内容介绍

1. 所选主题和项目介绍

1.1 项目主题

无线压力监测系统 - 基于STM32WBA25的BLE蓝牙气压采集与Web监控平台

1.2 项目背景

随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络在工业监测、环境检测、智能家居等领域得到了广泛应用。传统的有线压力监测系统存在布线复杂、灵活性差、维护成本高等问题。本项目旨在设计一款基于低功耗蓝牙（BLE）技术的无线压力监测系统，用户可通过Web蓝牙接口实时查看压力数据，实现对大气压力或工业压力的远程监控。

1.3 项目目标

实现对10-115kPa范围压力的精确测量
通过BLE无线技术实时传输压力数据
开发Web蓝牙网页界面，实现跨平台监控
支持单次采集和连续采集两种工作模式

1.4 主要功能

功能	描述
单次采集	用户触发后立即采集并上传一次压力数据
连续采集	以1秒间隔自动采集并上传压力数据
停止采集	停止连续采集模式
LED指示	设备状态指示

2. 硬件介绍

主控芯片：STM32WBA25

核心架构: ARM Cortex-M33 32位处理器
工作电压: 1.71V ~ 3.6V
工作频率: 支持高达100MHz
蓝牙版本: BLE 6.2
ADC分辨率: 12位

STM32WBA25是STMicroelectronics推出的新一代无线微控制器，集成完整的BLE 5.3协议栈，非常适合物联网传感器应用。

压力传感器：NSPAS3N115RRA1

参数	规格
压力范围	10 ~ 115 kPa
输出电压	0.5 ~ 4.5V（对应10~115kPa）
激励电压	5V（典型值）
精度	±2.5%FS
响应时间	2.5ms
工作温度	-30°C ~ +85°C

NSPAS3N115RRA1是一款量程为10-115kPa的绝对压力传感器，采用MEMS技术制造，具有体积小、精度高、稳定性好的特点。

3. 方案框图和项目设计思路

3.1 系统架构框图

3.2 软件架构框图

3.3 设计思路

ADC采集策略

独立线程运行：ADC采集任务独立于BLE任务运行，避免相互干扰
定时器触发：使用100ms周期的硬件定时器触发ADC采集
HAL polling模式：采用HAL_ADC_PollForConversion方式，避免中断复杂化
每次重新初始化：每次采集前重新初始化ADC，确保稳定性

BLE通信策略

GATT服务端架构：设备作为GATT服务器，网页作为客户端
两个Characteristics：
- LED_C (Write): 接收控制命令 (0x01单次, 0x02连续, 0x03停止)
- SWITCH_C (Notify): 发送压力数据通知
小端序传输：4字节无符号整数表示压力值(Pa)

命令协议

命令码	功能	说明
0x01	单次采集	立即采集一次并上传
0x02	开启连续	启动1秒间隔连续上传
0x03	停止采集	停止连续上传模式

4. 原理图和PCB设计

传感器板原理图

理论分压比：分压比 = R2 / (R1 + R2) = 300k / (200k + 300k) = 0.6

关键设计分析：

选择200kΩ和300kΩ而非更小阻值，是为了降低传感器负载电流
总阻值500kΩ，传感器驱动电流仅约10μA（@5V）
300kΩ与200kΩ的比例确保3.3V系统下5V传感器输出不会超出ADC范围

传感器板PCB

硬件组成如下：

5. 软件设计

5.1 主程序流程图

5.2 关键代码分析

ADC采集任务核心代码


static void Pressure_ADC_Task(void)
{
  uint32_t raw_adc;
  uint32_t pressure_pa;
  float voltage_sensor;

  /* 每次采集前重新初始化ADC，确保稳定性 */
  HAL_ADC_DeInit(&hadc4);
  if (HAL_ADC_Init(&hadc4) != HAL_OK) { return; }

  /* 配置ADC通道1 */
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLINGTIME_COMMON_1;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc4, &sConfig) != HAL_OK) { return; }

  /* 启动转换并轮询等待 */
  if (HAL_ADC_Start(&hadc4) != HAL_OK) { return; }
  if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc4, 100) != HAL_OK) { return; }

  /* 读取ADC原始值 */
  raw_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc4);

  /* 计算传感器实际电压 (考虑分压比) */
  voltage_sensor = (float)raw_adc * 3300.0f / 4095.0f;
  voltage_sensor = voltage_sensor * 500.0f / 300.0f;  /* 分压衰减 */

  /* 计算压力值: 0-5V对应10-115kPa */
  pressure_pa = (uint32_t)(voltage_sensor / 1000.0f / 5.0f * 105000.0f + 10000.0f);

  /* 限幅保护 */
  if (pressure_pa < 10000) pressure_pa = 10000;
  if (pressure_pa > 115000) pressure_pa = 115000;

  /* 更新共享变量 */
  LatestPressure_Pa = pressure_pa;
  ADC_Data_Ready = 1;

  HAL_ADC_Stop(&hadc4);
}

代码分析：

每次采集前调用HAL_ADC_DeInit和HAL_ADC_Init是解决ADC不稳定的关键，这是经过多次调试发现的稳定方案
分压比计算500.0f/300.0f是正确的，因为传感器输出通过200K+300K分压后到达ADC
压力计算公式(voltage/5000)*105000+10000实现了0-5V到10-115kPa的线性映射

BLE通知发送函数

void P2P_SERVER_SendPressureNotification(void)
{
  P2P_SERVER_Data_t p2p_server_notification_data;
  uint32_t pressure_pa;
  uint8_t data[4];

  /* 检查通知是否已启用 */
  if (P2P_SERVER_APP_Context.Switch_c_Notification_Status != Switch_c_NOTIFICATION_ON)
  {
    return;
  }

  /* 读取最新的ADC采集值 */
  if (ADC_Data_Ready)
  {
    pressure_pa = LatestPressure_Pa;
  }
  else
  {
    pressure_pa = 0;
  }

  /* 4字节小端序打包 */
  data[0] = (uint8_t)(pressure_pa & 0xFF);
  data[1] = (uint8_t)((pressure_pa >> 8) & 0xFF);
  data[2] = (uint8_t)((pressure_pa >> 16) & 0xFF);
  data[3] = (uint8_t)((pressure_pa >> 24) & 0xFF);

  /* 更新发送计数 */
  P2P_SERVER_APP_Context.PressureCount++;

  /* 发送GATT通知 */
  p2p_server_notification_data.p_Payload = data;
  p2p_server_notification_data.Length = 4;

  P2P_SERVER_UpdateValue(P2P_SERVER_SWITCH_C, &p2p_server_notification_data);
}

代码分析：

使用4字节无符号整数传输压力值(Pa)，网页端通过DataView.getUint32(0, true)解析
小端序(little-endian)确保与STM32内存布局一致
通过ble_send_busy标志防止GATT操作竞争

GATT特征值定义


/* p2p_server.c */
static const uint16_t SizeSwitch_C = 4;  /* 必须与实际发送长度一致! */

ret = aci_gatt_add_char(P2P_SERVER_Context.P2p_serverSvcHdle,
                        UUID_TYPE_128,
                        (Char_UUID_t *) &uuid,
                        SizeSwitch_C,           /* 4字节压力数据 */
                        CHAR_PROP_NOTIFY,       /* 支持通知 */
                        ATTR_PERMISSION_NONE,
                        GATT_NOTIFY_ATTRIBUTE_WRITE,
                        0x10,
                        CHAR_VALUE_LEN_VARIABLE,
                        &(P2P_SERVER_Context.Switch_CCharHdle));

关键点：

SizeSwitch_C必须设置为4，否则BLE协议栈会拒绝写入
使用CHAR_PROP_NOTIFY实现服务端主动推送
UUID采用128位格式：0000FE42-8E22-4541-9D4C-21EDAE82ED19

5.3 Web蓝牙网页关键代码


// 连接并使能通知
await switchChar.startNotifications();
switchChar.addEventListener('characteristicvaluechanged', onPressureChanged);

// 解析BLE通知数据
function onPressureChanged(event) {
  const value = event.target.value;
  const dataView = new DataView(value.buffer);

  // 读取4字节小端序无符号整数
  const pressurePa = dataView.getUint32(0, true); // little-endian

  // 显示压力 (转换为kPa)
  const pressureKpa = (pressurePa / 1000).toFixed(1);
  document.getElementById('pressureValue').textContent = pressureKpa;
}

// 发送控制命令
async function sendCommand(command) {
  const data = new Uint8Array([0x00, command]); // [设备选择, 命令]
  await ledChar.writeValue(data);
}

6. 硬件功能展示

硬件连接效果：

网页界面展示：

7. 设计中遇到的难题和解决方法

问题描述：

发送BLE通知时总是返回错误码0x92 (INSUFFICIENT_RESOURCES)

原因分析：

SWITCH_C characteristic的SizeSwitch_C定义为2字节
实际发送的是4字节压力数据
GATT协议栈拒绝超过定义长度的写入

解决方法：

修改p2p_server.c中的特征值大小定义：

static const uint16_t SizeSwitch_C = 4;  // 从2改为4

8. 心得体会

本次无线压力监测系统项目成功实现了预期功能，通过STM32WBA55的BLE 5.3技术与Web Bluetooth的结合，打造了一个低功耗、易使用的无线压力监控方案。项目过程中解决了ADC稳定性、GATT协议配置、任务调度等多个技术难题，积累了宝贵的嵌入式开发经验。