基于WiFi技術的即時通訊系統設計

楊萬里 祝真濱 孟丹 王博

摘 要：針對礦井、深山等弱GPS環境下存在的即時通訊問題，考慮WiFi技術具有組網便捷、傳輸迅速、信號穩定的特點，本文提出一種基于WiFi技術的即時通訊系統設計方法。基于工業級嵌入式WiFi模塊USR-WIFI232-A2進行無線組網，完成特殊環境下小范圍的即時通訊。研究成果對于井下通訊、遠程監控等領域具有一定的應用價值。

關鍵詞：WiFi技術;即時通訊;工業級嵌入式WiFi模塊

WiFi技術是一種短距離無線傳輸技術，具有組網便捷、傳輸迅速等特點，廣泛應用于井下通訊、遠程監控、智能家居等領域。[1-3]相比于以太網通訊、4G通訊、透地通訊等傳輸方式，WiFi通訊的組網成本較低，利用WiFi模塊可以快速形成固定范圍無線局部網。另外，WiFi可以實現帶寬的自動調整，最高帶寬為11Mbps，在信號較差或擾動存在的情況下可以調整為5.2Mbps或1Mbps，能夠有效保障網絡的穩定性。[4]因此，考慮到WiFi技術的上述特點，本文設計了一種基于WiFi的即時通訊系統，利用WiFi模塊組建無線局域網，采用“AP/STA”的訪問模式，實現模塊間即時通訊。該系統在礦井、深山等弱GPS環境具有一定的實用價值。

1 系統總體設計方案

基于WiFi技術的即時通訊系統由一個AP（Wireless Access Point，無線訪問接入點）和多個STA（Station，站點）組成，通過配置WiFi模塊的無線組網模式，使服務端與客戶端分別工作在AP和STA模式，實現服務端與客戶端之間的實時通訊。本文選擇工業級嵌入式WiFi模塊USR-WIFI232-A2進行無線組網，可以同時容納24個WIFI客戶端同時接入，能夠十分方便地實現物聯網絡控制與管理。如圖1所示為基于WiFi技術的即時通訊系統示意圖。

2 硬件電路設計

基于WiFi技術的即時通訊系統硬件電路由電源電路、重啟與復位電路、UART接口電路組成，硬件設計框圖如圖2所示。

2.1 電源電路設計

電源模塊由7.2V鎳鎘蓄電池組和電源穩壓電路組成，為WiFi模塊提供3.3V/供電。電源穩壓電路選擇ASM1117穩壓芯片進行搭建，輸出電壓穩定、可靠。電源穩壓電路原理圖如圖3所示。

2.2 重啟與復位電路設計

系統提供重啟復位功能，nReload可以連接到外部按鈕或配置引腳，當按鈕拉低1～3秒是啟動系統配置，長按3S 以上是恢復出廠設置。nReset是模塊復位信號，輸入，低電平有效，模塊內部有100K電阻上拉到3.3V。當模塊上電時或者出現故障時，需要對模塊做復位操作，引腳拉低至少 0.5S，然后拉高或懸空實現復位。

2.3 UART接口電路設計

UART為串行數據接口，可以連 RS-232 芯片轉為 RS-232 電平與外部設備連接。[5]本文設計UART接口電路的目的是為了實現WiFi模塊與上位機（PC機）之間的通訊，便于進行在線和離線調試。本模塊 UART 接口包括TXD/RXD/RTS/CTS 4個信號線。以RS-232電平為例參考電路如圖5所示。

3 系統軟件配置

USR-WIFI232-A2模塊可以通過Web服務器+AT命令進行用戶配置，相關軟件參數如下表所示。本文主要介紹模塊的無線組網配置與工作模式配置。

3.1 無線組網配置

基于WiFi技術的即時通訊系統包括STA和AP兩種常見組網方式，[6]USR-WIFI232-A2作為STA可以參考由一個路由和多個STA組成一個無線網絡，所有的STA 都以AP做為無線網絡的中心，STA之間的相互通信都通過AP轉發完成。模塊作為AP模式，可以通過手機/PAD/電腦在無需任何配置的情況下，快速接入模塊進行數據傳遞。另外，還可以登陸模塊的內置網頁進行參數設置。

3.2 工作模式配置

USR-WIFI232-A2模塊默認為透明傳輸模式，所有需要收發的數據都被在串口與WIFI接口之間做透明傳輸，不做任何解析。另外，用戶可以將其配置為串口指令模式、GPIO模式、HTTPD Client模式和AT命令模式。

在串口指令模式下，當USR-WIFI232-A2模塊作為UDP Client或TCP Client時，允許用戶將串口的數據發往不同的服務器端。當模塊工作在GPIO模式時，PC或其它網絡設備可以通過WIFI與模塊建立連接（TCP/UDP），然后通過命令控制GPIO或讀GPIO狀態。HTTPD Client模式支持POST、PUT、GET三種HTTP請求方式。用戶在用AT命令或是網頁設置好HTTP報頭的具體內容后，每次發送數據時，模塊會自動將所發送的數據封裝成HTTP協議數據，發送到指定HTTP服務器上。在AT命令模式下，用戶可以通過發送AT命令來查詢模塊當前狀態或設置模塊的參數。除AT命令模式以外，其余模式之間的切換可以通過模塊內置網頁或者AT命令進行設置。[7]

4 結語

本文研究了基于WiFi技術的即時通訊系統設計。考慮WiFi技術具有組網便捷、傳輸迅速、信號穩定等特點，基于WiFi模塊USR-WIFI232-A2設計即時通訊系統。通過合理的無線組網配置，該系統可以實現25個對象在小范圍進行實時通訊，研究成果在井下通訊、遠程監控等領域具有一定的應用推廣價值。

參考文獻：

[1]孫弋，徐瑞華.基于WiFi技術的井下多功能便攜終端的設計與實現[J].工礦自動化，2007（03）：60-63.

[2]劉軍良.WiFi技術在溫濕度遠程監測系統中的應用[J].自動化儀表，2014，39（06）：79-82.

[3]郭哲.以WiFi技術為基礎的智能家居系統探究[J].電子測試，2019（04）：65-67.

[4]蔡金洋，陳浙泊，姜鳳武.基于Android的北斗/GPS/WiFi室內外定位系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（02）：50-55.

[5]陳旭輝，楊紅云.基于STM32的多串口并行傳輸系統設計[J].計算機測量與控制，2019，27（01）：166-170.

[6]李先權.WiFi網絡構建與應用研究[D].華南理工大學，2012：15-27.

[7]王金峰.AT指令下大型物流倉儲環境參數遠程監測系統設計[J].科技通報，2018，34（05）：162-166.

項目：本研究得到了南華大學大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（2016NH006XJXZ）的資助