)耳機(jī)接口音頻傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)拓展監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度的應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)提出了可兼容2種不同耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，增強(qiáng)了智能手機(jī)拓展應(yīng)用價(jià)值。

　　隨著移動(dòng)終端操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能日益強(qiáng)大，如Android和iOS智能操作系統(tǒng)，智能手機(jī)的應(yīng)用已遠(yuǎn)超出通話的原始功能，各種移動(dòng)應(yīng)用的開發(fā)更充分體現(xiàn)了智能化、開放式的趨勢(shì)。這里介紹一種如何利用智能手機(jī)的耳機(jī)音頻接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)獲取外界環(huán)境溫度濕度參數(shù)的方法。

1 技術(shù)應(yīng)用背景

　　目前智能手機(jī)等移動(dòng)通訊終端，通常都帶有4腳3.5mm立體聲耳機(jī)接口，這就給智能手機(jī)帶來(lái)通用接口擴(kuò)展應(yīng)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(xiàn)在智能手機(jī)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(jī)也有不少，但并不能保證市面所有的手機(jī)都支持。而智能手機(jī)支持耳機(jī)接口，卻是絕對(duì)所需必配，因此研究通過(guò)手機(jī)耳機(jī)接口作拓展應(yīng)用，似乎是必然之路。

2 系統(tǒng)組成與原理

　　本智能手機(jī)偵測(cè)環(huán)境溫、濕度參數(shù)系統(tǒng)，如圖1所示系統(tǒng)由來(lái)自耳機(jī)端口環(huán)境溫濕度偵測(cè)外設(shè)和智能手機(jī)所組成，其中耳機(jī)端口外設(shè)主要由耳機(jī)端口MIC與GND自動(dòng)偵測(cè)與自動(dòng)切換電路，電池供電開關(guān)電路，耳機(jī)輸出L聲道信號(hào)整形電路，MIC信號(hào)整形發(fā)送電路，低功耗32位MCU單片機(jī)電路，專業(yè)級(jí)溫度、濕度傳感器等組成。

3 工作原理

　　耳機(jī)端口外設(shè)裝置將負(fù)責(zé)完成環(huán)境溫、濕度參數(shù)測(cè)量采集，在相應(yīng)的智能手機(jī)APP程序支持下，智能手機(jī)顯示屏將可直接顯示環(huán)境溫度、濕度曲線。為了達(dá)此目的，這就需要建立耳機(jī)端口外設(shè)與智能手機(jī)數(shù)據(jù)通訊機(jī)制：數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w方式中，外設(shè)裝置通過(guò)插入手機(jī)外置話筒音頻輸入接口或音頻線路輸人接口的連接線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)給手機(jī)，外設(shè)裝置通過(guò)插入手機(jī)的外置耳機(jī)音頻接口或音頻線路輸出接口的連接插線，接收手機(jī)發(fā)送出的數(shù)據(jù)信號(hào)。很顯然手機(jī)耳機(jī)端口只能直接傳輸音頻信號(hào)，耳機(jī)線傳輸一般是1250Hz~9600Hz之間的交流音頻信號(hào)。要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)就需要進(jìn)行編碼調(diào)制發(fā)送，接收時(shí)解調(diào)解碼頻率為9600Hz和4800Hz的音頻信號(hào)。本方案則采用標(biāo)準(zhǔn)的曼徹斯特(Manchester) 線路編碼，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果把耳機(jī)接口終端作為主導(dǎo)裝置，則由其產(chǎn)生位時(shí)鐘信號(hào)、命令選擇信號(hào)和數(shù)據(jù)。外設(shè)裝置通過(guò)耳機(jī)音頻輸入/輸出接口與智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)信號(hào)在主控模塊中進(jìn)行編解碼處理，再通過(guò)控制裝置讀取、寫入外部介質(zhì)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)的主控模塊電路可選用低功耗的ARM微控制器，內(nèi)部有可編程工作寄存器，可以方便地與主機(jī)通信，但要有自己的數(shù)據(jù)協(xié)議，主控模塊對(duì)雙向信號(hào)進(jìn)行編解碼處理的過(guò)程：(1)主控電路模塊將讀寫裝置需傳送的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信息解碼成國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)，再編碼為差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，送到連接手機(jī)MIC接口或線路音頻輸入接口的傳輸線上。(2)主控電路模塊從連接手機(jī)耳機(jī)接口或線路音頻輸出接口如輸出L聲道的傳輸線上，接收差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信號(hào)，解碼成國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)，再編碼為標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信息，送入MCU內(nèi)置的讀寫裝置。該讀寫裝置將負(fù)責(zé)完成環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)采集。

　　本耳機(jī)外設(shè)解決方案使用曼徹斯特編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)和EFM32ZG108微控制器間的通訊。不進(jìn)行載波調(diào)制與解調(diào)，直接在音頻線路上傳輸數(shù)據(jù)編碼信號(hào)。具體協(xié)議機(jī)制如下：基于音頻輸入/輸出的數(shù)據(jù)傳輸方法是一種串行通訊方法，參考標(biāo)準(zhǔn)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，在每一位的開始位置也可能會(huì)有一個(gè)邊沿跳變(這決定于傳輸?shù)臄?shù)據(jù))。在每一位中點(diǎn)的跳變方向表明數(shù)據(jù)。在位傳輸?shù)倪呇厮a(chǎn)生的跳變并不表明數(shù)據(jù)信息。它們的存在只是讓信號(hào)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?cè)试S信號(hào)能自同步，并且允許接收者能正確地匹配數(shù)據(jù);如果數(shù)據(jù)不匹配，接收者能通過(guò)識(shí)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(shù)據(jù)傳輸是雙工方式，從手機(jī)輸出數(shù)據(jù)的傳輸使用音頻輸出線路，進(jìn)人手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸使用音頻輸入線路，發(fā)送數(shù)據(jù)前讓總線空閑準(zhǔn)備，提示接收方做好接收準(zhǔn)備。

4 智能手機(jī)與耳機(jī)外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布O(shè)計(jì)

　　從硬件外觀體積設(shè)計(jì)得小巧出發(fā)，整個(gè)環(huán)境溫濕度偵測(cè)耳機(jī)外設(shè)將有采用3.0V/50mAh CR1225 鈕扣電池供電，內(nèi)置的電路設(shè)計(jì)具有不插入智能手機(jī)耳機(jī)，電池將不耗電;插入耳機(jī)后，手機(jī)APP激活后，電池才會(huì)對(duì)整個(gè)耳機(jī)外設(shè)系統(tǒng)供電。為了能做到系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)續(xù)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ARM Cortex-M0+ CPU 內(nèi)核，低成本32-bit MCU，CPU頻率能達(dá)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(nèi)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(jī)外設(shè)解決方案理想的微控制器，微控制器負(fù)責(zé)處理所有的硬件接口和軟件協(xié)議處理，通過(guò)智能手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的3.5mm音頻接口實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)與微控制器之間的通訊，該微處理器軟件運(yùn)行固件使用內(nèi)部12MHz RC (IRC) 振蕩器作為時(shí)鐘源，基于數(shù)據(jù)傳輸速率只有1.4kbps，程序?qū)嶋H運(yùn)行可工作于1MHz，微控制器耗電僅為114mA;一旦手機(jī)APP發(fā)出退出測(cè)量模式命令，耳機(jī)外設(shè)主控可進(jìn)入深度睡眠模式(內(nèi)部32.768kHz RC 振蕩器作為時(shí)鐘源)，耗電只有0.9mA。

　　針對(duì)環(huán)境溫度、濕度參數(shù)檢測(cè)，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(nèi)部由電容式相對(duì)濕度傳感器、帶隙溫度傳感器、運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP 存儲(chǔ)及數(shù)字處理單元所組成、支持I2C總線接口輸出，工作時(shí)功耗較低：3.2mW(8位測(cè)量，1次/秒)，3V供電時(shí)，測(cè)量耗電只有300mA，SHT21相對(duì)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(yīng)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總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集通訊。