代码收藏家技术教程 2025-02-12

STMicroelectronics 系列：STM32WLE 系列_（11）.STM32WLE系列无线应用案例分析

STM32WLE系列无线应用案例分析

1. 引言

在物联网（IoT）和无线通信应用中，STM32WLE系列单片机以其高性能、低功耗和丰富的无线通信功能而备受青睐。本节将通过具体的案例分析，详细介绍如何使用STM32WLE系列单片机实现无线通信应用。我们将涵盖从硬件配置、固件开发到实际应用的全过程，帮助读者理解和掌握STM32WLE系列单片机的无线通信功能。

2. 硬件配置与初始化

2.1 硬件配置

STM32WLE系列单片机集成了LoRa无线通信模块，支持Sub-GHz频段。在硬件配置方面，需要考虑以下几个方面：

天线选择与连接：选择合适的天线并正确连接到单片机的天线引脚。

电源管理：确保单片机和LoRa模块的供电稳定。

外部晶振：配置外部晶振以确保无线通信的精确时钟。

2.2 硬件初始化

硬件初始化是确保单片机能够正常工作的关键步骤。以下是硬件初始化的代码示例：


#include "stm32wle.h"



// 配置外部晶振

void configure_external_oscillator(void) {

    // 使能外部晶振

    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 8;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;

    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = 2;

    if (HAL_RCC_OscInit(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {

        // 初始化失败处理

        while (1) {

            // 错误处理

        }

    }

}



// 初始化LoRa模块

void initialize_lora_module(void) {

    // 配置LoRa引脚

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;

    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);



    // 配置LoRa波特率和数据格式

    UART_HandleTypeDef huart1;

    huart1.Instance = USART1;

    huart1.Init.BaudRate = 9600;

    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;

    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {

        // 初始化失败处理

        while (1) {

            // 错误处理

        }

    }

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    configure_external_oscillator();

    initialize_lora_module();



    // 主循环

    while (1) {

        // 等待接收数据

    }

}

3. 无线通信协议与实现

3.1 LoRa协议

LoRa（Long Range）是一种低功耗广域网（LPWAN）通信技术，适用于远程通信和低数据速率的应用。STM32WLE系列单片机通过集成的LoRa模块支持LoRa协议。以下是LoRa通信的基本参数配置：


#include "sx1278.h"



// 配置LoRa参数

void configure_lora_parameters(void) {

    LoRa_init(915E6, 10, LORA_SF7, LORA_BW_125KHZ, LORA_CR_4_5, 12, 0, 0);

    LoRa_set_tx_power(14); // 设置发射功率

    LoRa_set_preamble_length(8); // 设置前导码长度

    LoRa_set_crc(true); // 使能CRC校验

}



// 发送LoRa数据

void send_lora_data(uint8_t *data, uint8_t length) {

    LoRa_begin_packet();

    LoRa_write(data, length);

    LoRa_end_packet();

}



// 接收LoRa数据

void receive_lora_data(uint8_t *data, uint8_t *length) {

    if (LoRa_parse_packet(length) > 0) {

        LoRa_read(data, *length);

    }

}

3.2 实际应用案例

3.2.1 环境监测系统

环境监测系统可以使用STM32WLE系列单片机和LoRa模块实现远程数据传输。以下是环境监测系统的代码示例：


#include "stm32wle.h"

#include "sx1278.h"

#include "sensor.h"



#define DATA_BUFFER_SIZE 32

uint8_t data_buffer[DATA_BUFFER_SIZE];



void configure_lora_parameters(void) {

    LoRa_init(915E6, 10, LORA_SF7, LORA_BW_125KHZ, LORA_CR_4_5, 12, 0, 0);

    LoRa_set_tx_power(14);

    LoRa_set_preamble_length(8);

    LoRa_set_crc(true);

}



void send_environment_data(void) {

    float temperature = read_temperature();

    float humidity = read_humidity();

    float pressure = read_pressure();



    // 将数据打包

    data_buffer[0] = (uint8_t)(temperature * 100);

    data_buffer[1] = (uint8_t)((temperature * 100) >> 8);

    data_buffer[2] = (uint8_t)(humidity * 100);

    data_buffer[3] = (uint8_t)((humidity * 100) >> 8);

    data_buffer[4] = (uint8_t)(pressure * 100);

    data_buffer[5] = (uint8_t)((pressure * 100) >> 8);



    send_lora_data(data_buffer, 6);

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    configure_external_oscillator();

    initialize_lora_module();

    configure_lora_parameters();



    // 初始化传感器

    sensor_init();



    // 主循环

    while (1) {

        send_environment_data();

        HAL_Delay(60000); // 每分钟发送一次数据

    }

}

3.2.2 智能农业应用

智能农业应用可以通过STM32WLE系列单片机和LoRa模块实现土壤湿度、光照强度等数据的远程监测和控制。以下是智能农业应用的代码示例：


#include "stm32wle.h"

#include "sx1278.h"

#include "soil_sensor.h"

#include "light_sensor.h"



#define DATA_BUFFER_SIZE 32

uint8_t data_buffer[DATA_BUFFER_SIZE];



void configure_lora_parameters(void) {

    LoRa_init(915E6, 10, LORA_SF7, LORA_BW_125KHZ, LORA_CR_4_5, 12, 0, 0);

    LoRa_set_tx_power(14);

    LoRa_set_preamble_length(8);

    LoRa_set_crc(true);

}



void send_agriculture_data(void) {

    float soil_moisture = read_soil_moisture();

    float light_intensity = read_light_intensity();



    // 将数据打包

    data_buffer[0] = (uint8_t)(soil_moisture * 100);

    data_buffer[1] = (uint8_t)((soil_moisture * 100) >> 8);

    data_buffer[2] = (uint8_t)(light_intensity * 100);

    data_buffer[3] = (uint8_t)((light_intensity * 100) >> 8);



    send_lora_data(data_buffer, 4);

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    configure_external_oscillator();

    initialize_lora_module();

    configure_lora_parameters();



    // 初始化传感器

    soil_sensor_init();

    light_sensor_init();



    // 主循环

    while (1) {

        send_agriculture_data();

        HAL_Delay(120000); // 每两分钟发送一次数据

    }

}

4. 低功耗设计

4.1 低功耗模式

STM32WLE系列单片机支持多种低功耗模式，包括睡眠模式、深度睡眠模式和待机模式。通过合理使用这些低功耗模式，可以显著延长电池寿命。以下是进入低功耗模式的代码示例：


#include "stm32wle.h"



// 进入睡眠模式

void enter_sleep_mode(void) {

    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

}



// 进入深度睡眠模式

void enter_deep_sleep_mode(void) {

    HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

}



// 进入待机模式

void enter_standby_mode(void) {

    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    configure_external_oscillator();

    initialize_lora_module();

    configure_lora_parameters();



    // 初始化传感器

    sensor_init();



    // 主循环

    while (1) {

        send_environment_data();

        enter_sleep_mode();

        HAL_Delay(60000); // 每分钟发送一次数据

    }

}

4.2 低功耗技巧

定期唤醒：通过定时器定期唤醒单片机进行数据采集和发送。

关闭未使用的外设：在不需要使用时关闭外设以减少功耗。

优化代码：减少不必要的计算和循环，优化数据处理逻辑。

5. 无线通信安全性

5.1 数据加密

为了确保无线通信的安全性，可以使用数据加密技术。STM32WLE系列单片机支持多种加密算法，如AES。以下是使用AES加密LoRa数据的代码示例：


#include "stm32wle.h"

#include "sx1278.h"

#include "crypto.h"



#define DATA_BUFFER_SIZE 32

uint8_t data_buffer[DATA_BUFFER_SIZE];

uint8_t encrypted_buffer[DATA_BUFFER_SIZE];



void configure_lora_parameters(void) {

    LoRa_init(915E6, 10, LORA_SF7, LORA_BW_125KHZ, LORA_CR_4_5, 12, 0, 0);

    LoRa_set_tx_power(14);

    LoRa_set_preamble_length(8);

    LoRa_set_crc(true);

}



void encrypt_data(uint8_t *data, uint8_t *encrypted_data, uint8_t length) {

    AES_init();

    AES_encrypt(data, encrypted_data, length);

}



void send_environment_data(void) {

    float temperature = read_temperature();

    float humidity = read_humidity();

    float pressure = read_pressure();



    // 将数据打包

    data_buffer[0] = (uint8_t)(temperature * 100);

    data_buffer[1] = (uint8_t)((temperature * 100) >> 8);

    data_buffer[2] = (uint8_t)(humidity * 100);

    data_buffer[3] = (uint8_t)((humidity * 100) >> 8);

    data_buffer[4] = (uint8_t)(pressure * 100);

    data_buffer[5] = (uint8_t)((pressure * 100) >> 8);



    // 加密数据

    encrypt_data(data_buffer, encrypted_buffer, 6);



    // 发送加密后的数据

    send_lora_data(encrypted_buffer, 6);

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    configure_external_oscillator();

    initialize_lora_module();

    configure_lora_parameters();



    // 初始化传感器

    sensor_init();



    // 主循环

    while (1) {

        send_environment_data();

        HAL_Delay(60000); // 每分钟发送一次数据

    }

}