王洪濤 吳云飛 薛澤利 李祖君 韓海生

摘 要：本文設計了一種遠程無線溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫、濕度傳感器采集信息，然后通過由單片機組成的模塊實現(xiàn)無線傳輸，并將信息通過串口通信傳送給數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務器進行相關的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布，從而有效地實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置對溫、濕度的實時監(jiān)控。

關鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸；實時監(jiān)測；傳感器；協(xié)調器

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0032-01

無線傳感器網(wǎng)絡又稱之為“Wireless Sensor Network，WSN”屬于一種新興的信息獲取、信息處理技術，主要是部署在監(jiān)測區(qū)內的傳感器協(xié)作完成，借助無線通信的方式，形成多條自行組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)。能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測、實時感知，實時采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內的各類環(huán)境，各個監(jiān)測對象，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端用戶界面中[1]。無線傳感器網(wǎng)絡擁有較強的抗毀性，同時具備較強的監(jiān)測精準性、覆蓋面積大的特點。通常是在人無法接近的惡劣環(huán)境、危險位置中，借助遠程控制技術實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的收集。目前，在軍事、遠程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、家庭網(wǎng)絡、搶險救災得到了廣泛的應用，在科技水平背景下，其未來的發(fā)展?jié)摿σ草^大。

1 系統(tǒng)的總體設計

無線傳感器網(wǎng)絡技術，工作于全球統(tǒng)一無需申請的頻段2.4GHz，其協(xié)議是依據(jù)IEEE 802.15.4技術的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標準，并對其進行了完善和擴展而制定的[2]。

整個遠程無線溫度測量系統(tǒng)包括溫測終端、網(wǎng)絡協(xié)調器、數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務器以及用戶終端。溫測終端實時采集和發(fā)送各監(jiān)測點的溫度，與網(wǎng)絡協(xié)調器構成無線星型網(wǎng)絡，由網(wǎng)絡協(xié)調器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調和接收，并與數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務器進行串口通信，普通用戶終端可以通過HTTP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置監(jiān)控溫測終端的溫度。

2 硬件設計

2.1 溫度采集模塊電路的設計

溫度采集模塊電路的控制器為單片機（型號為AT89S52），溫度傳感器的型號為DS18B20，通過實踐證明，DS18B20溫度傳感器技術是最新的總線數(shù)字溫度傳感器，這類傳感器主要是在同一芯片內實現(xiàn)溫度的變換，直接將數(shù)字信號輸出，進而提升電路的工作效率。由于現(xiàn)場的溫度采取的是“一線總線”的數(shù)字傳輸方式，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾性的提升，進而提升了CPU的使用效率。將單片機（型號為AT89S52）中的PO與8路溫度傳感器相連接，進而提升溫度數(shù)據(jù)的采集與應用。以此同時，模塊的RS-232的串行口同RAM建立核心控制模塊通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率傳輸。

2.2 無線通信模塊設計

2.2.1 無線節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點是利用溫度傳感器DS18B20，為數(shù)字信息溫度傳感器，來采集溫度信息，CC2530對溫度信息進行初步處理，CC2530芯片中集成的RF射頻天線將初步處理的溫度信息以及發(fā)送端的信息傳輸?shù)絽f(xié)調器節(jié)點。功能上具有有3個模塊：溫度采集模塊，微控制模塊，無線通信模塊[4]。

2.2.2 網(wǎng)絡協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器節(jié)點主要功能：接收來自發(fā)送端的溫度數(shù)據(jù)信息和發(fā)送端的節(jié)點信息，并對信息進行處理，接收端將處理好的信息傳送給上位機進行顯示。功能上主要有：無線通信模塊，微處理模塊，串口通信模塊[5]。

無線模塊主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。TTL電平與PC機的RS232電平并不是兼容的，故在發(fā)送數(shù)據(jù)時，RS232串口數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX232將電平轉換為TTL電平，再通過CC2530無線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過程，CC2530先接收到數(shù)據(jù)信號，然后經(jīng)MAX232將TTL電平轉換為RS232的標準電平，再通過RS232向上位機輸入數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設計

程序設計主要包括幾個方面：各個節(jié)點中的功能模塊驅動程序設計，系統(tǒng)組網(wǎng)程序設計，協(xié)調器節(jié)點與上位機通信程序設計。整個系統(tǒng)軟件的設計包括大部分：數(shù)據(jù)采集、通信控制、監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集軟件是在無線重點節(jié)點單片機上實現(xiàn)運作，主要是將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送，提升信息發(fā)送速度。通信控制軟件的應用，需要單片機的協(xié)調，實現(xiàn)無線終端節(jié)點依據(jù)操作者輸入的指令，開展各項工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，其數(shù)據(jù)傳輸也是整個系統(tǒng)的核心控制界面。單片機的語言編制方式為C語言，在服務器上運行監(jiān)控軟件，實現(xiàn)各項節(jié)點工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。同時還能夠對下位機的提供的溫度數(shù)據(jù)進行高效處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、保存，繪圖、加強信息發(fā)布管理手段。

3.1 節(jié)點軟件的設計

溫濕度采集節(jié)點作為（WiFi）無線網(wǎng)絡的一個節(jié)點，其主要換工作是檢測環(huán)境的溫度、濕度，實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的保存、處理，進而在LED上顯示溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)。若是接收到遠程服務器的不同指令，應該借助串口，將溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到（Wi-Fi）無線收發(fā)模塊。還可以設置濕度、溫度的上限參數(shù)、下限參數(shù)，溫度、濕度采集節(jié)點，能夠和遠程服務器TCP/UDP建立通信鏈路，是由（Wi-Fi）無線收發(fā)模塊自動開展工作，通過科學配置提升工作質量。單片機（型號為STM32F10）之所以能夠接收遠程服務器上的命令，主要是利用了串口的功能。在整個軟件開發(fā)中，Keil uvision3是在集成環(huán)境下編寫的，在編寫中應用的是模塊化方法。

3.2 上位機軟件設計

在整個系統(tǒng)設計中，服務器數(shù)據(jù)采取的是集中控制方式，這也是目前應用最廣的模式之一。各個濕度、溫度采集節(jié)點，屬于客戶端在網(wǎng)路分布中的不用位置，通過借助（Wi-Fi）無線網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，同時應實現(xiàn)服務器的遠程接收。

本文利用VC++6.0對遠程服務器系統(tǒng)開展設計工作，應用Socket實現(xiàn)編程接口，建立WinSock，將Socket描述出來。實現(xiàn)網(wǎng)絡底層的溝通，在TCP/IP協(xié)議的基礎上，建立（Wi-Fi）無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信。

為了有效解決在使用中多個客戶端/服務器通信問題，本文通過對比研究，采取的是非阻塞模式，通過調用Select函數(shù)，將各類阻塞問題及時解決。另外，可以借助對話框實現(xiàn)溫度、濕度參數(shù)分析顯示、采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。整個系統(tǒng)采用多客戶端/服務器模式。服務器程序總體框圖如圖1所示。

4 結語

綜上所述，本文以無線數(shù)據(jù)傳送模塊為依據(jù)，設計出了基于無線技術上的分布式無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。借助模塊能夠將（Wi-Fi）無線網(wǎng)絡的開發(fā)時間縮短，借助數(shù)字溫度、濕度傳感器采集有效的溫度、濕度數(shù)據(jù)，節(jié)約了系統(tǒng)的運行成本。這類系統(tǒng)的接口較為簡單，且系統(tǒng)具備較強的抗干擾能力，分布式的無線溫度、濕度監(jiān)測系統(tǒng)可以確保每個節(jié)點的觀測，實現(xiàn)各個節(jié)點參數(shù)的遠程監(jiān)測。通過遠程服務器還可以接入Internet中，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)布線簡單、成本較低、擴展性好，具有較強的應用前景。

參考文獻

[1]高守瑋，吳燦陽，等.ZigBee技術實踐教程[M].北京：航空航天大學出版社，2009.