WiFi技術在溫濕度遠程監測系統中的應用

(常州輕工職業技術學院電子電氣工程系1，江蘇 常州 213164；上海交通大學電子信息與電氣工程學院2，上海 200240)

0 引言

溫濕度監測[1]在工業、農業、化工等行業有著廣泛的應用。在很多情況下溫濕度監測需要對較大空間的多個點和不同空間的點進行監測，傳統的有線方式[2-3]極為不便。為了實時準確地監測多個觀測點的溫濕度情況，需要實現溫濕度的分布測量和無線傳輸的功能。

目前，溫濕度分布式無線監測網絡大多采用ZigBee技術[4]。該技術雖然功耗較低，但是傳輸速度較低，構建的網絡為封閉式網絡，不能和廣泛應用的Internet/Intranet直接集成。而WiFi技術[5]具有傳輸速度高、覆蓋范圍遠、組網簡單、與Internet可無縫連接等優點。隨著物聯網技術的發展，眾多的嵌入式系統具有增加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技術成為具有發展優勢的嵌入式網絡解決方案。文獻[6]～[8]分別將WiFi技術應用到礦井安全、溫濕度監測、電力設備狀態監測中，取得了較好的效果。然而在WiFi無線路由軟件開發設計中，該協議移植困難，造成開發時間長，對于普通單片機開發人員而言，開發WiFi網絡通信難度較大。

針對以上無線WiFi網絡開發中的難點，本文提出直接采用串口轉WiFi數據傳輸模塊。利用該模塊單片機開發人員在開發中無需關注無線通信如何實現，大大節約了開發時間，降低了開發難度。

1 系統總體設計

分布式無線溫濕度采集監測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 監測系統結構圖

系統主要由以下3個部分組成：溫濕度測量模塊和STM32單片機、WiFi無線收發模塊和無線路由器、遠程服務器。系統以STM32F103單片機為控制核心，利用DHT11數字式溫度傳感器采集溫濕度信號，并送入單片機處理后顯示。然后把數據通過單片機的串口送入串口轉WiFi數據傳輸模塊中，由該模塊進行無線數據的收發。無線路由器進行中繼和路由，遠程服務器對各節點進行遠程控制并進行數據的遠程顯示。

2 硬件設計

無線溫濕度傳感網絡節點主要由單片機、數字式溫濕度傳感器、WiFi無線收發模塊、LCD液晶顯示模塊組成。節點硬件結構如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖

2.1 單片機控制系統

單片機控制系統選擇意法半導體公司生產的STM32F103。STM32F103為增強型，工作頻率為72 MHz，帶有片內RAM和豐富的外設，滿足高性能、低功耗、低成本的嵌入式系統的要求。

STM32F103是遠程節點的核心，其完成整個溫濕度數據的采集、處理、顯示及發送。DHT11溫濕度傳感器通過單總線和單片機的I/O口相連，接口簡單，抗干擾能力強。LCD液晶顯示模塊也是通過I/O口和單片機相連，完成字符的顯示和控制。STM32F103和WiFi無線收發模塊通過單片機的串口UART相連。

2.2 溫濕度傳感系統

溫濕度傳感器系統采用廣州奧松電子公司生產的DHT11數字式溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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位單片機相連接。因此，該產品具有品質卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上，使其成為各類甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。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單片機與 DHT11之間的通信和同步。采用單總線數據格式,一次通信時間4 ms左右,數據分小數部分和整數部分。當DHT11傳感器和單片機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無線收發模塊

本文采用武漢密友電子有限公司開發的多功能UART轉WiFi數據傳送模塊ST-MW-08S。該模塊內部集成了支持ARP、ICMP、UDP 、 TCP/IP、DHCP客戶端以及DHCP服務器等諸多協議和 WiFi 驅動；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；具有系統接口靈活、編程控制方便等諸多優點。在網絡結構方面，模塊支持基礎網絡(infra)和特殊的Ad hoc網絡結構。在加密認證方面，模塊支持開放性WEP 64/128、WPA、TKIP、AES等諸多安全協議。靈活的結構設計使得模塊在功能完備的前提下擁有更低功耗和較高的數據吞吐率。用戶利用它可以輕松實現嵌入式設備的無線網絡功能，節省人力物力和開發時間，使產品更快地投入市場，增強競爭力。UART接口最高波特率為115 200 bit/s，具有 TCP、UDP 數據傳輸模式，并且支持串口和網頁兩種參數配置的方式，方便使用。

STM32F103單片機和WiFi無線收發模塊通過串口UART相連，然后通過串口或網頁配置WiFi模塊的工作方式和參數，即可正常工作。STM32F103單片機通過串口UART發送數據到WiFi模塊，然后由WiFi無線收發模塊完成協議的轉換和數據的無線收發。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括溫濕度采集節點的程序設計和遠程服務器的程序設計。

3.1 節點軟件設計

溫濕度采集節點作為WiFi網絡的一個節點，主要任務是測量當前環境的溫濕度數據，并通過處理由液晶LCD顯示當前溫濕度參數。當接收到遠程服務器的不同命令時，通過串口發送溫濕度數據到WiFi無線收發模塊，或者設置溫濕度的上下限參數。溫濕度采集節點和遠程服務器的TCP/UDP通信鏈路，是由WiFi無線收發模塊通過配置后自動完成的。單片機STM32F103接收遠程服務器的命令是通過串口中斷來實現的。根據系統原理，溫濕度采集節點軟件流程圖如圖3所示。整個軟件開發在Keil uvision3集成開發環境下編寫，采用模塊化方法，C語言開發。

圖3 節點軟件程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

在系統總體設計中，本文采用服務器數據采集控制模式，這是最常用的應用模式之一。各個溫濕度采集節點作為客戶端分布在網絡的不同位置，通過無線WiFi網絡將數據傳送到遠程服務器，并接收服務器的數據。

本文利用VC++ 6.0設計遠程服務器監控系統。采用Socket應用編程接口，建立WinSock描述字Socket，完成網絡底層溝通；利用TCP/IP協議在無線網絡上建立數據通信。

為了解決多客戶端/服務器通信問題，本文采用非阻塞模式，通過調用Select函數解決阻塞問題。另外，利用對話框實現溫濕度參數的顯示和數據的發送。

整個系統采用多客戶端/服務器模式。服務器程序總體框圖如圖4所示。

圖4 服務器程序總體框圖

4 系統測試

以上系統軟硬件調試成功后，還需要通過相應的配置，完成整個系統的設計。

① WiFi無線收發模塊配置

WiFi無線收發模塊的配置主要通過串口和PC機相連，利用專用軟件來實現。主要設置參數有串口通信協議、無線網絡名稱、加密方式、密鑰、客戶端和服務器端。如設置成客戶端，還需設置連接的服務器的IP地址和端口號。其中串口通信協議的配置和單片機STM32F103的串口配置要一致。

② 無線路由器配置

在分布式無線WiFi網絡中，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配置一個IP地址。而系統主機即服務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器。無線路由器的主要設置包括無線網絡的名稱、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 服務器IP地址配置

主控計算機還需要設置它的固定IP地址，從而把主控計算機加入到無線網絡中，建立主控服務器。其中，IP地址和WiFi無線收發模塊中配置的服務器IP地址要一致。

④ 試驗結果

在完成上述配置及軟硬件設計后，在一定的環境下對系統進行測試，其中遠程服務器和無線路由器在1個房間，2個數據采集節點在另外2個隔壁房間。經測試，遠程服務器完全可以搜索到2個采集節點，并準確得到2個節點的溫濕度數據。另外，在室內非遮擋環境下100 m內，遠程服務器也可以搜索到采集節點，并能可靠地采集節點通信，得到準確的數據和控制各采集節點。這表明系統達到了預期的設計目標。

5 結束語

本文利用串口(UART)轉WiFi數據傳送模塊，設計了基于WiFi技術的分布式無線溫濕度監測系統。利用該模塊可以大大縮短無線WiFi網絡的開發時間。利用數字數溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信號，節約了成本，接口簡單、抗干擾能力強。利用Socket類和Select函數設計了基于多客戶端/服務器的TCP/IP通信，使得系統具有更強的擴展性。該分布式無線溫濕度監測系統既可以現場觀測每個節點的參數，也可以遠程監測各個節點的參數。另外，對于新加入的采集節點，無需任何設置，由無線路由器自動分配IP地址并接入到遠程服務器中。通過遠程服務器還可以接入Internet中，實現遠程監控。系統布線簡單、成本較低、擴展性好，具有較強的應用前景。

[1] 馮顯英.基于數字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統[J].自動化儀表，2006，27(1)：59-61.

[2] 昊淵.多點環境溫濕度監測系統[J].電子測量技術，2010，33(5)：109-114.

[3] 王磊，顧德英.基于以太控制網絡的溫度測控系統[J].儀器儀表學報，2005，26(8)：24-26.

[4] 孟慶斌，潘勇.基于CC2430的分布式無線溫度測量系統設計[J].電子測量技術，2009(5)：128-130.

[5] 李永忠.無線局域網WALN及其數據傳輸技術[J].儀器儀表學報,2004，25(4)：1003-1005.

[6] 蔣峰，張凌濤，賀超英.WiFi技術在礦井遠程監控系統中的應用[J].煤礦安全,2010(3)：62-65.

[7] 曾歡，劉毅.嵌入式WiFi技術在溫室環境監測系統中的應用[J].林業機械與木工設備，2008，36(2):449-51.

[8] 王瑋.基于WiFi的輸電線路狀態監測數據采集器設計[J].機電信息，2011(18)：143-145.

[9] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[10]李博軒.Visual C++6.0網絡及Internet開發指南[M].北京：清華大學出版社，2002.