基于WiFi技術(shù)的無線溫度傳感器設(shè)計(jì)

1.概述

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天以及海洋開發(fā)和探索等各個(gè)領(lǐng)域中，并解決了很多工程問題。在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無線傳感器技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用是對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)測，本文介紹了一種基于WiFi技術(shù)的無線溫度傳感器，描述了其工作原理、設(shè)計(jì)方案和使用情況。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由無線Wi-Fi傳感器模塊、接收計(jì)算機(jī)組成。其核心部分是Wi-Fi無線傳輸模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)模塊直接和溫度傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，通過Wi-Fi把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。為了更方便地處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)程序。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 AX22001微處理器

本設(shè)計(jì)采用AX22001微處理器，AX22001是一款帶有TCP/IP和802.11 WLAN MAC/基帶的單芯片網(wǎng)絡(luò)芯片，具有高效雙CPU架構(gòu)及用于程序存儲(chǔ)的1MB共享內(nèi)存,內(nèi)嵌用于主處理器(MCPU)的64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及用于Wi-Fi處理器(WCPU)的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，內(nèi)建TCP/IP加速器，符合802.11a/b/g的規(guī)范的MAC/基帶，高速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外圍設(shè)備，可用于各類需要接入有線/無線局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。

3.2 DS18B20

DS18B20是一款支持單總線接口的數(shù)字式溫度傳感器，它能夠直接讀取被測物的溫度值?？梢赃m應(yīng)不同的環(huán)境需求，其測量范圍在-55℃～+125℃，最高分辨率為0.0625℃，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，讀取和寫入僅需要一根總線。DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)資源有ROM只讀存儲(chǔ)器和RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ROM 只讀存儲(chǔ)器，用于存放ID編碼，其共9個(gè)字節(jié)RAM。第1、2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息，第3和第4字節(jié)是高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器的易失性拷貝，第5個(gè)字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值，可以設(shè)置為9、10、11、12位分辨率。9位時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms，而十二位時(shí)需要750ms。

3.3 溫度采集單元設(shè)計(jì)

溫度采集單元主要有傳感器、處理器和電源組成，傳感器18B20負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)溫度信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將溫度的傳感器信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信息，供處理器AX22001進(jìn)行處理。其原理圖如圖1所示，其中ANT_SEL引腳接天線，用來傳送無線信號(hào)。

圖1 原理圖

4.軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用將Wi-Fi模塊配置成UDP客戶端的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。編程步驟：

(1)初始化。從命令行參數(shù)讀取IP地址，并判斷IP地址是否符合要求。

(2)建立一個(gè)UDP socket。

(3)建立與服務(wù)程序的連接。與TCP協(xié)議不同，UDP并沒有與服務(wù)程序三次握手。使用連接的UDP，kernel可以直接返回錯(cuò)誤信息給用戶程序，從而避免由于沒有接收到數(shù)據(jù)而導(dǎo)致調(diào)用recvfrom()一直等待下去。

(4)向服務(wù)程序發(fā)送數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)直接從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取用戶輸入。

(5)接收服務(wù)程序發(fā)回的數(shù)據(jù)。

(6)處理接收到的數(shù)據(jù)，這里是直接輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出上。該程序流程圖如圖2(a)所示。

根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)(單片機(jī))控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。該流程框圖如圖2(b)所示。

圖2 程序流程圖

5.系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)對(duì)一個(gè)溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了測試，得到的結(jié)果和溫度及所測的結(jié)果非常接近，但是其比溫度計(jì)的靈敏度和分辨率要高很多。另外系統(tǒng)工作也非常穩(wěn)定，環(huán)境的影響也很小。圖3是測試的結(jié)果，其中20℃的時(shí)候?yàn)槭覝兀瑴囟壬呤怯捎谟檬钟|摸傳感器所致。

圖3 測試結(jié)果

6.結(jié)論

近年來，藍(lán)牙、Zigbee技術(shù)作為比較成熟的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，但是數(shù)據(jù)傳輸距離短，速率低，部分地方結(jié)網(wǎng)困難。然而，隨著Wi-Fi(Wireless Fidelity,無線保真)技術(shù)的迅速推廣，在眾多短距離無線組網(wǎng)技術(shù)中,基于Wi-Fi的WLAN解決方案是一種必然的趨勢(shì)。Wi-Fi具有傳輸速率快，不需要布線，結(jié)網(wǎng)方便，適合實(shí)際環(huán)境封閉、危險(xiǎn)測量困難或者對(duì)實(shí)時(shí)溫度要求比較高的的地方等優(yōu)點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)還具有良好的可擴(kuò)展性，如測量濕度，還可以增加攝像頭,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖象乃至視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、上傳。