基于WiFi無(wú)線(xiàn)通信的溫濕度檢測節點(diǎn)設計

摘要：基于A(yíng)M2303溫濕度傳感器、STC15F104W單片機和WiFi模塊設計了一種無(wú)線(xiàn)溫濕度檢測節點(diǎn)。介紹了AM2303及其通信協(xié)議、WiFi模塊及其組網(wǎng)特性等，并且給出了讀取AM2303數據的軟件流程。經(jīng)測試，該節點(diǎn)通信距離遠，組網(wǎng)靈活，可很好地應用于糧庫糧情檢測等實(shí)際工作環(huán)境。

引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、嵌入式系統以及網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事和環(huán)境監測等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。它由部署在檢測區域內的大量廉價(jià)的微型傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，用以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。

這是一種全新的信息獲取技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括藍牙、WiFi、ZigBee等。其中，藍牙技術(shù)協(xié)議復雜、開(kāi)發(fā)成本高;ZigBee通信距離較短。而WiFi技術(shù)具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)成本低、與Internet網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫連接等優(yōu)點(diǎn)，在通信距離等方面與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，這使得該技術(shù)在溫濕度檢測領(lǐng)域應用中具有明顯優(yōu)勢。

本文結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計思想，設計了一種基于WiFi技術(shù)的溫濕度實(shí)時(shí)檢測終端節點(diǎn)。

1 節點(diǎn)硬件設計

節點(diǎn)硬件電路如圖1所示。硬件結構由數字溫濕度傳感器、WiFi通信模塊和單片機三個(gè)模塊組成。

1.1 AM2303溫濕度傳感器

本設計采用的數字溫濕度傳感器為廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AM2303溫濕度傳感器。它是一款新型單總線(xiàn)傳感器，其內部包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測溫元件。溫度測量范圍為-40～+80℃，精度為±0.3℃;濕度測量范圍為0～99.9%RH，精度為±2%RH(25℃)。

相比市場(chǎng)上常見(jiàn)的SHT1x系列溫濕度傳感器，AM2303具有價(jià)格低、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且具有低功耗、自動(dòng)化校準、傳輸距離遠等特點(diǎn)。

1.1.1 引腳說(shuō)明

AM2303引出3個(gè)引腳。其中，VDD、GND為電源引腳，供電3.5～5.5 V;SDA為數據線(xiàn)，用于與單片機STC15F104W進(jìn)行通信。SDA引腳為三態(tài)結構，用于讀、寫(xiě)傳感器數據。

1.1.2 通信協(xié)議

AM2303具體通信時(shí)序圖如圖2所示。采用簡(jiǎn)化的單總線(xiàn)通信，節點(diǎn)對AM2303的控制和數據交換均由數據線(xiàn)完成。數據線(xiàn)一次傳送40位溫濕度數據，高位先出。

單片機向AM2303發(fā)送一次起始信號(圖中粗線(xiàn)所示區域)后，AM2303從休眠模式轉換到高速模式并發(fā)送響應信號，從數據線(xiàn)SDA串行送出檢測到的溫濕度數據，發(fā)送數據結束觸發(fā)一次信息采集，采集結束傳感器自動(dòng)轉入休眠模式，直到下一次通信來(lái)臨。具體通信協(xié)議描述如下：

①單片機向AM2303發(fā)送起始信號，將數據線(xiàn)SDA拉低一段時(shí)間(至少800μs)，然后釋放數據線(xiàn)，偵聽(tīng)AM2303送出的響應信號。

②A(yíng)M2303發(fā)出響應信號，將數據線(xiàn)SDA拉低80μs，再拉高80μs作為響應信號響應單片機。

③AM2303通過(guò)數據線(xiàn)SDA串行輸出40位數據，高位先出，發(fā)送的數據依次為濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位、溫度低8位和8位校驗位。AM2303傳出的濕度和溫度值是實(shí)際濕度和溫度值的10倍，溫度最高位(位15)為符號位，置“1”表示負溫度，置“0”表示正溫度;溫度低15位(位14～位0)表示溫度值。校驗位為濕度高位、濕度低位、溫度高位和溫度低位之和。

④AM2303的數據線(xiàn)SDA輸出40位數據后，繼續輸出50μs低電平，然后轉為輸入狀態(tài)。由于上拉電阻作用，數據線(xiàn)變?yōu)楦唠娮?。AM2303內部再次測量溫濕度數據，并記錄數據，等待單片機再次發(fā)送起始信號。

1.1.3 位數據格式

位數據“0”、位數據“1”格式信號如圖3所示。AM2303發(fā)送完響應信號之后，由數據線(xiàn)SDA連續串行輸出40位數據。位數據“0”的格式為50μs的低電平加26～28μs的高電平。位數據“1”的格式為50 μs的低電平加70us的高電平。

1.2 WiFi通信模塊

本設計采用的WiFi通信模塊為有人科技有限公司生產(chǎn)的超低功耗嵌入式WiFi模組(USR-WiFi232-G)。該模塊提供了一種將用戶(hù)的物理設備連接到WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上，并提供UART串口等接口傳輸數據的解決方案，提供了一體化的801.11/b/g/n WiFi的低功耗解決方案。USR-WiFi232-G是一款集成了所有WiFi功能的模塊，采用表貼封裝，配備有內置PCB天線(xiàn)、外置天線(xiàn)連接器。采用FCC/CE標準認證，頻率范圍為2.412～2.484 GHz，工作電壓范圍為3.6～3.1 V，在-40～85℃環(huán)境內可正常工作，使用內置天線(xiàn)時(shí)信號傳輸距離可達到150m，使用外置天線(xiàn)時(shí)則可達400 m。

1.2.1 WiFi無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)

USR-WiFi232-G支持無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)功能，既可以作為無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)功能，也可以作為無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)(STA)實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )終端功能。

利用USR-WiFi232-G組網(wǎng)有基于A(yíng)P的組網(wǎng)和基于A(yíng)P+STA共存的組網(wǎng)兩種方式?；贏(yíng)P的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)是一種基本的組網(wǎng)方式，由一個(gè)AP和多個(gè)STA組成，AP處于中心地位，多個(gè)STA之間通過(guò)AP轉發(fā)完成相互通信。USR-WiFi232-G支持基于A(yíng)P+STA共存的組網(wǎng)方式，即模塊可同時(shí)支持一個(gè)AP接口和一個(gè)STA接口，如圖4所示。模塊的STA接口可以與路由器相連，并通過(guò)TCP連接與網(wǎng)絡(luò )中的服務(wù)器相連，由此可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程通信。同時(shí)模塊上的AP接口也是可用的，智能手機或PAD等可直接連接到AP接口上，控制串口設備或模塊與設備進(jìn)行通信。這種無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)模式為用戶(hù)的使用提供了更大的靈活性。

1.2.2 WiFi透明傳輸模式

USR-WiFi232-G支持串口透明傳輸模式，可以實(shí)現串口即插即用，從而最大程度降低用戶(hù)使用的復雜度。首次使用時(shí)需要對模塊進(jìn)行配置，作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用時(shí)，需要通過(guò)PC的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡連接USR-WiFi232-G，默認網(wǎng)絡(luò )名稱(chēng)(SSID)為HF-A11X_AP。加入網(wǎng)絡(luò )后，在IE瀏覽器地址欄輸入http：//10.10.100.254，在無(wú)線(xiàn)終端設置選項中，鍵入模塊要連接的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的SSID和密碼，并選擇自動(dòng)獲取IP地址。

然后在模式選擇選項中設置USR-WiFi232-G模塊工作模式為AP+STA模式，保存后重新啟動(dòng)模塊。打開(kāi)智能手機或者PC的上位機終端，選擇客戶(hù)機(TCP client)模式，服務(wù)器IP地址輸入自動(dòng)分配給USR-WiFi232-G的地址，服務(wù)器端口號為8899，此為模塊默認監聽(tīng)的TCP端口號，點(diǎn)擊連接建立TCP連接，即可進(jìn)行遠程數據收發(fā)。

1.3 STC15F104W單片機

本設計采用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC15F104W單片機。該單片機工作電壓為3.8～5.5 V，采用增強型8051CPU內核，指令代碼完全兼容傳統51單片機，速度更快。片內128字節RAM，1K EEPROM，4 KB Flash程序存儲器;內部高可靠復位，可徹底省掉外部復位電路;具有高精度R/C時(shí)鐘，內部時(shí)鐘為5～35 MHz可選。采用8引腳封裝，有2個(gè)普通16位重裝載定時(shí)器/計數器，共有6個(gè)通用I/O端口，可利用I/O口結合定時(shí)器實(shí)現串口功能(通常使用P3.0和P3.1端口)。該單片機價(jià)格便宜，單個(gè)售價(jià)少于2.0元，設計采用該系列單片機，完全可以滿(mǎn)足進(jìn)行溫濕度檢測的要求。

2 節點(diǎn)軟件設計

2.1 讀取1位數據

單片機讀取一位數據流程如圖5所示。由于每位數據都有約50μs的低電平時(shí)隙和其后的高電平時(shí)隙兩部分，單片機將根據高電平時(shí)隙的長(cháng)度確定當前位數據的取值。讀取數據時(shí)，單片機持續檢測數據線(xiàn)SDA狀態(tài)，當SDA變力高電平時(shí)，利用軟件延時(shí)約30 μs，然后再次檢測SDA電平狀態(tài)。若此耐SDA處于高電平狀態(tài)，則表示當前位數據為“1”，存儲當前位數據，等待SDA重新變?yōu)榈碗娮訝顟B(tài)時(shí)，開(kāi)始讀取下一位數據;若SDA處于低電子狀態(tài)，則表示當前位數據為“0”，存儲數據后開(kāi)始讀取下一位數據。

2.2 讀取AM2303數據

單片機讀取AM2303數據采用KEIL C51實(shí)現，流程如圖6所示。AM2303上電后需等待2 s以越過(guò)不穩定狀態(tài)，期間單片機不能向其發(fā)送指令。讀取AM2303數據時(shí)，單片機通過(guò)I/O口向AM2303數據線(xiàn)SDA發(fā)送起始信號，待接收到響應信號后，依次從數據線(xiàn)SDA串行讀取濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位、溫度低8位以及8位校驗位。

單片機通過(guò)判斷濕度高、低8位與溫度高、低8位之和是否等于校驗位，來(lái)確定所接收的溫濕度數據是否準確，校驗正確則將溫濕度數據通過(guò)串口送至WiFi模塊;否則重新獲取溫濕度數據。由于A(yíng)M2303硬件原因，讀取間隔小于2 s可能導致讀取溫濕度數據不準確或通信不成功等情況，所以單片機連續兩次讀取溫濕度數據時(shí)間至少間隔2 s。

結語(yǔ)

本文介紹的溫濕度檢測節點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以實(shí)現靈活組網(wǎng)，并可針對現場(chǎng)溫濕度信息進(jìn)行實(shí)技嗖?。通勾蜷_(kāi)路由器網(wǎng)絡(luò )設置中的動(dòng)態(tài)DHCP客戶(hù)端列表，獲取路由器分配給節點(diǎn)的IP地址。使用智能手機客戶(hù)端連接節點(diǎn)IP，選擇TCP Client模式，默認端口號8899，連接后即可接收節點(diǎn)數據。經(jīng)測試，在無(wú)障礙物的室外環(huán)境，節點(diǎn)可接入約300m范圍內的路由器，并可穩定地通過(guò)路由器上傳溫濕度數據，數據傳輸錯誤出錯率很低。測試效果如圖7所示。

測試表明節點(diǎn)用于采集環(huán)境溫濕度數據，檢測距離遠并且運行穩定。該設計節點(diǎn)的通用性良好，組網(wǎng)方便，具有擴充能力與發(fā)展余地，并可接入互聯(lián)網(wǎng)方便遠程測控與資源共享，具有較強的實(shí)用性。