Wifi技術(shù)在溫濕度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、Wifi技術(shù)在溫濕度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要:針對(duì)當(dāng)前溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)布線復(fù)雜、采集速度慢等缺點(diǎn)，提出了一種新穎的分布式無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器、單片機(jī)STM32F103和WiFi模塊等組成。各采集節(jié)點(diǎn)利用STM32F103單片機(jī)采集溫濕度，然后通過WiFi模塊和無(wú)線路由器把各采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、采集速度快、應(yīng)用靈活，可實(shí)現(xiàn)范圍分布廣泛的溫濕度集中可視化監(jiān)控，具有一定的推廣使用價(jià)值。關(guān)鍵詞:溫濕度檢測(cè)；嵌入式技術(shù)；無(wú)線以太網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；客戶機(jī)/服務(wù)器模式1 引言 溫濕度監(jiān)測(cè)1在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在很多情況下

2、溫濕度監(jiān)測(cè)需要對(duì)較大空間的多個(gè)點(diǎn)和不同空間的點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的有線方式2 - 3極為不便。為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的溫濕度情況，需要實(shí)現(xiàn)溫濕度的分布測(cè)量和無(wú)線傳輸?shù)墓δ?。目前，溫濕度分布式無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)大多采用ZigBee技術(shù)4。該技術(shù)雖然功耗較低，但是傳輸速度較低，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)為封閉式網(wǎng)絡(luò)，不能和廣泛應(yīng)用的Internet/Intranet直接集成。而WiFi技術(shù)具有傳輸速度高、覆蓋范圍遠(yuǎn)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、與Internet可無(wú)縫連接等優(yōu)點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，眾多的嵌入式系統(tǒng)具有增加WiFi特性的需求5。同時(shí)嵌入式WiFi芯片的成本降低和可靠性增加，使得WiFi技術(shù)成為具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)

3、解決方案。文獻(xiàn)6-8分別將WiFi技術(shù)應(yīng)用到礦井安全、溫濕度監(jiān)測(cè)、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，取得了較好的效果。然而在WiFi無(wú)線路由軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中，該協(xié)議移植困難，造成開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于普通單片機(jī)開發(fā)人員而言，開發(fā)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信難度較大。針對(duì)以上無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的難點(diǎn)，本文提出直接采用串口轉(zhuǎn)WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。利用該模塊單片機(jī)開發(fā)人員在開發(fā)中無(wú)需關(guān)注無(wú)線通信如何實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，降低了開發(fā)難度。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Wifi收發(fā)模塊STM32單片機(jī)溫濕度測(cè)量模塊分布式無(wú)線溫濕度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)主要由以下3個(gè)部分組成:溫濕度測(cè)量模塊和STM32單片機(jī)、WiFi無(wú)線收發(fā)

4、模塊和無(wú)線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器。系統(tǒng)以STM32 F 103單片機(jī)為控制核心，利用DHTI l數(shù)字式溫度傳感器采集溫濕度信號(hào)，并送入單片機(jī)處理后顯示。然后把數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的串口送入串口轉(zhuǎn)WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊中，由該模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。無(wú)線路由器進(jìn)行中繼和路由，遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示。3 硬件設(shè)計(jì)無(wú)線溫濕度傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)、數(shù)字式溫濕度傳感器, WiFi無(wú)線收發(fā)模塊、LCD液晶顯示模塊組成。3. 1 單片機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)控制系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103。STM32F103為增強(qiáng)型，工作頻率為72 MHz帶有片內(nèi)日M和豐富的外設(shè)，滿足高性能、

5、低功耗、低成本的嵌入式系統(tǒng)的要求。STM32F103是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的核心，其完成整個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及發(fā)送。DHT1 l溫濕度傳感器通過單總線和單片機(jī)的I/0口相連，接口簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。LCD液晶顯示模塊也是通過I/0口和單片機(jī)相連，完成字符的顯示和控制。STM32F103和WiFi無(wú)線收發(fā)模塊通過單片機(jī)的串口UART相連。3. 2 溫濕度傳感系統(tǒng)溫濕度傳感器系統(tǒng)采用廣州奧松電子公司生產(chǎn)的DHTI l數(shù)字式溫濕度傳感器，它是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括1個(gè)電阻式感濕

6、元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，使其成為各類甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。濕度測(cè)量范圍為20-90 % RH測(cè)濕精度為5%RH溫度測(cè)量范圍為0-500C,測(cè)溫精度2 K測(cè)量分辨率分別為8 bit(溫度)，8 bit(濕度)。DHTI l采用單線雙向的串行接口，引腳DATA用于STM32F103單片機(jī)與DHT1l之間的通信和同步。采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時(shí)間4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。當(dāng)DHT1 l傳感器和單片機(jī)STM32F103的I

7、/0接線引腳小于20 m時(shí)，DATA引腳需上拉5 k歐電阻。3. 3 WiFi無(wú)線收發(fā)模塊本文采用武漢密友電子有限公司開發(fā)的多功能UART轉(zhuǎn)WiFi數(shù)據(jù)傳送模塊STVIW-08S。該模塊內(nèi)部集成了支持ARP, ICMP, UDP , TCP /IP, DHCP客戶端以及DHCP服務(wù)器等諸多協(xié)議和WiFi驅(qū)動(dòng);同時(shí)具備通用串口、PWM以及多路通用I/0的輸入輸出等功能;具有系統(tǒng)接口靈活、編程控制方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方而，模塊支持基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(infra)和特殊的Adhoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在加密認(rèn)證方而，模塊支持開放性WEP 64/128，WPA，TKIP，AES等諸多安全協(xié)議。靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得模塊

8、在功能完備的前提下?lián)碛懈凸暮洼^高的數(shù)據(jù)吞吐率。用戶利用它可以輕松實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省人力物力和開發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。UART接口最高波特率為115-200 bit/s，具有TCP，UDP數(shù)據(jù)傳輸模式，并且支持串口和網(wǎng)頁(yè)兩種參數(shù)配置的方式，方便使用。STM32F103單片機(jī)和WiFi無(wú)線收發(fā)模塊通過串口UART相連，然后通過串口或網(wǎng)頁(yè)配置WiFi模塊的工作方式和參數(shù)，即可正常工作。STM32F103單片機(jī)通過串口UART發(fā)送數(shù)據(jù)到WiFi模塊，然后由WiFi無(wú)線收發(fā)模塊完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的程

9、序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程服務(wù)器的程序設(shè)計(jì)。4. 1節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要任務(wù)是測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過處理由液晶LCD顯示當(dāng)前溫濕度參數(shù)。當(dāng)接收到遠(yuǎn)程服務(wù)器的不同命令時(shí)，通過串口發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到WiFi無(wú)線收發(fā)模塊，或者設(shè)置溫濕度的上下限參數(shù)。溫濕度采集節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程服務(wù)器的TCP/UDP通信鏈路，是由WiFi無(wú)線收發(fā)模塊通過配置后自動(dòng)完成的。單片機(jī)STM32F103接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的命令是通過串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)軟件開發(fā)在Keil uvision3集成開發(fā)環(huán)境下編寫，采用模塊化方法，C語(yǔ)言開發(fā)。4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，本文采用服務(wù)器數(shù)據(jù)采集控制模式，

10、這是最常用的應(yīng)用模式之一。各個(gè)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)作為客戶端分布在網(wǎng)絡(luò)的不同位置，通過無(wú)線Wi Fi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)。本文利用VC +6. 0設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)。采用Socket應(yīng)用編程接口，建立WinSock描述字Socket，完成網(wǎng)絡(luò)底層溝通;利用TCP / IP協(xié)議在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上建立數(shù)據(jù)通信。為了解決多客戶端/服務(wù)器通信問題，本文采用非阻塞模式，通過調(diào)用Select函數(shù)解決阻塞問題。另外，利用對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)溫濕度參數(shù)的顯示和數(shù)據(jù)的發(fā)送。整個(gè)系統(tǒng)采用多客戶端/服務(wù)器模式。服務(wù)器程序總體框圖如圖2所示。顯示節(jié)點(diǎn)信息開始搜索各個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)初始化設(shè)置各節(jié)點(diǎn)溫濕度上下限參數(shù)顯示

11、各節(jié)點(diǎn)溫濕度參數(shù)發(fā)送采集命令發(fā)送各節(jié)點(diǎn)參數(shù)到網(wǎng)絡(luò)圖25 系統(tǒng)測(cè)試 以上系統(tǒng)軟硬件調(diào)試成功后，還需要通過相應(yīng)的配置，完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 WiFi無(wú)線收發(fā)模塊配置 WiFi無(wú)線收發(fā)模塊的配置主要通過串口和PC機(jī)相連，利用專用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要設(shè)置參數(shù)有串口通信協(xié)議、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)名稱、加密方式、密鑰、客戶端和服務(wù)器端。如設(shè)置成客戶端，還需設(shè)置連接的服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)。其中串口通信協(xié)議的配置和單片機(jī)STM32F103的串口配置要一致。 無(wú)線路由器配置 在分布式無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線路由器的主要作用是中繼和路由。利用無(wú)線路由器的DHCP功能，可以給各個(gè)客戶端自動(dòng)分配一個(gè)固定的IP地址，使得每臺(tái)客戶端

12、不需要單獨(dú)配置一個(gè)IP地址。而系統(tǒng)主機(jī)即服務(wù)器需要分配一個(gè)固定的IP地址，使得每個(gè)客戶端可以可靠地連接到這個(gè)固定地址即服務(wù)器。無(wú)線路由器的主要設(shè)置包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的名稱、加密方式和密鑰、路由器的IP地址、自動(dòng)分配客戶端IP地址功能及IP地址范圍等。 服務(wù)器IP地址配置 主控計(jì)算機(jī)還需要設(shè)置它的固定IP地址，從而把主控計(jì)算機(jī)加入到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，建立主控服務(wù)器。其中，IP地址和WiFi無(wú)線收發(fā)模塊中配置的服務(wù)器IP地址要一致。 試驗(yàn)結(jié)果 在完成上述配置及軟硬件設(shè)計(jì)后，在一定的環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其中遠(yuǎn)程服務(wù)器和無(wú)線路由器在1個(gè)房間，2個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在另外2個(gè)隔壁房間。經(jīng)測(cè)試，遠(yuǎn)程服務(wù)器完全可以搜索到2

13、個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，并準(zhǔn)確得到2個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)。另外，在室內(nèi)非遮擋環(huán)境下100 m內(nèi)，遠(yuǎn)程服務(wù)器也可以搜索到采集節(jié)點(diǎn)，并能可靠地采集節(jié)點(diǎn)通信，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和控制各采集節(jié)點(diǎn)。這表明系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。6結(jié)束語(yǔ) 本文利用串口(UART)轉(zhuǎn)WiFi數(shù)據(jù)傳送模塊，設(shè)計(jì)了基于WiFi技術(shù)的分布式無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用該模塊可以大大縮短無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)時(shí)間。利用數(shù)字?jǐn)?shù)溫濕度傳感器DHTI l采集溫濕度信號(hào)，節(jié)約了成本，接口簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)。利用Socket類和Select函數(shù)設(shè)計(jì)了基于多客戶端/服務(wù)器的TCP / IP通信，使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)的擴(kuò)展性。該分布式無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既可以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)每

14、個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，也可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。另外，對(duì)于新加入的采集節(jié)點(diǎn)，無(wú)需任何設(shè)置，由無(wú)線路由器自動(dòng)分配IP地址并接入到遠(yuǎn)程服務(wù)器中。通過遠(yuǎn)程服務(wù)器還可以接入Internet中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、成本較低、擴(kuò)展性好，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 馮顯英.基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)J自動(dòng)化儀表，2006. 27 (1) : 59 - 61.2 吳淵.多點(diǎn)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)田.電子測(cè)量技術(shù)，2010.33 (5):109 1143 工磊，顧德英.基于以太控制網(wǎng)絡(luò)的溫度測(cè)控系統(tǒng)田.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005.26 (8) :24 - 26.4 孟慶斌，潘勇.基于CC2430的分布式無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)田.電子測(cè)量技術(shù)，2009 (5) :128 - 130.5 李永忠.無(wú)線局域網(wǎng)WLAN及其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)田.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004.25(4):1003 - 1005.6 蔣峰，張凌濤，賀超英.WiFi技術(shù)在礦井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.煤礦安全，2010