李木國，吳鎮(zhèn)曦，褚曉安

(大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024)

0 引言

隨著WiFi無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，使用不斷普及，以其傳輸可靠性強、速率高、傳輸距離遠和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點［1］，使得WiFi的應用技術(shù)已經(jīng)滲透到了工業(yè)控制領(lǐng)域。WiFi的通信距離最高可以達到300米，如果使用天線技術(shù)可以達到1 000米。

WiFi技術(shù)一般采用的是 2.4 GHz的頻段，基于IEEE802.11標準。

在當今的工業(yè)現(xiàn)場中，數(shù)據(jù)采集量與傳輸數(shù)據(jù)較多，對傳輸速率和距離有一定的要求，相比于紅外傳輸、藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)，WiFi無線通信技術(shù)擁有其獨特的優(yōu)點，可以很好的滿足某些系統(tǒng)設計的要求。如今，現(xiàn)代測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是將無線網(wǎng)絡技術(shù)盡可能取代傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡技術(shù)，這也推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)由于現(xiàn)場布線繁雜、硬件成本較高、組網(wǎng)不易施工等缺點。針對這些問題，本文提出了一種基于WiFi的無線浪高采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機作為從站的處理核心，再結(jié)合TCP/IP技術(shù)將數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi無線網(wǎng)絡發(fā)送到系統(tǒng)主站，在系統(tǒng)主站軟件當中動態(tài)顯示和分析數(shù)據(jù)，具有一定的應用價值。

1 系統(tǒng)整體方案的設計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于WiFi的無線浪高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。一臺主站PC機，處理無線模塊的數(shù)據(jù)信號;多個下位機，每個下位機的浪高傳感器連接相應的無線WiFi模塊和存儲芯片。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)當中需要配置無線路由器或者無線AP站點，作為無線接入點。在系統(tǒng)上位機與下位機之間使用Socket技術(shù)和TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)上位機與下位機之間構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)，上位機作為服務器端處理作為客戶端的下位機傳來的數(shù)據(jù)。在實際應用中，由于單個試驗需要多只波浪傳感器，這給實時無線數(shù)據(jù)傳輸造成較大的壓力，為了保證數(shù)據(jù)準確可靠傳輸，當實時采集數(shù)據(jù)時，指定一臺下位機反饋數(shù)據(jù)，其他下位機把采集的數(shù)據(jù)保存到存儲芯片中。試驗完成后，上位機作為服務端同時處理多個下位機 (客戶端)存儲芯片中的數(shù)據(jù)［2］。

1.2 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

下位機硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。首先，各個下位機接收來自與自己相連的浪高傳感器的電壓信號。浪高傳感器得到的電壓信號是非常微弱而且不斷變化的模擬量，還經(jīng)常伴隨著一定的干擾。為了使得到的電壓模擬信號達到AD轉(zhuǎn)換器的滿量程，要將得到的電壓模擬信號進行偏置放大和低通濾波處理。運算放大器和低通濾波器選用美國AD公司的AD8512芯片，它是一款單片集成及雙運放的芯片，具有超低失調(diào)、零漂移、超低偏置電流的特性。它的一個運算放大器被設計成電壓偏置放大電路，另一個運算放大器被設計成二階低通濾波電路。

經(jīng)過電壓偏置、放大、低通濾波處理之后的信號經(jīng)過PIC24單片機內(nèi)部自帶的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬信號的采集，然后把采集的數(shù)據(jù)通過SPI1模塊傳送給存儲芯片［3］。當上位機通過無線模塊向指定的單片機發(fā)送中斷請求時，PIC24單片機響應此中斷，此時單片機開始讀取數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量通過無線WiFi模塊的串口自動成幀并進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后通過SPI2模塊向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

考慮到開發(fā)成本和效率，選擇了美國Microchip公司的PIC單片機，型號為PIC24FJ256GA106。PIC24系列單片機精簡指令集RICS、哈佛雙總線和兩級指令流水結(jié)構(gòu)。它具有速度快、功耗低、工作電壓低等特點。PIC24單片機作為WiFi模塊的控制器，一方面通過SPI總線控制存儲芯片，另一方面需要把轉(zhuǎn)換之后的10位數(shù)字量通過WiFi模塊傳送給主機。無線WiFi模塊和上位機服務器之間通過TCP協(xié)議進行傳輸。TCP協(xié)議又稱為傳輸控制協(xié)議，使用三次握手建立連接，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

WiFi模塊要在使用之前，設定模塊協(xié)議類型、服務器地址、端口號、波特率，保證每一個WiFi模塊都可以可靠地與固定IP地址的上位機相連接。上位機系統(tǒng)通過TCP/IP的方式接收無線模塊發(fā)送來的浪高。數(shù)據(jù)［4］。

圖2 下位機硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

整個硬件電路中需要+3.3 V以及±5 V的電源，由于下位機硬件電路采用電池供電，考慮到電池的電量消耗，選擇使用+12 V的電源供電［5］。每一個從站都需要一個電源，在從站中首先使用穩(wěn)壓芯片L5973D將+12 V轉(zhuǎn)換成+5 V，在使用穩(wěn)壓芯片AS1117－3.3將+5 V轉(zhuǎn)換成+3.3 V，同時還要使用電荷泵反相器CAT600將+5 V轉(zhuǎn)換成－5 V。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)從站硬件主要包括3個功能模塊，分別為電容式浪高傳感器、無線WiFi模塊和存儲模塊電路。

2.1 電容式浪高傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

電容式浪高傳感器其結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示主要由一根漆包線和一個弓形的鋼片組成，在弓形鋼片上還需要預留下接線座和安裝孔［6］。其中漆包線的直徑為1 mm，長為0.5 m，與弓形的鋼片構(gòu)成一個電容器，其電容大小為:

其中:Cx為電容器電容量，ε為電容介電常數(shù)，S為漆包線右半部外表面積，d為漆包線與鋼片間的距離。

圖3 電容式浪高傳感器結(jié)構(gòu)圖

如果將傳感器的一部分沒入水中，此時傳感器的電容大小就變成了兩個不同介質(zhì)系數(shù)的電容并聯(lián)之后的值，即:

S1為沒入水中漆包線右半部分外表面積，S2為水面上段漆包線右半部分外表面積，ε1為水的介電常數(shù)，ε2為空氣介電常數(shù)。由于ε1遠大于ε2，所以公式 (2)中的第二項可以忽略，則可以寫成:

O為漆包線的直徑，Hx為浪高傳感器浸入水中的長度，對于浪高傳感器來說K為常數(shù)，所以浪高傳感器的電容大小與沒入水中的傳感器長度是成正比的。當浪高發(fā)生變化的時候就會引起電容傳感器沒入水中長度的變化，從而也導致了電容式浪高傳感器電容大小的變化。

2.2 無線傳輸模塊

無線WiFi模塊選用紅心物聯(lián)HX－M02 WiFi無線透傳模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。其尺寸大小為37×23 mm。工作電壓為3.3 V±0.3，工作電流為170 mA接口速率為1200`460800 bps。

微處理器和WiFi模塊都支持UART和SPI通信總線。UART是異步收發(fā)傳輸，是一種串行數(shù)據(jù)總線。SPI是一種高速的，全雙工同步的通信總線［7］。

如表1所示，SPI通信速率快于UART，而且可以實現(xiàn)全雙工的發(fā)送與接收，所以選用SPI接口作為微處理器與無線WiFi模塊的通信接口。

表1 通信速率對比

WiFi模塊采用SPI串行數(shù)據(jù)接口，通訊速率可達44 KBytes，可以大大的提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。由于PIC單片機與WiFi模塊之間存在雙向的數(shù)據(jù)通信，所以這里采用三線制的SPI通信模式實現(xiàn)WiFi無線模塊與PIC單片機過程數(shù)據(jù)通信。PIC單片機作為SPI主機使用第二個SPI模塊與無線模塊相連，而無線模塊作為從機［8］。PIC單片機和無線WiFi模塊HX－M02連接方式，如圖4所示。

圖4 單片機與WiFi模塊接口電路圖

單片機的RD8被配置成數(shù)字量輸出與WiFi無線模塊SPI_CS相連，用于傳輸片選信號，低電平有效。單片機SPI2模塊的SCK2與無線模塊的SPI_SCK相連，提供SPI的位移時鐘信號。單片機的SPI2模塊的串行數(shù)據(jù)輸出與SDO2與無線模塊SPI_SI相連，用于向無線模塊輸出SPI的串行數(shù)據(jù)。單片機SPI2模塊的串行數(shù)據(jù)輸入SDI2與無線模塊SPI_SO相連，用于接收WiFi模塊輸出的SPI串行數(shù)據(jù)。單片機的RD10被配置成數(shù)字量輸入與WiFi模塊的SPI_INT相連，用于接收無線模塊的SPI中斷信號，低電平有效。

2.3 存儲模塊的設計

為了實現(xiàn)試驗過程數(shù)據(jù)采集存儲，選用winbond公司的Flash芯片W25Q64來存儲數(shù)據(jù)。該芯片大小為8 Mbyte，每頁最大字節(jié)數(shù)為256字節(jié)，支持標準、雙輸出和四輸出的SPI三種工作方式，工作電壓3.3 V，具有較低的功耗［9］。W25Q64設計電路圖如圖5所示。

圖5 W25Q64設計電路圖

芯片工作時，CS引腳拉低，操作完畢后再將CS引腳拉高。電源VCC端通過一個0.1 μF的陶瓷電容進行噪聲濾波。HOLD引腳拉高，設備正常運行。WP是寫保護端，用來防止狀態(tài)寄存器被寫入。所以，將HOLD引腳與WP引腳直接與VCC端相連。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 上位機軟件的功能與結(jié)構(gòu)

根據(jù)上位機的特點，采用多線程技術(shù)來編寫上位機軟件。上位機功能模塊包括發(fā)送和解析數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示，這3個上位機功能模塊獨立運行。

當單通道實時采集數(shù)據(jù)時，多個線程的程序同時運行，操作系統(tǒng)為每一個線程分配不同的CPU時間片。CPU只執(zhí)行一個時間片內(nèi)的線程，多個時間片中的線程在CPU內(nèi)輪流執(zhí)行，由于時間非常短。在宏觀上，每個線程好像是并行執(zhí)行。

上位機軟件使用C++語言來描寫，軟件程序流程圖如圖6所示。把數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示這3個功能模塊分別放到一個線程中去執(zhí)行，利用多線程技術(shù)來保證各個功能的并行執(zhí)行。

圖6 上位機軟件程序流程圖

3.2 下位機軟件程序的設計

下位機軟件程序指的是PIC單片機里面的程序。整個下位機采集單元由無線WiFi模塊、運算放大器、AD轉(zhuǎn)換、存儲芯片、電源芯片和PIC單片機組成。除了運算放大器和電源芯片以外，其它部分都需要單片機的控制才能正常工作，所以單片機的軟件設計是整個軟件環(huán)節(jié)的重要組成部分［10］。圖7所示的是單片機主程序流程圖。

圖7 PIC單片機主程序流程圖

本系統(tǒng)采用C語言來實現(xiàn)單片機的控制代碼。從模塊化的角度把程序分成3個模塊:單片機主程序模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、SPI串行通信模塊。單片機主程序模塊是一個順序執(zhí)行的循環(huán)程序，實現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理和單片機系統(tǒng)初始化。AD轉(zhuǎn)換模塊是利用PIC24FJGA106芯片內(nèi)部自帶的10位高速16通道A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬數(shù)據(jù)的采集，當接收到上位機中斷指令時，開始對模擬數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換。PIC24單片機可以集成出3個SPI模塊，這里我們使用兩個，分別與WiFi模塊和存儲芯片通信。

4 實驗結(jié)果與分析

為驗證本文設計的無線浪高傳感器的實際性能，利用實驗水槽一端的造波機模擬波浪環(huán)境。每一個下位機都接上一個浪高傳感器，將20個浪高傳感器放置于水槽的不同位置，一臺路由器作為AP接入點，一臺PC機作為主站。在實驗水池中，利用造波機產(chǎn)生波高為40 mm，周期為1 s的規(guī)則波。選定1號從站通過無線模塊實時采集和上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的采樣周期為20 ms。圖8位上位機軟件上顯示的實時浪高曲線，由圖可知浪高曲線光滑，數(shù)據(jù)點均勻分布。

圖8 單通道實時浪高曲線

實驗結(jié)束后，其余下位機存儲器保存的數(shù)據(jù)上傳到上位機。通過上位機軟件進行數(shù)據(jù)回放和分析，圖9顯示3、9、13號從站的數(shù)據(jù)回放。主站PC機存儲10 000組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)丟失率不到0.1%。在WiFi熱點覆蓋范圍之內(nèi)，實驗達到了預期的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與準確性。

圖9 回放浪高曲線

5 結(jié)束語

WiFi網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸由于其傳輸速度快、可靠性高、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)成本低，將會是未來無線數(shù)據(jù)采集的發(fā)展趨勢?；赪iFi的無線浪高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)還原為了實際浪高值，取得了預期的效果。但是，在以后的實際應用中，如何實現(xiàn)多通道實時上傳數(shù)據(jù)，提高傳輸速率，保證不丟幀傳輸，是面臨的一個重要問題。