(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系1，江蘇 常州 213164；上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院2，上海 200240)

0 引言

溫濕度監(jiān)測[1]在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在很多情況下溫濕度監(jiān)測需要對較大空間的多個點(diǎn)和不同空間的點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，傳統(tǒng)的有線方式[2-3]極為不便。為了實(shí)時準(zhǔn)確地監(jiān)測多個觀測點(diǎn)的溫濕度情況，需要實(shí)現(xiàn)溫濕度的分布測量和無線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

目前，溫濕度分布式無線監(jiān)測網(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)[5]具有傳輸速度高、覆蓋范圍遠(yuǎn)、組網(wǎng)簡單、與Internet可無縫連接等優(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。同時嵌入式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)勢的嵌入式網(wǎng)絡(luò)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、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，取得了較好的效果。然而在WiFi無線路由軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中，該協(xié)議移植困難，造成開發(fā)時間長，對于普通單片機(jī)開發(fā)人員而言，開發(fā)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信難度較大。

針對以上無線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)中無需關(guān)注無線通信如何實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)約了開發(fā)時間，降低了開發(fā)難度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分布式無線溫濕度采集監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由以下3個部分組成：溫濕度測量模塊和STM32單片機(jī)、WiFi無線收發(fā)模塊和無線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器。系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制核心，利用DHT11數(shù)字式溫度傳感器采集溫濕度信號，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)行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。無線路由器進(jìn)行中繼和路由，遠(yuǎn)程服務(wù)器對各節(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。

2 硬件設(shè)計(jì)

無線溫濕度傳感網(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無線收發(fā)模塊、LCD液晶顯示模塊組成。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 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)RAM和豐富的外設(shè)，滿足高性能、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，其完成整個溫濕度數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及發(fā)送。DHT11溫濕度傳感器通過單總線和單片機(jī)的I/O口相連，接口簡單，抗干擾能力強(qiáng)。LCD液晶顯示模塊也是通過I/O口和單片機(jī)相連，完成字符的顯示和控制。STM32F103和WiFi無線收發(fā)模塊通過單片機(jī)的串口UART相連。

2.2 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DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(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期穩(wěn)定性。傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能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)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，使其成為各類甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。濕度測量范圍為20～90%RH ，測濕精度為±5%RH，溫度測量范圍為0～50 ℃，測溫精度±2 K，測量分辨率分別為8 bit(溫度)、8 bit(濕度)。

DHT11采用單線雙向的串行接口，引腳DATA 用于STM32F103單片機(jī)與 DHT11之間的通信和同步。采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通信時間4 ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。當(dāng)DHT11傳感器和單片機(jī)STM32F103的I/O接線引腳小于20 m時，DATA引腳需上拉5 kΩ電阻。

2.3 WiFi無線收發(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ST-MW-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；同時具備通用串口、PWM以及多路通用I/O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)方面，模塊支持基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(infra)和特殊的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在加密認(rèn)證方面，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)備的無線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省人力物力和開發(fā)時間，使產(chǎn)品更快地投入市場，增強(qiáng)競爭力。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)頁兩種參數(shù)配置的方式，方便使用。

STM32F103單片機(jī)和WiFi無線收發(fā)模塊通過串口UART相連，然后通過串口或網(wǎng)頁配置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無線收發(fā)模塊完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

3 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)的程序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程服務(wù)器的程序設(shè)計(jì)。

3.1 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)的一個節(jié)點(diǎn)，主要任務(wù)是測量當(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，通過串口發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到WiFi無線收發(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無線收發(fā)模塊通過配置后自動完成的。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實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)系統(tǒng)原理，溫濕度采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖3所示。整個軟件開發(fā)在Keil uvision3集成開發(fā)環(huán)境下編寫，采用模塊化方法，C語言開發(fā)。

圖3 節(jié)點(diǎn)軟件程序流程圖

3.2 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，這是最常用的應(yīng)用模式之一。各個溫濕度采集節(jié)點(diǎn)作為客戶端分布在網(wǎng)絡(luò)的不同位置，通過無線WiFi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4所示。

圖4 服務(wù)器程序總體框圖

4 系統(tǒng)測試

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，完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

① WiFi無線收發(fā)模塊配置

WiFi無線收發(fā)模塊的配置主要通過串口和PC機(jī)相連，利用專用軟件來實(shí)現(xiàn)。主要設(shè)置參數(shù)有串口通信協(xié)議、無線網(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。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。

② 無線路由器配置

在分布式無線WiFi網(wǎng)絡(luò)中，無線路由器的主要作用是中繼和路由。利用無線路由器的DHCP功能，可以給各個客戶端自動分配一個固定的IP地址，使得每臺客戶端不需要單獨(dú)配置一個IP地址。而系統(tǒng)主機(jī)即服務(wù)器需要分配一個固定的IP地址，使得每個客戶端可以可靠地連接到這個固定地址即服務(wù)器。無線路由器的主要設(shè)置包括無線網(wǎng)絡(luò)的名稱、加密方式和密鑰、路由器的IP地址、自動分配客戶端IP地址功能及IP地址范圍等。

③ 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)加入到無線網(wǎng)絡(luò)中，建立主控服務(wù)器。其中，IP地址和WiFi無線收發(fā)模塊中配置的服務(wù)器IP地址要一致。

④ 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)境下對系統(tǒng)進(jìn)行測試，其中遠(yuǎn)程服務(wù)器和無線路由器在1個房間，2個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在另外2個隔壁房間。經(jīng)測試，遠(yuǎn)程服務(wù)器完全可以搜索到2個采集節(jié)點(diǎn)，并準(zhǔn)確得到2個節(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)。

5 結(jié)束語

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)的分布式無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。利用該模塊可以大大縮短無線WiFi網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)時間。利用數(shù)字?jǐn)?shù)溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信號，節(jié)約了成本，接口簡單、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。該分布式無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)既可以現(xiàn)場觀測每個節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，也可以遠(yuǎn)程監(jiān)測各個節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。另外，對于新加入的采集節(jié)點(diǎn)，無需任何設(shè)置，由無線路由器自動分配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)布線簡單、成本較低、擴(kuò)展性好，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

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