基于單片機和WiFi的無線溫濕度檢測節(jié)點設計

　　摘要：基于AM2303溫濕度傳感器、STC15F104W單片機和WiFi模塊設計了一種無線溫濕度檢測節(jié)點。介紹了AM2303及其通信協(xié)議、WiFi模塊及其組網(wǎng)特性等，并且給出了讀取AM2303數(shù)據(jù)的軟件流程。經(jīng)測試，該節(jié)點通信距離遠，組網(wǎng)靈活，可很好地應用于糧庫糧情檢測等實際工作環(huán)境。

　　引言

　　隨著無線通信、嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡等技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡在軍事和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。它由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量廉價的微型傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，用以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

　　這是一種全新的信息獲取技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡中常用的無線通信技術(shù)包括藍牙、WiFi、ZigBee等。其中，藍牙技術(shù)協(xié)議復雜、開發(fā)成本高;ZigBee通信距離較短。而WiFi技術(shù)具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)成本低、與Internet網(wǎng)絡無縫連接等優(yōu)點，在通信距離等方面與其他無線通信技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)勢，這使得該技術(shù)在溫濕度檢測領(lǐng)域應用中具有明顯優(yōu)勢。

　　本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡的設計思想，設計了一種基于WiFi技術(shù)的溫濕度實時檢測終端節(jié)點。

　　1 節(jié)點硬件設計

　　節(jié)點硬件電路如圖1所示。硬件結(jié)構(gòu)由數(shù)字溫濕度傳感器、WiFi通信模塊和單片機三個模塊組成。

　　1.1 AM2303溫濕度傳感器

　　本設計采用的數(shù)字溫濕度傳感器為廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AM2303溫濕度傳感器。它是一款新型單總線傳感器，其內(nèi)部包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件。溫度測量范圍為-40～+80℃，精度為±0.3℃;濕度測量范圍為0～99.9%RH，精度為±2%RH(25℃)。

　　相比市場上常見的SHT1x系列溫濕度傳感器，AM2303具有價格低、算法簡單等優(yōu)點，并且具有低功耗、自動化校準、傳輸距離遠等特點。

　　1.1.1 引腳說明

　　AM2303引出3個引腳。其中，VDD、GND為電源引腳，供電3.5～5.5 V;SDA為數(shù)據(jù)線，用于與單片機STC15F104W進行通信。SDA引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀、寫傳感器數(shù)據(jù)。

　　1.1.2 通信協(xié)議

　　AM2303具體通信時序圖如圖2所示。采用簡化的單總線通信，節(jié)點對AM2303的控制和數(shù)據(jù)交換均由數(shù)據(jù)線完成。數(shù)據(jù)線一次傳送40位溫濕度數(shù)據(jù)，高位先出。

　　單片機向AM2303發(fā)送一次起始信號(圖中粗線所示區(qū)域)后，AM2303從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式并發(fā)送響應信號，從數(shù)據(jù)線SDA串行送出檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集，采集結(jié)束傳感器自動轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來臨。具體通信協(xié)議描述如下：

　?、賳纹瑱C向AM2303發(fā)送起始信號，將數(shù)據(jù)線SDA拉低一段時間(至少800μs)，然后釋放數(shù)據(jù)線，偵聽AM2303送出的響應信號。

　?、贏M2303發(fā)出響應信號，將數(shù)據(jù)線SDA拉低80μs，再拉高80μs作為響應信號響應單片機。

　?、跘M2303通過數(shù)據(jù)線SDA串行輸出40位數(shù)據(jù)，高位先出，發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高8位、濕度低8位、溫度高8位、溫度低8位和8位校驗位。AM2303傳出的濕度和溫度值是實際濕度和溫度值的10倍，溫度最高位(位15)為符號位，置“1”表示負溫度，置“0”表示正溫度;溫度低15位(位14～位0)表示溫度值。校驗位為濕度高位、濕度低位、溫度高位和溫度低位之和。

　?、蹵M2303的數(shù)據(jù)線SDA輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出50μs低電平，然后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。由于上拉電阻作用，數(shù)據(jù)線變?yōu)楦唠娮?。AM2303內(nèi)部再次測量溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待單片機再次發(fā)送起始信號。

　　1.1.3 位數(shù)據(jù)格式

　　位數(shù)據(jù)“0”、位數(shù)據(jù)“1”格式信號如圖3所示。AM2303發(fā)送完響應信號之后，由數(shù)據(jù)線SDA連續(xù)串行輸出40位數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)“0”的格式為50μs的低電平加26～28μs的高電平。位數(shù)據(jù)“1”的格式為50 μs的低電平加70us的高電平。

　　1.2 WiFi通信模塊

　　本設計采用的WiFi通信模塊為有人科技有限公司生產(chǎn)的超低功耗嵌入式WiFi模組(USR-WiFi232-G)。該模塊提供了一種將用戶的物理設備連接到WiFi無線網(wǎng)絡上，并提供UART串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案，提供了一體化的801.11/b/g/n WiFi的低功耗解決方案。USR-WiFi232-G是一款集成了所有WiFi功能的模塊，采用表貼封裝，配備有內(nèi)置PCB天線、外置天線連接器。采用FCC/CE標準認證，頻率范圍為2.412～2.484 GHz，工作電壓范圍為3.6～3.1 V，在-40～85℃環(huán)境內(nèi)可正常工作，使用內(nèi)置天線時信號傳輸距離可達到150m，使用外置天線時則可達400 m。

　　1.2.1 WiFi無線組網(wǎng)

　　USR-WiFi232-G支持無線組網(wǎng)功能，既可以作為無線接入點(AP)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點功能，也可以作為無線站點(STA)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡終端功能。

　　利用USR-WiFi232-G組網(wǎng)有基于AP的組網(wǎng)和基于AP+STA共存的組網(wǎng)兩種方式。基于AP的無線組網(wǎng)是一種基本的組網(wǎng)方式，由一個AP和多個STA組成，AP處于中心地位，多個STA之間通過AP轉(zhuǎn)發(fā)完成相互通信。USR-WiFi232-G支持基于AP+STA共存的組網(wǎng)方式，即模塊可同時支持一個AP接口和一個STA接口，如圖4所示。模塊的STA接口可以與路由器相連，并通過TCP連接與網(wǎng)絡中的服務器相連，由此可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程通信。同時模塊上的AP接口也是可用的，智能手機或PAD等可直接連接到AP接口上，控制串口設備或模塊與設備進行通信。這種無線組網(wǎng)模式為用戶的使用提供了更大的靈活性。