一、项目背景

        翻开任何一本物联网教材，温湿度传感器几乎都是入门章节的第一个例子。这并不是因为它简单，而是因为它足够基础——无论是粮仓、机房、温室大棚，还是病房、冷链货车、博物馆的文物储藏间，温湿度的精确感知都是一切智能决策的前提。

        然而，"能测"和"好用"之间存在一道鸿沟。传统有线部署方案在固定场所尚可接受，一旦面对大空间多点布置、移动设备监测或临时性部署需求，动辄上百米的布线工程便会让方案变得既昂贵又脆弱。蓝牙低功耗（BLE）技术的成熟给出了另一条路：设备直接用纽扣电池供电，通过手机或小程序随时读取数据，整个部署过程不需要任何网络基础设施。

        但"低功耗"三个字说起来轻巧，真正落地时却藏着很多细节。以本项目使用的SHT30模拟输出传感器为例，即便处于空闲状态，只要持续供电就会维持约0.6mA的静态电流。在一块200mAh的纽扣电池上，这一数字意味着不到两周的续航。如何把传感器的通电时间精确压缩到"刚好够采一次样"的16毫秒窗口，让其余时间彻底断电，正是本项目着重解决的工程问题。

        本项目选用NXP MCXW71作为核心芯片。这颗芯片内置独立的无线子系统，将BLE协议栈的运行与应用主核完全隔离，既保证了蓝牙通信的实时性，又让应用层可以毫无顾虑地进入深度睡眠。配合Zephyr RTOS成熟的电源管理框架，整个系统的低功耗潜力得以充分释放。

二、项目目标与要求

        本项目的最终交付物是一套可以实际使用的无线温湿度节点：上电即广播，手机小程序连接即可看到实时数据，放在那里不管它，电池也能撑得住。为达到这个目标，整个开发过程围绕以下几个核心问题展开：

传感器信号怎么读？
        SHT30采用模拟比率式输出，温度和湿度分别对应两路0~VDD范围内的电压信号，需要通过ADC双通道同步采集，再套用数据手册给出的比率式公式换算。本项目使用FRDM-MCXW71板载的LPADC（12位，VREFH = 3.3V），通道映射关系需结合原理图与芯片参考手册三方核对，不能仅凭引脚名称推断。

传感器电源怎么控？
        直接给传感器持续供电是最省事的方案，但也是最费电的。本项目引入一个高电平导通的MOS管开关模块，由GPIOC.4控制其通断，将传感器的供电窗口精确限制在"上电稳定（16ms）+ ADC采样（~1ms）"这17ms以内，其余时间传感器引脚与电源完全断开。

MCU睡眠怎么配？
        Zephyr的k_sleep()在启用CONFIG_PM=y与CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y之后，会由PM子系统自动选择当前可用的最深睡眠态，并依赖片上RTC定时唤醒，对应用层完全透明。开发者无需手动操作任何寄存器，只需确保配置正确、外设约束不阻止深度睡眠即可。

数据怎么传到手机？
本项目定义了两个独立的128-bit UUID自定义GATT服务（温度服务与湿度服务），各含一个支持Notify的float类型特征。微信小程序通过订阅Notify通知被动接收数据，开发板每完成一次采样即推送一次，无需小程序轮询，进一步减少BLE通信对系统功耗的影响。

围绕上述四个核心问题，本项目的具体任务分解如下：

• 搭建Zephyr开发环境，验证工程可正常编译并烧录至FRDM-MCXW71

• 完成SHT30传感器与开发板的硬件连接，编写ADC驱动并验证串口输出数据正确

• 编写MOS管供电控制逻辑，实现"采样窗口内供电、采样完成立即断电"的精确时序

• 配置BLE外设角色与自定义GATT服务，验证微信小程序可正常接收温湿度Notify通知

• 启用Zephyr电源管理与Tickless内核，测量低功耗模式下的实际功耗并与连续供电方案对比

三、项目硬件

模块主要硬件选型如下：

• NXP FRDM-MCXW71开发板

• SHT30模拟输出温湿度传感器模块

• MOS管开关模块（高电平导通型）

• Nordic PPK2（低功耗分析）

        在主要硬件选择完毕后，查阅开发板原理图与官方设备树头文件，确定引脚连接方案如下：SHT30模块VCC通过MOS管开关模块受控接入3.3V，GND直连开发板GND；温度输出引脚T接至ADC0通道（CH1B），湿度输出引脚H接至ADC0通道（CH2A）；MOS管开关模块控制引脚接至ARDUINO_HEADER_R3_D2（对应gpioc 4），高电平时MOS管导通、传感器上电，低电平时传感器完全断电。具体硬件连线图如下图所示。

四、项目软件

        完整项目软件包括两个工程，一是低功耗蓝牙温湿度计Zephyr工程（ble_thermo），二是上位机微信小程序。下面将对两个工程进行详细描述。

A：ble_thermo工程

NXP FRDM-MCXW71开发板支持VS Code、IAR、Keil等多工具开发。但是本次我们要围绕Zephyr操作系统展开，所以选择一个Zephyr开发的通用工具VS Code + Zephyr IDE插件。

在编写模块软件代码之前，需要了解利用Zephyr搭建工程所需的文件架构，如图所示：

完成项目工程所需编写的代码文件共有七个：

main.c是核心逻辑实现文件，负责：

（1）初始化硬件和协议栈：

• 调用sht30_init()初始化ADC通道与电源控制GPIO（传感器初始断电）

• 调用bt_enable()初始化蓝牙协议栈，注册连接/断开回调

• 调用ble_th_init()静态注册GATT温度服务与湿度服务

（2）实现业务功能：

• 每30秒调用一次sht30_read()，内部自动完成"上电→等待16ms→ADC采样→立即断电"的完整时序

• 将int16_t类型的temp_x100/hum_x100转换为float后，通过printk输出至串口

• 调用ble_th_notify_temp()和ble_th_notify_hum()向已订阅的BLE客户端推送数据

（3）低功耗与电源管理：

• 主循环中调用k_sleep(K_SECONDS(30))，配合CONFIG_PM=y与CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y，使系统在空闲时自动进入最深可用睡眠态，由片上RTC定时唤醒，全程对应用层透明

（4）连接状态管理：

• 使用原子位STATE_CONNECTED/STATE_DISCONNECTED在回调与主循环间安全传递连接事件，断连后自动重新开始广播

由于main.c代码较长，本文不再详述，完整代码见文末附件。

prj.conf用于配置Zephyr内核及各子系统的编译选项。代码如下：

# 蓝牙核心
CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_SMP=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_DIS=y
CONFIG_BT_DIS_PNP=n
CONFIG_BT_BAS=y
CONFIG_BT_DEVICE_NAME="Zephyr TH Sensor"
CONFIG_BT_DEVICE_APPEARANCE=512

# ADC / GPIO
CONFIG_ADC=y
CONFIG_GPIO=y

# 电源管理（低功耗核心配置）
CONFIG_PM=y
CONFIG_PM_DEVICE=y
CONFIG_PM_DEVICE_RUNTIME=y

# Tickless内核（消除周期性tick中断，最大化睡眠时间）
CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y
CONFIG_SYS_CLOCK_TICKS_PER_SEC=1000

# 日志与串口
CONFIG_LOG=y
CONFIG_SERIAL=y
CONFIG_CONSOLE=y
CONFIG_UART_CONSOLE=y
CONFIG_PRINTK=y
CONFIG_CBPRINTF_FP_SUPPORT=y

各内容具体作用如下：

• 启用蓝牙功能：CONFIG_BT=y、CONFIG_BT_PERIPHERAL=y使能蓝牙协议栈并使设备作为外设角色；CONFIG_BT_DEVICE_NAME设置广播名称；CONFIG_BT_DEVICE_APPEARANCE=512设置设备外观类别为Generic Sensor。

• 启用必要外设驱动：CONFIG_ADC=y、CONFIG_GPIO=y使能ADC驱动与GPIO框架，支持模拟电压采集和MOS管控制。

• 配置电源管理：CONFIG_PM=y启用Zephyr PM子系统；CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y关闭周期性tick中断，使k_sleep()能够触发真正的硬件深度睡眠；CONFIG_PM_DEVICE=y允许ADC等外设参与电源状态切换。

        设备树（Device Tree）描述了硬件的外设、引脚连接和资源。.overlay文件在不修改官方板级设备树的前提下，添加或覆盖节点以适应自定义硬件连接。代码如下：

#include <zephyr/dt-bindings/adc/adc.h>
#include <zephyr/dt-bindings/adc/mcux-lpadc.h>

/ {
    aliases {
        adc0 = &adc0;
    };

    /*
     * 传感器供电控制 GPIO
     *
     * ARDUINO_HEADER_R3_D2 → gpioc 4（来自官方 arduino-connector gpio-map）
     * GPIO_ACTIVE_HIGH：写 1 → MOS管导通 → 传感器上电
     *                   写 0 → MOS管截止 → 传感器完全断电
     */
    zephyr,user {
        sensor-pwr-gpios = <&gpioc 4 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    };
};

&lpi2c1 {
    status = "disabled";
};

&adc0 {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    voltage-ref = <0x0>;            /* Alt1 = VREFH = 3.3V */
    nxp,references = <&vref 3300>;  /* 参考电压 3300mV */

    channel@0 {                     /* 温度通道 */
        reg = <0>;
        zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";
        zephyr,reference = "ADC_REF_EXTERNAL0";
        zephyr,vref-mv = <3300>;
        zephyr,acquisition-time = <ADC_ACQ_TIME_DEFAULT>;
        zephyr,resolution = <12>;
        zephyr,input-positive = <MCUX_LPADC_CH1B>;
    };

    channel@1 {                     /* 湿度通道 */
        reg = <1>;
        zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";
        zephyr,reference = "ADC_REF_EXTERNAL0";
        zephyr,vref-mv = <3300>;
        zephyr,acquisition-time = <ADC_ACQ_TIME_DEFAULT>;
        zephyr,resolution = <12>;
        zephyr,input-positive = <MCUX_LPADC_CH2A>;
    };
};

上述代码关键要点：voltage-ref = <0x0>选择VREFH（3.3V）作为ADC参考电压，若不覆盖则默认使用1.8V导致换算结果严重偏高；nxp,references = <&vref 3300>明确告知NXP驱动参考电压值，确保adc_raw_to_millivolts()函数计算正确。MOS管控制GPIO（gpioc 4）直接在C代码中通过DT_NODELABEL(gpioc)获取设备，规避了文件作用域静态初始化时DEVICE_DT_GET的符号解析问题。

sht30.h声明两个API函数：

int sht30_init(void);
/* 初始化ADC通道与电源控制GPIO（传感器初始断电），返回0成功 */

int sht30_read(int16_t *temp_x100, int16_t *hum_x100);
/* 完整采集流程：上电→等待16ms→ADC采样→立即断电→换算 */
/* temp_x100：温度，单位0.01°C（如2530 = 25.30°C）       */
/* hum_x100 ：湿度，单位0.01%RH（如5120 = 51.20%RH）     */

sht30.c的核心实现要点：

• 通道配置从设备树自动生成：使用ADC_CHANNEL_CFG_DT宏展开channel子节点，参考电压从zephyr,vref-mv属性读取，驱动代码与硬件通道号完全解耦

• 比率式换算公式（SHT30数据手册）：T(°C) = -66.875 + 218.75 × (V_T / V_DD)，RH(%) = -12.5 + 125.0 × (V_RH / V_DD)，以V_DD为基准的比率式计算确保VDD轻微波动时结果仍准确

• 断电保证：gpio_pin_set(pwr_port, SENSOR_PWR_PIN, 0)位于adc_read()返回后立即执行，使用goto结构确保即使ADC失败也必然断电，不存在传感器持续供电的风险

ble_th.c静态注册两个独立的128-bit UUID自定义服务：

        每个特征均附带CCCD（Client Characteristic Configuration Descriptor）。小程序调用notifyBLECharacteristicValueChange()时写入CCCD，触发temp_ccc_changed/hum_ccc_changed回调置位通知使能标志。ble_th_notify_temp()与ble_th_notify_hum()内部通过memcpy将float的原始字节写入发送缓冲区，ARM Cortex-M小端架构保证字节序与小程序getFloat32(0, true)期望的完全一致，无需额外字节序转换。

cmake_minimum_required(VERSION 3.20.0)
find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
project(ble_thermo)

target_sources(app PRIVATE
    src/main.c
    src/sht30.c
    src/ble_th.c
)

• 引入Zephyr构建系统：find_package(Zephyr ...)加载Zephyr的CMake模块，自动处理编译器、链接器、设备树生成等全部流程

• 指定源文件：三个.c文件分别负责主逻辑、传感器驱动、BLE服务，职责清晰，便于独立维护

B：上位机：微信小程序

本项目使用微信开发者工具编写微信小程序。完整工程包括如下代码文件：

index.js是页面的JavaScript逻辑文件，主要承担以下职责：

（1）蓝牙生命周期管理：

• 初始化蓝牙适配器（wx.openBluetoothAdapter）

• 直接通过设备ID连接指定设备（wx.createBLEConnection）

• 获取服务和特征值（wx.getBLEDeviceServices、wx.getBLEDeviceCharacteristics）

（2）数据接收与解析：

• 通过wx.notifyBLECharacteristicValueChange()订阅温度和湿度特征的Notify通知，数据到达时自动触发回调，无需轮询

• 在wx.onBLECharacteristicValueChange回调中，通过new DataView(res.value).getFloat32(0, true)将4字节小端float解析为温湿度数值

（3）UI数据绑定：

• 通过this.setData()更新页面的temperature、humidity、连接状态等

（4）资源释放：

• 页面卸载时调用wx.closeBLEConnection()关闭连接，释放蓝牙资源

index.wxml定义以下界面元素：

• 连接按钮：未连接时显示"连接设备"按钮，连接后隐藏

• 数据面板：连接成功后展示，包含温度卡片（含温度计图标、数值{{temperature}} ℃）和湿度卡片（含水滴图标、数值{{humidity}} %）

index.wxss负责控制页面外观，包括flex布局、数据卡片渐变背景色、温湿度数值大字号显示以及通过rpx单位实现的移动端适配。

app.json主要配置了页面路径（"pages/index/index"为启动页）、导航栏标题（"环境监测"）以及蓝牙权限声明（scope.bluetooth），后者是调用微信BLE API的必要前提。

微信小程序工程的完整代码见文末附件。

五、传感器外设低功耗优化分析

5.1 优化方案设计

        本项目低功耗策略的核心在于通过MOS管开关模块对传感器实施精确的间歇供电控制，结合Zephyr电源管理框架实现MCU深度睡眠，将传感器的通电时间压缩至最短必要窗口（约17ms），其余约29.98秒内传感器完全断电。

每30秒完整时序：

|<───16ms───>|<─1ms─>|<──────────── ~29983ms ──────────────>|
┌────────────┐┌──────┐                                       ┌─
│ 传感器上电  ││ ADC  │     MCU深度睡眠（PM自动选择最深态）  │
└────────────┘└──────┘                                       └─
     ↑                                                    RTC唤醒↑
  GPIO=HIGH                                               30s到期

        MCU侧，CONFIG_PM=y与CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y协同工作：主循环k_sleep(K_SECONDS(30))触发后，Zephyr PM子系统自动评估所有线程状态与外设约束，选择MCXW71支持的最深可用睡眠态，由片上LPTMR/RTC在30秒后触发唤醒中断，恢复执行上下文，全程对应用层完全透明。

5.2 功耗测量基准（30秒统一周期）

为公平对比，以30秒为一个完整统计周期，计算两种供电策略下传感器部分消耗的总电量（单位：mAs）。

5.3 方案A：连续供电模式（2Hz频率读取）

30秒内传感器执行60次读取，其余时间维持低功耗空闲态（但始终保持供电）。

读取状态：

• 每次读取时间：12ms = 0.012s；读取平均电流：1.05mA

• 30秒内总读取消耗：

空闲供电状态：

• 空闲总时间：；空闲电流：0.6mA

• 总空闲消耗：

5.4 方案B：MOS管间歇供电低功耗模式（30秒读一次）

30秒内MOS管仅导通1次，其余时间传感器引脚完全与电源断开，漏电流降至nA级（理论取100nA = 0.0001mA）。

开关导通瞬态尖峰（PPK2实测）：

• 尖峰持续时间：76µs；尖峰平均电流：约20mA

• 尖峰消耗：

上电读取工作状态：

• 读取时间：16ms（含上电初始化等待，比连续供电模式多4ms）；平均电流：0.9mA

• 读取消耗：

彻底断电休眠状态：

• 休眠时间：≈29.984s；漏电流：0.0001mA

• 休眠消耗：

5.5 数据对比与结论

核心结论：

1. 尖峰电流影响微乎其微：76µs的导通浪涌电量仅占方案B总消耗的8%，完全不影响低功耗大局

2. 省电效率高达99.9%：方案B将传感器30秒周期内的电量消耗从18.324mAs压缩至0.01892mAs，根本原因在于MOS管彻底斩断了连续供电模式下持续29.28秒、0.6mA的空闲电流，而低功耗模式下这部分功耗直接降至nA级

3. 上电初始化开销可接受：虽然比率式模拟传感器需要16ms上电稳定时间（比数字传感器的即读即取多约4ms），但与节省的空闲供电电量相比完全可以忽略

六、成果演示

1. 打开串口监视器，设置波特率115200。

可以看到串口每30秒打印一次温湿度数据，两次打印之间MCU进入深度睡眠，开发板功耗显著降低。

2. 打开手机微信，进入"温湿度监测"小程序，点击"连接设备"。

小程序成功连接后，温度与湿度数值实时刷新显示，每当开发板完成一次采样并发送Notify通知，界面数值即自动更新。

至此，整个低功耗蓝牙温湿度计模块演示完成。

七、小结

综合上述内容，本研究实现了以下功能：

1. 环境数据采集

• 硬件连接：SHT30模拟输出温湿度传感器的T、H引脚分别连接至FRDM-MCXW71的ADC0双通道（CH1B、CH2A），参考电压通过设备树overlay覆盖为VREFH = 3.3V

• 驱动实现：基于Zephyr ADC API，利用DT_FOREACH_CHILD_SEP宏从设备树自动生成通道配置，通过adc_raw_to_millivolts()完成原始值到电压的换算，再应用SHT30比率式公式（以V_DD为基准）输出温湿度数值

• 串口输出：每隔30秒通过printk输出格式化数据，例如：Temperature: 23.5°C, Humidity: 45.2%RH

2. 低功耗优化

• 传感器间歇供电：通过MOS管开关模块（控制引脚GPIOC.4）精确控制传感器供电窗口，仅在ADC采样前16ms上电，采样完成后立即断电，传感器静态功耗降至nA级，节电效率达99.9%

• MCU深度睡眠：主循环使用k_sleep(K_SECONDS(30))，配合CONFIG_PM=y、CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y，系统自动进入最深可用睡眠态，由片上RTC定时唤醒，无需应用层额外干预

3. 蓝牙功能

• 外设角色：配置为BLE外设，设备名称为"Zephyr TH Sensor"，可被手机等中心设备扫描发现

• 自定义GATT服务：定义温度服务（ADAF0100-...）与湿度服务（ADAF0700-...），各含一个支持Notify+Read的128-bit特征，蜂鸣器控制服务已移除，结构简洁

• 数据格式：float类型温湿度值通过memcpy以小端序写入4字节发送缓冲区，与小程序getFloat32(0, true)完全匹配，无需额外字节序转换

4. 微信小程序功能

• BLE连接管理：通过设备ID直连，获取服务与特征后自动订阅Notify通知，无需定时轮询

• 实时数据展示：接收到4字节float数据后即时解析并刷新界面温湿度数值

• 用户界面：包含连接状态指示、数据卡片展示，界面简洁且适配移动端