基于WiFi和LabVIEW技術的無線數據傳輸與監測設計

史艷紅+葉楊

摘 要：針對測量數據的中短程無線傳輸和監測管理，文中提出了一種基于WiFi和LabVIEW技術的無線數據傳輸與監測設計方案。現場溫濕度數據由DHT11溫濕度傳感器和STC89C52RC單片機構成的檢測單元采集，獲取的溫濕度數據通過單片機串口經專用WiFi無線傳輸模塊發送；遠程主機數據管理采用虛擬儀器軟件LabVIEW開發，通過TCP/IP協議與WiFi模塊實現數據通信并進行數據處理和人機界面編制。經測試，設計方案能準確、可靠的實現數據傳輸與監測管理。本設計提供了在WiFi網絡覆蓋場所實現無線數據傳輸與監測的一種經濟可行的方法。

關鍵詞：單片機；溫濕度測量；WiFi無線通信；LabVIEW；TCP/IP協議

中圖分類號：TP274；TP273；TP31；TP319 文獻標識碼：B 文章編號：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

溫濕度是生產生活中的重要參數，對生產生活活動的正常有效進行具有重要作用。很多情況下我們需要知曉特定區域地點的溫濕度參數，以便對其實施有效觀測與控制。

隨著計算機、通信技術的不斷發展和單片機技術的廣泛應用，與無線數據傳輸技術如無線局域網（Wireless Fidelity，WiFi）、通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）、ZigBee通信和基于虛擬儀器的儀器儀表技術的普及發展，為實現各種大小區域范圍的溫濕度等參數測量、傳輸與監測提供了新的方式方法。當今WiFi網絡日益普及，可有效利用該網絡為中小范圍區域的溫濕度數據測量、傳輸與監測提供便捷途徑。因此，本文提出了基于單片機、WiFi和虛擬儀器軟件LabVIEW技術的無線溫濕度數據傳輸與監測方案，實現了溫濕度數據測量、無線傳輸和遠程監視與管理，為中小區域范圍工農業生產生活場所的關鍵環境參數傳輸與監測提供了成本較低且方便擴展的新模式。

1 系統總體結構設計

無線溫濕度傳輸與監測系統總體結構如圖1所示。

系統由現場STC89C52RC單片機溫濕度測量單元、WiFi無線數據傳輸模塊、基于LabVIEW的監測主機界面管理部分組成。分布在觀測點的測量單元將獲取的溫濕度數據通過單片機串口經WiFi模塊發送，遠程控制室監控主機通過傳輸控制協議/網絡協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）與WiFi模塊通信，利用LabVIEW軟件設計監測管理界面，實現遠程溫濕度數據的無線傳輸與管理等功能。

2 無線數據傳輸設計

數據傳輸分為無線和有線兩種模式。有線數據傳輸穩定性高且傳輸速率比無線高。但隨著IEEE 802.11ac的出現，可提供最高1 Gb/s帶寬，相對于有線網絡傳輸帶寬相差無幾。在中小區域范圍下，IEEE 802.11b/g/n這種通信標準已足夠。無論在設備維護方面還是基于成本的考慮，無線網絡數據傳輸都比有線數據傳輸性價比高。

當前先進的無線通信技術主要有長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術、WiFi技術。兩者最大的差別在于適用場合與傳輸距離不同。LTE技術數據傳輸距離遠，作為數據的發送端，需要許多額外無線傳輸成本，存在公網租用、用戶身份識別卡（Subscriber Identity Module，SIM）等成本，不適合作為大規模監控網絡的傳輸方式。而在中小區域范圍，WiFi網絡配置越來越普及，只需要把WiFi設備帶入生產生活區域，此區域內幾乎所有的地方都能收到設備發出的WiFi信號。因此可以采用WiFi無線傳輸模式作為數據監控網絡傳輸方式。

2.1 單片機數據傳輸設計

單片機通過串口與WiFi模塊相連，將待傳輸數據發送至串口，再經由WiFi模塊轉換實現無線傳輸。

本文采用的WiFi模塊型號為USR-WIFI232-602，WiFi串口服務器提供串口轉WiFi功能，可將RS-232串口轉換為TCP/IP網絡協議接口，實現 RS-232串口的WiFi數據雙向透明傳輸。USR-WIFI232-602模塊有接入點（Access Point，AP）、Station和AP與Station組合三種網絡模式，透明傳輸、串口指令、HTTPD Client三種工作模式。文中選用AP網絡模式、透明傳輸工作模式作為無線AP裝置，監控主機作為TCP Server與單片機單元進行無線通信。單片機工作在串行通信方式1下，波特率為9 600 b/s。在單片機發送數據過程中，將要發送的數據分成字節逐個發送出去，接收端收到數據后獲得一個字符串，即傳遞的內容[1-3]。

2.2 LabVIEW TCP通信

TCP/IP作為網絡通信的標準，是當今使用最多的協議。TCP采用網絡服務器與客戶端的方式通信。服務器應用程序負責向客戶端發送數據或從客戶端讀取數據，客戶端應用程序同樣可以從服務器應用程序中獲取數據或向服務器發送請求，無論是服務器還是客戶端，都可以進行雙向發送與接收。兩者的主要區別在于服務器一方可以向多個客戶端提供服務。在LabVIEW中，TCP通信的過程如下：

（1）服務器端通過主機名或IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。

（2）客戶端根據主機的IP地址和端口號發送連接請求，待服務器與客戶端建立連接后，通過讀寫函數就可以進行TCP數據通信。TCP通信方式分為兩種，即以字節流數據包的方式發送和接收數據與發送和接收字符串，這種通信方式與串口通信相似，也是最常被使用的通信方式。

溫濕度遠程數據通信是基于TCP/IP協議的數據傳輸，TCP通信采用發送和接收字符串的通信方式。單片機單元處理的溫濕度數據經串口通過WiFi模塊發送，WiFi模塊采用AP+CLIENT工作模式。在AP模式下，WiFi模塊每次發送的IP地址都會隨機變化，不能直接監聽其IP地址，但其端口號不變，因此可通過端口函數監聽獲取其IP地址。獲取地址后， 從單片機發送的字符串就可以通過讀取TCP函數獲得，為后續的數據處理做好準備。關鍵的地址監聽與數據獲取LabVIEW框圖程序如圖2所示。

3 主機LabVIEW監測管理設計

基于LabVIEW的上位機監測程序主要實現如下功能：

（1）無線數據接收：通過TCP/IP協議接收經WiFi模塊傳輸的溫濕度測量數據。

（2）溫濕度顯示：識別并提取溫濕度測量值，分別由溫濕度顯示框和波形圖顯示。

（3）溫濕度超限報警：當溫濕度測量值超限時，以不同顏色點亮報警燈警示。

（4）溫濕度報警閾值設置：設置溫濕度報警限值。

（5）歷史數據和故障數據記錄存儲。

在準確獲取WiFi模塊傳輸的溫濕度數據后，便可進行數據分析處理和管理。主機監測前面板界面如圖3所示。界面監測管理具有監測啟停控制、溫濕度數據自動采集和顯示、溫濕度限值參數設置、歷史溫濕度曲線實時顯示及主動記錄溫濕度歷史數據到Excel表格和自動記錄越限溫濕度報警數據與報警時間到Excel表格文件以備查詢等功能。

主機監測部分的數據處理LabVIEW框圖程序如圖4所示。即在此基礎上實現數據管理，如采集控制、數據顯示、故障報警、歷史數據、故障數據的存儲記錄查詢等[4-9]。

4 結 語

本文提出了一種基于WiFi和LabVIEW技術的無線數據傳輸與監測方案，以溫濕度測量與監測為例，實現中短距離范圍內的信息采集和傳輸管理。該方案將本地單片機單元的采集測量數據經串口由WiFi模塊發送進行無線傳輸，主機采用LabVIEW技術通過TCP/IP協議與單片機通信，實現數據接收。實驗結果表明，系統能準確、可靠的實現溫濕度數據的無線傳輸及處理、管理，是一種經濟可行的中短距離無線數據傳輸和監測方案。

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