基于WiFi無線通信的溫濕度檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：基于AM2303溫濕度傳感器、STC15F104W單片機(jī)和WiFi模塊設(shè)計(jì)了一種無線溫濕度檢測節(jié)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(shù)據(jù)的軟件流程。經(jīng)測試，該節(jié)點(diǎn)通信距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)靈活，可很好地應(yīng)用于糧庫糧情檢測等實(shí)際工作環(huán)境。

引言

隨著無線通信、嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)的微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

這是一種全新的信息獲取技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等。其中，藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議復(fù)雜、開發(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)無縫連接等優(yōu)點(diǎn)，在通信距離等方面與其他無線通信技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)勢，這使得該技術(shù)在溫濕度檢測領(lǐng)域應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。

本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種基于WiFi技術(shù)的溫濕度實(shí)時(shí)檢測終端節(jié)點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖1所示。硬件結(jié)構(gòu)由數(shù)字溫濕度傳感器、WiFi通信模塊和單片機(jī)三個(gè)模塊組成。

1.1 AM2303溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用的數(shù)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傳感器，其內(nèi)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℃)。

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

1.1.1 引腳說明

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(shù)據(jù)線，用于與單片機(jī)STC15F104W進(jìn)行通信。SDA引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀、寫傳感器數(shù)據(jù)。

1.1.2 通信協(xié)議

AM2303具體通信時(shí)序圖如圖2所示。采用簡化的單總線通信，節(jié)點(diǎn)對AM2303的控制和數(shù)據(jù)交換均由數(shù)據(jù)線完成。數(shù)據(jù)線一次傳送40位溫濕度數(shù)據(jù)，高位先出。

單片機(jī)向AM2303發(fā)送一次起始信號(hào)(圖中粗線所示區(qū)域)后，AM2303從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式并發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，從數(shù)據(jù)線SDA串行送出檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集，采集結(jié)束傳感器自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來臨。具體通信協(xié)議描述如下：

①單片機(jī)向AM2303發(fā)送起始信號(hào)，將數(shù)據(jù)線SDA拉低一段時(shí)間(至少800μs)，然后釋放數(shù)據(jù)線，偵聽AM2303送出的響應(yīng)信號(hào)。

②AM2303發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，將數(shù)據(jù)線SDA拉低80μs，再拉高80μs作為響應(yīng)信號(hào)響應(yīng)單片機(jī)。

③AM2303通過數(shù)據(jù)線SDA串行輸出40位數(shù)據(jù)，高位先出，發(fā)送的數(shù)據(jù)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(yàn)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(hào)位，置“1”表示負(fù)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(yàn)位為濕度高位、濕度低位、溫度高位和溫度低位之和。

④AM2303的數(shù)據(jù)線SDA輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出50μs低電平，然后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。由于上拉電阻作用，數(shù)據(jù)線變?yōu)楦唠娮?。AM2303內(nèi)部再次測量溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待單片機(jī)再次發(fā)送起始信號(hào)。

1.1.3 位數(shù)據(jù)格式

位數(shù)據(jù)“0”、位數(shù)據(jù)“1”格式信號(hào)如圖3所示。AM2303發(fā)送完響應(yīng)信號(hào)之后，由數(shù)據(jù)線SDA連續(xù)串行輸出40位數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)“0”的格式為50μs的低電平加26～28μs的高電平。位數(shù)據(jù)“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(shè)計(jì)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的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，并提供UART串口等接口傳輸數(shù)據(jù)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(nèi)置PCB天線、外置天線連接器。采用FCC/CE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(nèi)可正常工作，使用內(nèi)置天線時(shí)信號(hào)傳輸距離可達(dá)到150m，使用外置天線時(shí)則可達(dá)400 m。

1.2.1 WiFi無線組網(wǎng)

USR-WiFi232-G支持無線組網(wǎng)功能，既可以作為無線接入點(diǎn)(AP)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)功能，也可以作為無線站點(diǎn)(STA)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)終端功能。

利用USR-WiFi232-G組網(wǎng)有基于AP的組網(wǎng)和基于AP+STA共存的組網(wǎng)兩種方式?；贏P的無線組網(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AP轉(zhuǎn)發(fā)完成相互通信。USR-WiFi232-G支持基于AP+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TCP連接與網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器相連，由此可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。同時(shí)模塊上的AP接口也是可用的，智能手機(jī)或PAD等可直接連接到AP接口上，控制串口設(shè)備或模塊與設(shè)備進(jìn)行通信。這種無線組網(wǎng)模式為用戶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(xiàn)串口即插即用，從而最大程度降低用戶使用的復(fù)雜度。首次使用時(shí)需要對模塊進(jìn)行配置，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)，需要通過PC的無線網(wǎng)卡連接USR-WiFi232-G，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)名稱(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，在無線終端設(shè)置選項(xiàng)中，鍵入模塊要連接的無線接入點(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(xiàng)中設(shè)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。打開智能手機(jī)或者PC的上位機(jī)終端，選擇客戶機(jī)(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(hào)為8899，此為模塊默認(rèn)監(jiān)聽的TCP端口號(hào)，點(diǎn)擊連接建立TCP連接，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)。

1.3 STC15F104W單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用宏晶科技有限公司生產(chǎn)的STC15F104W單片機(jī)。該單片機(jī)工作電壓為3.8～5.5 V，采用增強(qiáng)型8051CPU內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，速度更快。片內(nèi)128字節(jié)RAM，1K EEPROM，4 KB Flash程序存儲(chǔ)器;內(nèi)部高可靠復(fù)位，可徹底省掉外部復(fù)位電路;具有高精度R/C時(shí)鐘，內(nèi)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(jì)數(shù)器，共有6個(gè)通用I/O端口，可利用I/O口結(jié)合定時(shí)器實(shí)現(xiàn)串口功能(通常使用P3.0和P3.1端口)。該單片機(jī)價(jià)格便宜，單個(gè)售價(jià)少于2.0元，設(shè)計(jì)采用該系列單片機(jī)，完全可以滿足進(jìn)行溫濕度檢測的要求。

2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

2.1 讀取1位數(shù)據(jù)

單片機(jī)讀取一位數(shù)據(jù)流程如圖5所示。由于每位數(shù)據(jù)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(jī)將根據(jù)高電平時(shí)隙的長度確定當(dāng)前位數(shù)據(jù)的取值。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)持續(xù)檢測數(shù)據(jù)線SDA狀態(tài)，當(dāng)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(dāng)前位數(shù)據(jù)為“1”，存儲(chǔ)當(dāng)前位數(shù)據(jù)，等待SDA重新變?yōu)榈碗娮訝顟B(tài)時(shí)，開始讀取下一位數(shù)據(jù);若SDA處于低電子狀態(tài)，則表示當(dāng)前位數(shù)據(jù)為“0”，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后開始讀取下一位數(shù)據(jù)。

2.2 讀取AM2303數(shù)據(jù)

單片機(jī)讀取AM2303數(shù)據(jù)采用KEIL C51實(shí)現(xiàn)，流程如圖6所示。AM2303上電后需等待2 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，期間單片機(jī)不能向其發(fā)送指令。讀取AM2303數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過I/O口向AM2303數(shù)據(jù)線SDA發(fā)送起始信號(hào)，待接收到響應(yīng)信號(hào)后，依次從數(shù)據(jù)線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(yàn)位。

單片機(jī)通過判斷濕度高、低8位與溫度高、低8位之和是否等于校驗(yàn)位，來確定所接收的溫濕度數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，校驗(yàn)正確則將溫濕度數(shù)據(jù)通過串口送至WiFi模塊;否則重新獲取溫濕度數(shù)據(jù)。由于AM2303硬件原因，讀取間隔小于2 s可能導(dǎo)致讀取溫濕度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或通信不成功等情況，所以單片機(jī)連續(xù)兩次讀取溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)間至少間隔2 s。

結(jié)語

本文介紹的溫濕度檢測節(jié)點(diǎn)作為無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，并可針對現(xiàn)場溫濕度信息進(jìn)行實(shí)吋監(jiān)測。通過打開路由器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的動(dòng)態(tài)DHCP客戶端列表，獲取路由器分配給節(jié)點(diǎn)的IP地址。使用智能手機(jī)客戶端連接節(jié)點(diǎn)IP，選擇TCP Client模式，默認(rèn)端口號(hào)8899，連接后即可接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，在無障礙物的室外環(huán)境，節(jié)點(diǎn)可接入約300m范圍內(nèi)的路由器，并可穩(wěn)定地通過路由器上傳溫濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤出錯(cuò)率很低。測試效果如圖7所示。

測試表明節(jié)點(diǎn)用于采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，檢測距離遠(yuǎn)并且運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的通用性良好，組網(wǎng)方便，具有擴(kuò)充能力與發(fā)展余地，并可接入互聯(lián)網(wǎng)方便遠(yuǎn)程測控與資源共享，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。