王洪濤 吳云飛 薛澤利 李祖君 韓海生

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程無(wú)線溫、濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫、濕度傳感器采集信息，然后通過(guò)由單片機(jī)組成的模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，并將信息通過(guò)串口通信傳送給數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布，從而有效地實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置對(duì)溫、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；傳感器；協(xié)調(diào)器

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0032-01

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)又稱之為“Wireless Sensor Network，WSN”屬于一種新興的信息獲取、信息處理技術(shù)，主要是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的傳感器協(xié)作完成，借助無(wú)線通信的方式，形成多條自行組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)感知，實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各類環(huán)境，各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端用戶界面中[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有較強(qiáng)的抗毀性，同時(shí)具備較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性、覆蓋面積大的特點(diǎn)。通常是在人無(wú)法接近的惡劣環(huán)境、危險(xiǎn)位置中，借助遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集。目前，在軍事、遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭網(wǎng)絡(luò)、搶險(xiǎn)救災(zāi)得到了廣泛的應(yīng)用，在科技水平背景下，其未來(lái)的發(fā)展?jié)摿σ草^大。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于全球統(tǒng)一無(wú)需申請(qǐng)的頻段2.4GHz，其協(xié)議是依據(jù)IEEE 802.15.4技術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行了完善和擴(kuò)展而制定的[2]。

整個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)包括溫測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務(wù)器以及用戶終端。溫測(cè)終端實(shí)時(shí)采集和發(fā)送各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)成無(wú)線星型網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)和接收，并與數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行串口通信，普通用戶終端可以通過(guò)HTTP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置監(jiān)控溫測(cè)終端的溫度。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集模塊電路的設(shè)計(jì)

溫度采集模塊電路的控制器為單片機(jī)（型號(hào)為AT89S52），溫度傳感器的型號(hào)為DS18B20，通過(guò)實(shí)踐證明，DS18B20溫度傳感器技術(shù)是最新的總線數(shù)字溫度傳感器，這類傳感器主要是在同一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的變換，直接將數(shù)字信號(hào)輸出，進(jìn)而提升電路的工作效率。由于現(xiàn)場(chǎng)的溫度采取的是“一線總線”的數(shù)字傳輸方式，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)抗干擾性的提升，進(jìn)而提升了CPU的使用效率。將單片機(jī)（型號(hào)為AT89S52）中的PO與8路溫度傳感器相連接，進(jìn)而提升溫度數(shù)據(jù)的采集與應(yīng)用。以此同時(shí)，模塊的RS-232的串行口同RAM建立核心控制模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率傳輸。

2.2 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是利用溫度傳感器DS18B20，為數(shù)字信息溫度傳感器，來(lái)采集溫度信息，CC2530對(duì)溫度信息進(jìn)行初步處理，CC2530芯片中集成的RF射頻天線將初步處理的溫度信息以及發(fā)送端的信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。功能上具有有3個(gè)模塊：溫度采集模塊，微控制模塊，無(wú)線通信模塊[4]。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要功能：接收來(lái)自發(fā)送端的溫度數(shù)據(jù)信息和發(fā)送端的節(jié)點(diǎn)信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，接收端將處理好的信息傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。功能上主要有：無(wú)線通信模塊，微處理模塊，串口通信模塊[5]。

無(wú)線模塊主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無(wú)線收發(fā)電路組成。TTL電平與PC機(jī)的RS232電平并不是兼容的，故在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RS232串口數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MAX232將電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再通過(guò)CC2530無(wú)線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過(guò)程，CC2530先接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，然后經(jīng)MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232的標(biāo)準(zhǔn)電平，再通過(guò)RS232向上位機(jī)輸入數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要包括幾個(gè)方面：各個(gè)節(jié)點(diǎn)中的功能模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括大部分：數(shù)據(jù)采集、通信控制、監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集軟件是在無(wú)線重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)作，主要是將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送，提升信息發(fā)送速度。通信控制軟件的應(yīng)用，需要單片機(jī)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)依據(jù)操作者輸入的指令，開展各項(xiàng)工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，其數(shù)據(jù)傳輸也是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制界面。單片機(jī)的語(yǔ)言編制方式為C語(yǔ)言，在服務(wù)器上運(yùn)行監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)還能夠?qū)ο挛粰C(jī)的提供的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、保存，繪圖、加強(qiáng)信息發(fā)布管理手段。

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

溫濕度采集節(jié)點(diǎn)作為（WiFi）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其主要換工作是檢測(cè)環(huán)境的溫度、濕度，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的保存、處理，進(jìn)而在LED上顯示溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)。若是接收到遠(yuǎn)程服務(wù)器的不同指令，應(yīng)該借助串口，將溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到（Wi-Fi）無(wú)線收發(fā)模塊。還可以設(shè)置濕度、溫度的上限參數(shù)、下限參數(shù)，溫度、濕度采集節(jié)點(diǎn)，能夠和遠(yuǎn)程服務(wù)器TCP/UDP建立通信鏈路，是由（Wi-Fi）無(wú)線收發(fā)模塊自動(dòng)開展工作，通過(guò)科學(xué)配置提升工作質(zhì)量。單片機(jī)（型號(hào)為STM32F10）之所以能夠接收遠(yuǎn)程服務(wù)器上的命令，主要是利用了串口的功能。在整個(gè)軟件開發(fā)中，Keil uvision3是在集成環(huán)境下編寫的，在編寫中應(yīng)用的是模塊化方法。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，服務(wù)器數(shù)據(jù)采取的是集中控制方式，這也是目前應(yīng)用最廣的模式之一。各個(gè)濕度、溫度采集節(jié)點(diǎn)，屬于客戶端在網(wǎng)路分布中的不用位置，通過(guò)借助（Wi-Fi）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的遠(yuǎn)程接收。

本文利用VC++6.0對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)工作，應(yīng)用Socket實(shí)現(xiàn)編程接口，建立WinSock，將Socket描述出來(lái)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)底層的溝通，在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立（Wi-Fi）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。

為了有效解決在使用中多個(gè)客戶端/服務(wù)器通信問題，本文通過(guò)對(duì)比研究，采取的是非阻塞模式，通過(guò)調(diào)用Select函數(shù)，將各類阻塞問題及時(shí)解決。另外，可以借助對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)溫度、濕度參數(shù)分析顯示、采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。整個(gè)系統(tǒng)采用多客戶端/服務(wù)器模式。服務(wù)器程序總體框圖如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊為依據(jù)，設(shè)計(jì)出了基于無(wú)線技術(shù)上的分布式無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借助模塊能夠?qū)ⅲ╓i-Fi）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)時(shí)間縮短，借助數(shù)字溫度、濕度傳感器采集有效的溫度、濕度數(shù)據(jù)，節(jié)約了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。這類系統(tǒng)的接口較為簡(jiǎn)單，且系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，分布式的無(wú)線溫度、濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器還可以接入Internet中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、成本較低、擴(kuò)展性好，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]高守瑋，吳燦陽(yáng)，等.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2009.