【 2025 DigiKey 杯】星型组网的低功耗无线传感系统（一）

一、概述

随着芯片技术和射频技术的发展，无线数据传输已成为现代数字社会的基石，从个人移动通信到工业物联网，其重要性不言而喻。无线技术飞跃的背后，是半导体芯片技术与射频技术协同演进的结果。芯片技术提供了数据处理与控制的“大脑”，而射频技术则构成了信息收发的“神经末梢”。两者的深度融合，正朝着更高性能、更低功耗、更小体积、更低成本的方向持续发展。

在本系统中是为了解决工程施工中的布线难题，通过无线星型组网获取200米范围内的环境信息。具体设计思路如下图所示，由无线节点采集各种数据，比如温度、湿度、电压、电流、压力、流量、光照、运动、气体浓度等等，将数据通过无线网络传输到接收机，接收机通过无线信道接收到传感数据后转换为串行信息发送到后台PC进行数据分析和展示。

二、低功耗无线节点设计

要制作一个稳定可靠的无线传感器节点其实是一个系统工程，需要综合考虑硬件、软件、通信和电源等多个方面的要求。集成了感知、处理、通信和供电四大功能。在本系统中节点需要着重考虑低功耗的要求，MCU选用低功耗STM32L010F4P6单片机（从Digikey购买），射频芯片选用nRF24L01p，传感器选用奥松的AHT25温湿度传感器。

低功耗STM32L010F4P6单片机是M0+ 32位 RISC 内核，主频最高 32 MHz。其功耗极低，接口丰富。在运行模式功耗低至 100 µA/MHz。低功耗运行模式功耗约 7 µA，此时保留 RAM 和外设功能，CPU 可快速唤醒。低功耗睡眠模式约 4 µA。停止模式约 1.0 µA，保留 RAM 内容，典型唤醒时间约 9 µs。待机模式功耗低至 0.3 µA（典型值），不保留 RAM 内容，唤醒后从复位开始执行。VBAT 模式功耗约 0.15 µA，为实时时钟和备份寄存器供电。通信接口包含一个 I2C，一个USART，一个SPI，1个 12位 ADC。时钟系统包括1个 16位高级控制定时器。1个 16位通用定时器。1个低功耗定时器。1个独立看门狗和一个窗口看门狗，提高系统可靠性。其内部资源如下图所示

射频芯片选用nRF24L01p。这是一款经典、低成本、高性能的 2.4GHz 无线收发芯片，在物联网、无人机、遥控玩具等领域被广泛使用。它的特性可以概括为：低成本、高集成度、低功耗、高速度，但同时也存在一些需要注意的局限性。其工作在 2.4 ~ 2.525GHz 的 ISM 频段。调制方式为高斯频移键控，抗干扰能力强。可配置空中速率2Mbps速度最快，延迟低；1Mbps为默认速率；最慢速度250kbps，通信距离最远，接收灵敏度最高，抗干扰能力最强。接收灵敏度在 250kbps 速率下，可达 -94dBm；在 2Mbps 速率下，约为 -82dBm。可编程发射功率，提供 0dBm, -6dBm, -12dBm, -18dBm 四个等级。强大的 MultiCeiver 与 Enhanced ShockBurst协议。具有6个数据通道，每个芯片可以同时监听多达 6个不同的接收地址，非常适合一对多（如遥控器对多个接收器）或多对一（如多个传感器节点对一个接收器）的网络拓扑。自动数据包处理，自动生成前导码、CRC校验。自动应答，确保数据可靠传输，无需MCU干预。自动重发，如果未收到应答，芯片会自动重发数据包，可配置重发次数和延迟。极大地降低了MCU的中断负担和软件复杂度。功功耗相当低，发射模式约 11mA (@0dBm)。接收模式约 12.5mA。待机模式约 26µA。掉电模式 < 1µA，几乎完全关闭。标准的 SPI 接口，与MCU连接都非常简单。采用QFN-20 封装，节省PCB空间。其最小系统如下图所示

奥松的AHT25温湿度传感模块，模块内配置一颗全新设计的ASIC专用芯片具有出厂标定、低功耗、高精度、高稳定性等特点，采用完全校准的数字I2C接口（0x38），响应迅速，抗干扰能力强，性价比更高。可应用于消费电子、汽车、工业、气象等领域，兼容3.3~5.5V主控接口。模块工作电压 3.3～5.5V DC，工作电流<1mA，温度范围在-40~+80℃精度±0.5℃湿度范围0~100%RH ±3%RH（25℃），分辨率分别为0.01℃和0.024%RH，电路板尺寸22mm*33mm。