基于WIFI的無線溫度傳感器設(shè)計(jì)

祝 娜，王長建，張靜

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

0 前言

科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor networks，WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。WSN所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括電磁、溫度、濕度、壓力、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象[1]。WIFI的全稱是Wireless Fidelity(無線保真技術(shù))，又叫802.11b標(biāo)準(zhǔn)。它的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11Mbit/s，另外它的有效距離也很長，同時(shí)與已有的各種802.11DSSS設(shè)備兼容。伴隨著Intel公司提出的筆記本電腦芯片組—“迅馳”被越來越多的人認(rèn)可，這一技術(shù)也逐漸成為大家關(guān)注的話題。不過自2005年底開始，很多手機(jī)廠商，特別是以生產(chǎn)智能手機(jī)為主的品牌便開始將WIFI[2,6-7]引入自己的產(chǎn)品當(dāng)中。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為可以利用海量的環(huán)境數(shù)據(jù)和隨機(jī)性數(shù)據(jù)研究的方法，避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞；文獻(xiàn)[3]通過對礦山的工況分析，提出一種基于WIFI對礦山進(jìn)行安全檢測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑；文獻(xiàn)[4]將WIFI信號與監(jiān)測形式相結(jié)合，提出一種無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種利用WIFI對溫室群的多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)姆椒?。以上研究均是針對具體工作環(huán)境的研究，都沒有針對某一具體物理量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文作者以溫度為設(shè)計(jì)參量，提出一種基于WIFI通訊技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，該方案具有普遍適用性，可根據(jù)功能需求適當(dāng)調(diào)整。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能是對采集點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測，通過由單片機(jī)和溫度傳感器等組成的采集終端進(jìn)行采集，并及時(shí)地傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。為滿足溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求，該系統(tǒng)需具備以下功能：

（1）下位機(jī)能夠快速地、準(zhǔn)確地采集和顯示溫度信息；

（2）下位機(jī)能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器；

（3）下位機(jī)能夠?qū)τ诔^規(guī)定范圍的溫度值進(jìn)行聲光報(bào)警；

（4）上位機(jī)可以實(shí)時(shí)地顯示溫度信息，溫度的上下限可以手動(dòng)設(shè)置，當(dāng)溫度不在規(guī)定范圍的溫度值時(shí)，上位機(jī)上有指示燈顯示，方便工作人員觀察；

（5）服務(wù)器可以發(fā)送控制命令對單片機(jī)外圍電路進(jìn)行控制；

（6）系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集、處理和管理功能。

溫度監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能要通過軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件程序的正確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地測量及顯示溫度值。需要設(shè)計(jì)溫度顯示子程序、溫度報(bào)警子程序上位機(jī)軟件。其主要包含如下功能。

（1）溫度信息采集功能。PT100傳感器和單片機(jī)能夠共同工作采集溫度信息。

（2）報(bào)警功能。上位機(jī)中手動(dòng)設(shè)定溫度的上限值和下限值，一定得有手動(dòng)設(shè)置的功能，這樣軟件的實(shí)用性才廣。上位機(jī)有3種信號燈，來顯示每個(gè)采集點(diǎn)的正常、低溫和高溫，當(dāng)溫度高于上限值或低于下限值時(shí)，信號燈顯示，而且從信號燈可以判斷是哪個(gè)采集點(diǎn)出現(xiàn)問題，然后向單片機(jī)發(fā)送報(bào)警命令，并且可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

（3）無線通信功能。無線通信功能是由WIF1232-B模塊實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)發(fā)送溫度信息時(shí)，WIF1232-B模塊從USART串口接收信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)。該模塊的TCP通信協(xié)議，是由WIF1232-B模塊通過配置后自動(dòng)完成的。在程序編寫時(shí)，單片機(jī)把WIF1232-B模塊當(dāng)成一個(gè)串口設(shè)備進(jìn)行控制。

（4）LCD液晶顯示功能。液晶顯示屏上顯示溫度信息，方便工作人員查看。

由上述功能分析得到的軟件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 方案主要子模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

溫度測量系統(tǒng)有聲光報(bào)警的功能，系統(tǒng)一直在對當(dāng)前檢測到的溫度值與設(shè)置好的溫度允許值相比較，若檢測到的溫度值超過設(shè)置好的溫度允許值，系統(tǒng)會啟動(dòng)報(bào)警功能，報(bào)警功能包括蜂鳴器的聲音報(bào)警和LED燈的燈光報(bào)警；否則系統(tǒng)不會啟動(dòng)報(bào)警功能。如圖2所示。

圖2 溫度報(bào)警子程序流程圖

2.2 上位機(jī)監(jiān)測程序的設(shè)計(jì)

采用Visual Basic 6.0來編寫監(jiān)測程序，VB可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具，功能很強(qiáng)大，內(nèi)部含有WinSock控件，建立WinSock描述字Socket，客戶端與服務(wù)器利用TCP/IP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)上建立數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用的是TCP協(xié)議，其通信流程圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)器與客戶端通信流程圖

當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)出連接請求時(shí)，如果服務(wù)器的WinSock控件的狀態(tài)目前不是處于關(guān)閉的狀態(tài)時(shí)，服務(wù)器允許遠(yuǎn)程設(shè)備連接時(shí)，必須要關(guān)閉目前的控制運(yùn)行，允許遠(yuǎn)程設(shè)備使用必要的識別碼（Requestid）與主機(jī)進(jìn)行連接，服務(wù)器接收識別碼之后，其實(shí)還有一個(gè)服務(wù)器向客戶端回應(yīng)的過程，所以圖3中使用了一個(gè)雙向箭頭。系統(tǒng)中3個(gè)模塊全是客戶端，由于模塊的特點(diǎn)，當(dāng)模塊參數(shù)配置好之后，在通信的時(shí)候，服務(wù)器處于監(jiān)聽的狀態(tài)，模塊一旦工作便會自動(dòng)連接，不需要向服務(wù)器發(fā)出請求。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 電壓基準(zhǔn)源電路的仿真測試

在仿真軟件中，假定目標(biāo)需要輸出電壓為4.5 V左右，則由硬件設(shè)計(jì)分析可以得到電阻R2＜500Ω，假定R2=50Ω，調(diào)節(jié)RV2電位器，得到了基準(zhǔn)電壓V=4.296 83 V，如圖4所示。

圖4 電壓基準(zhǔn)源電路仿真測試

3.2 恒流源電路的仿真測試

由于文中所用的Proteus仿真軟件中沒有PT100溫度傳感器元件，所以為了調(diào)試方便把100Ω的電阻看作PT100電阻，通過仿真軟件調(diào)試得到了恒流源電流值I=0.96 mA而且確定了R3=4 kΩ。如圖5所示。

圖5 恒流源電路仿真測試

設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)：

（1）等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準(zhǔn)，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)熱造成測量溫度不準(zhǔn)確，試驗(yàn)證明，電流大于1.5 mA將會有較明顯的影響。

（2）運(yùn)放采用單一5 V供電，如果測量的溫度波動(dòng)比較大，將運(yùn)放的供電改為±15 V雙電源供電會有較大改善。

3.3 電壓放大電路的仿真測試

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的元件的參數(shù)，放大倍數(shù)為10倍。經(jīng)過仿真輸出電壓等于1 V，則可以得到測量的PT100阻值在100Ω附近，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相符合，如圖6所示。

3.4 仿真結(jié)果

圖6 電壓放大電路仿真測試

實(shí)驗(yàn)之前對WIFI模塊進(jìn)行相關(guān)配置。WIFI232模塊上電起動(dòng)后，會根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)，自動(dòng)連接無線網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器，并且進(jìn)入設(shè)置的工作模式，按預(yù)設(shè)的串口參數(shù)打開串口。用戶需要預(yù)設(shè)的參數(shù)有：工作模式、無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、默認(rèn)TCP/UDP連接參數(shù)、串口參數(shù)。WIFI模塊正常啟動(dòng)后，打開PC連接WIFI2模塊的熱點(diǎn)，打開上位機(jī)軟件，在程序中設(shè)置好各個(gè)模塊的地址，點(diǎn)擊監(jiān)聽按鈕，服務(wù)器與客戶端就可以正常通信，各部分工作正常。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)需求，上位機(jī)測試軟件能正確采集到采集節(jié)點(diǎn)的溫度值，并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，上位機(jī)可以對下位機(jī)發(fā)送命令，執(zhí)行相關(guān)操作。

4 總結(jié)

本文作者將溫度作為設(shè)計(jì)參量，提出基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的測溫方法，并且對設(shè)計(jì)中采用的核心技術(shù)、軟硬件以及測試過程和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的介紹；利用VB編寫監(jiān)測程序，對于需要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，而工作人員又不便出現(xiàn)的工況，該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)優(yōu)越性。