基于WiFi的機(jī)房溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

康明星 匡炎

摘 要：文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于WiFi的分布式溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點(diǎn)利用STM32L152微控制器和USR-SENS-WSD傳感器采集溫濕度，通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元，適用于機(jī)房內(nèi)多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測的場合。

關(guān)鍵詞：微控制器；溫濕度采集；WiFi傳輸；傳感器

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-02

0 引 言

隨著信息化技術(shù)的普及，越來越多的通信導(dǎo)航及監(jiān)視設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到民航空管領(lǐng)域，機(jī)房規(guī)模不斷增大，機(jī)房內(nèi)設(shè)備持續(xù)增多。與此同時(shí)，民航飛速發(fā)展對空管設(shè)備運(yùn)行保障提出了更高的要求，機(jī)房管理從粗放型走向精細(xì)化。機(jī)房內(nèi)溫濕度是影響電子設(shè)備性能的重要環(huán)境因素[1]。影響機(jī)房溫濕度的因素有很多，外界天氣及制冷除濕設(shè)備故障等均可能造成機(jī)房溫濕度失控[2]，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，甚至造成空管雷達(dá)功率部件等損壞，因此溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測是機(jī)房精細(xì)化管理的重要手段。

傳統(tǒng)的多點(diǎn)溫濕度自動監(jiān)測需要布置線纜，通信電纜冗長且鋪設(shè)不便[3]，不利于快速部署和后期維護(hù)。鑒于此，本文給出基于WiFi組網(wǎng)的分布式溫濕度采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩大部分，并通過實(shí)際制作驗(yàn)證方案的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。通過在機(jī)房內(nèi)部署WiFi路由器實(shí)現(xiàn)無線覆蓋，構(gòu)建一個(gè)無線局域網(wǎng)；在不同區(qū)域和機(jī)柜部署溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)利用STM32L152微控制器和USR-SENS-WSD傳感器采集溫濕度，利用USR-C322接入WiFi局域網(wǎng)即可組網(wǎng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集傳輸。

各采集節(jié)點(diǎn)與中央數(shù)據(jù)處理單元之間以TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采集節(jié)點(diǎn)作為TCP Client，充當(dāng)中央數(shù)據(jù)處理單元的本地監(jiān)測站或遠(yuǎn)程監(jiān)測站，作為TCP Server；部署采集節(jié)點(diǎn)后，自動加入WiFi局域網(wǎng)，與Server之間建立TCP 連接；Server匯聚所有節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)并處理，同時(shí)監(jiān)測與各節(jié)點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。

本文系統(tǒng)需要在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)部署多個(gè)溫濕度傳感器。USR-SENS-WSD傳感器具備有線組網(wǎng)優(yōu)勢，該傳感器支持MODBUS協(xié)議，允許多個(gè)傳感器共同接入總線組網(wǎng)，即一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可以外掛多個(gè)溫濕度傳感器，多個(gè)溫濕度傳感器先以有線方式組網(wǎng)匯聚數(shù)據(jù)，再由WiFi傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元。

2 硬件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，主要由微控制器、溫濕度傳感器、WiFi模塊及供電電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗ARM7芯片STM32L152，該芯片內(nèi)部集成了ADC、定時(shí)器和USART等功能模塊，相比單片機(jī)而言具有更強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力。溫濕度傳感器采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)科技公司生產(chǎn)的集成溫濕度采集模塊USR-SENS-WSD，該模塊是一款高性能溫濕度數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，溫度測量分辨率為0.1℃，精度為±0.2℃，濕度（指相對濕度）測量分辨率為0.1%，環(huán)境溫度為25℃，精度為±2%；支持RS 485/RS 232/TTL接口輸出，支持MODBUS工業(yè)控制總線協(xié)議，可利用MODBUS進(jìn)行現(xiàn)場組網(wǎng)。WiFi模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)科技公司生產(chǎn)的USR-C322，該模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，通過串口與微控制器通信，支持串口透明傳輸，與WiFi串口服務(wù)器功能相似，各類設(shè)備易于通過WiFi聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。聲光指示電路包括蜂鳴器和LED指示燈，用于提示W(wǎng)iFi模塊聯(lián)網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)工作情況。

供電主要考慮WiFi模塊耗電情況。由數(shù)據(jù)手冊可知，USR-C322作為STA（入網(wǎng)終端模式）持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所需電流約為75 mA，峰值電流約為250 mA，采集節(jié)點(diǎn)其他單元耗電累計(jì)約小于10 mA，因此可采用EXAR公司生產(chǎn)的穩(wěn)壓芯片SPX3819供電，將5 V直流電源穩(wěn)壓到3.3 V，SPX3819為低壓差穩(wěn)壓芯片（LDO），其滿載（500 mA）情況下的壓降僅為340 mV。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于WiFi模塊已內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，將聯(lián)網(wǎng)封裝成串口指令實(shí)現(xiàn)，因此軟件設(shè)計(jì)主要包括WiFi模塊串口通信程序和溫濕度采集模塊驅(qū)動程序。

3.1 WiFi模塊串口通信程序

USR-C322模塊支持Web和AT指令兩種配置方式。模塊出廠默認(rèn)開啟WiFi路由器功能，此時(shí)可用電腦通過WiFi連接模塊，成功后即可使用Web進(jìn)行配置，適用于一次配置后無需再更改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的場合。本文系統(tǒng)采取AT指令配置方式，其軟件流程如圖3所示。WiFi模塊工作參數(shù)存放在微控制器內(nèi)部FLASH區(qū)域，該區(qū)域同時(shí)存放有標(biāo)識字符，用于指示模塊是否成功配置過工作參數(shù)。程序先檢查標(biāo)識字符，如果需要配置，則發(fā)送AT指令使模塊進(jìn)入配置模式。

3.2 溫濕度采集模塊驅(qū)動程序

USR-SENS-WSD模塊支持MODBUS協(xié)議幀，可接收并解析中央數(shù)據(jù)處理單元（上位機(jī)）發(fā)送的MODBUS 命令幀，根據(jù)指令返回響應(yīng)幀；同時(shí)模塊也支持幾組簡單的ASCII指令，無需采用MODBUS組網(wǎng)時(shí)可快捷使用該模塊采集溫濕度。模塊上電約2 s后開始執(zhí)行初始化操作，之后可以正常接收指令并根據(jù)指令執(zhí)行操作。MODBUS命令幀和響應(yīng)幀的構(gòu)成如

圖4所示。

命令幀中的地址域指示響應(yīng)上位機(jī)命令的模塊ID；功能碼指示符合指定地址的模塊作何響應(yīng)；數(shù)據(jù)段指示讀寫的起始地址、結(jié)束地址或用于寫入的數(shù)據(jù)，在讀取溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，前2個(gè)字節(jié)表示讀取起始地址，高字節(jié)在前；CRC校驗(yàn)段用于差錯校驗(yàn)。

響應(yīng)幀的地址域表示向上位機(jī)返回模塊ID；功能碼/異常碼用于返回模塊所接收到的功能碼或返回差錯碼；數(shù)據(jù)段用于返回?cái)?shù)據(jù)，第1個(gè)字節(jié)表示返回?cái)?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，后1～4字節(jié)表示返回的數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前，返回溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，濕度數(shù)據(jù)在前，溫度數(shù)據(jù)在后；溫度最高位為0 時(shí)表示正溫度，溫度最高位為1 時(shí)表示負(fù)溫度；返回?cái)?shù)據(jù)均為實(shí)際測量數(shù)據(jù)的10 倍，例如，返回溫度數(shù)據(jù)為185，則實(shí)際溫度為18.5℃。

同時(shí)，在采集溫度和濕度數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器發(fā)送給USR-SENS-WSD模塊的命令幀中功能碼設(shè)置為0x03或0x04，數(shù)據(jù)段設(shè)置為0x00，0x00，0x00，0x02。

采集節(jié)點(diǎn)可以被設(shè)置成自動定時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)的方式，也可設(shè)置為接收主機(jī)輪詢指令采集數(shù)據(jù)并發(fā)送的方式。在輪詢方式下，采集節(jié)點(diǎn)支持“Get Data”指令，即主機(jī)通過WiFi發(fā)送該指令給采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)部微控制器通過MODBUS發(fā)送命令幀給USR-SENS-WSD模塊，USR-SENS-WSD模塊進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集并將結(jié)果返回給微控制器，最終通過WiFi返回主機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)采集過程。

4 網(wǎng)絡(luò)配置

本文以網(wǎng)絡(luò)配置方法為例，采取主機(jī)輪詢方式獲取數(shù)據(jù)，主要步驟如下：

（1）搭建WiFi局域網(wǎng)，利用無線路由器（如TPLINK WR886N）搭建名（即SSID）為“test”的WiFi局域網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)頻帶為2.4 GHz，安全類型為“WPA2-個(gè)人”，加密密碼為“123456789”，支持DHCP。

（2）搭建TCP Server主機(jī)，利用電腦接入test網(wǎng)絡(luò)，IP固定為192.168.1.100，運(yùn)行TCP/IP調(diào)試助手（有人科技公司提供的軟件名為USR-TCP232-Test），開啟TCP Server監(jiān)聽功能，端口為8899。

（3）配置采集節(jié)點(diǎn)的WiFi模塊網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)SSID為“test”，安全類型為“wpawpa2_aes”，加密密碼為“123456789”，采取DHCP方式獲取IP，需連接的目標(biāo)服務(wù)器IP為192.168.1.100，端口為8899。

（4）系統(tǒng)部署完成后，在電腦端的TCP/IP串口調(diào)試助手上可看到所有接入WiFi局域網(wǎng)的采集節(jié)點(diǎn)，輸入“Get Data”指令發(fā)送給所有采集節(jié)點(diǎn)或指定任意采集節(jié)點(diǎn)，即可收到節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

民航領(lǐng)域日益精細(xì)化的機(jī)房管理對溫濕度的監(jiān)測要求越來越高，多點(diǎn)溫度測量是實(shí)現(xiàn)溫濕度精確控制的前提，尤其對于無人值守的空管臺站，一方面采集到的溫濕度數(shù)據(jù)可反饋用于控制機(jī)房空調(diào)等制冷除濕設(shè)備，將機(jī)房溫濕度控制在適宜的數(shù)值區(qū)域；另一方面可將采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)集中式監(jiān)控和告警。本文給出了一種多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法，通過采用WiFi組網(wǎng)技術(shù)，提供了一種可靠快捷的機(jī)房溫濕度多點(diǎn)監(jiān)測組網(wǎng)方案，解決了部署應(yīng)用難題，適用于快速搭建機(jī)房多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測的場合。

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