基于WIFI的無線溫度傳感器設計

祝 娜，王長建，張靜

（長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023）

0 前言

科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術——傳感器技術，也得到極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless sensor networks，WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術為人們提供一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。WSN所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括電磁、溫度、濕度、壓力、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象[1]。WIFI的全稱是Wireless Fidelity(無線保真技術)，又叫802.11b標準。它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達到11Mbit/s，另外它的有效距離也很長，同時與已有的各種802.11DSSS設備兼容。伴隨著Intel公司提出的筆記本電腦芯片組—“迅馳”被越來越多的人認可，這一技術也逐漸成為大家關注的話題。不過自2005年底開始，很多手機廠商，特別是以生產(chǎn)智能手機為主的品牌便開始將WIFI[2,6-7]引入自己的產(chǎn)品當中。文獻[2]認為可以利用海量的環(huán)境數(shù)據(jù)和隨機性數(shù)據(jù)研究的方法，避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞；文獻[3]通過對礦山的工況分析，提出一種基于WIFI對礦山進行安全檢測的系統(tǒng)設計方法和實現(xiàn)途徑；文獻[4]將WIFI信號與監(jiān)測形式相結合，提出一種無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計方法；文獻[5]設計一種利用WIFI對溫室群的多節(jié)點數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)姆椒āＲ陨涎芯烤轻槍唧w工作環(huán)境的研究，都沒有針對某一具體物理量的系統(tǒng)設計。本文作者以溫度為設計參量，提出一種基于WIFI通訊技術的溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案設計，該方案具有普遍適用性，可根據(jù)功能需求適當調整。

1 方案設計

系統(tǒng)主要功能是對采集點進行溫度監(jiān)測，通過由單片機和溫度傳感器等組成的采集終端進行采集，并及時地傳送給遠程服務器。為滿足溫度監(jiān)測網(wǎng)絡化、智能化的需求，該系統(tǒng)需具備以下功能：

（1）下位機能夠快速地、準確地采集和顯示溫度信息；

（2）下位機能夠將溫度數(shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)絡發(fā)送到遠程服務器；

（3）下位機能夠對于超過規(guī)定范圍的溫度值進行聲光報警；

（4）上位機可以實時地顯示溫度信息，溫度的上下限可以手動設置，當溫度不在規(guī)定范圍的溫度值時，上位機上有指示燈顯示，方便工作人員觀察；

（5）服務器可以發(fā)送控制命令對單片機外圍電路進行控制；

（6）系統(tǒng)可以實現(xiàn)多點采集、處理和管理功能。

溫度監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能要通過軟件來實現(xiàn)，軟件程序的正確與否直接關系到系統(tǒng)能否準確地測量及顯示溫度值。需要設計溫度顯示子程序、溫度報警子程序上位機軟件。其主要包含如下功能。

（1）溫度信息采集功能。PT100傳感器和單片機能夠共同工作采集溫度信息。

（2）報警功能。上位機中手動設定溫度的上限值和下限值，一定得有手動設置的功能，這樣軟件的實用性才廣。上位機有3種信號燈，來顯示每個采集點的正常、低溫和高溫，當溫度高于上限值或低于下限值時，信號燈顯示，而且從信號燈可以判斷是哪個采集點出現(xiàn)問題，然后向單片機發(fā)送報警命令，并且可以實現(xiàn)聲光報警。

（3）無線通信功能。無線通信功能是由WIF1232-B模塊實現(xiàn)的，單片機發(fā)送溫度信息時，WIF1232-B模塊從USART串口接收信息，通過網(wǎng)絡傳給上位機。該模塊的TCP通信協(xié)議，是由WIF1232-B模塊通過配置后自動完成的。在程序編寫時，單片機把WIF1232-B模塊當成一個串口設備進行控制。

（4）LCD液晶顯示功能。液晶顯示屏上顯示溫度信息，方便工作人員查看。

由上述功能分析得到的軟件總體設計方案如圖1所示。

2 方案主要子模塊設計

2.1 溫度報警子程序設計

溫度測量系統(tǒng)有聲光報警的功能，系統(tǒng)一直在對當前檢測到的溫度值與設置好的溫度允許值相比較，若檢測到的溫度值超過設置好的溫度允許值，系統(tǒng)會啟動報警功能，報警功能包括蜂鳴器的聲音報警和LED燈的燈光報警；否則系統(tǒng)不會啟動報警功能。如圖2所示。

圖2 溫度報警子程序流程圖

2.2 上位機監(jiān)測程序的設計

采用Visual Basic 6.0來編寫監(jiān)測程序，VB可視化應用程序開發(fā)工具，功能很強大，內部含有WinSock控件，建立WinSock描述字Socket，客戶端與服務器利用TCP/IP協(xié)議在無線網(wǎng)絡上建立數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)設計利用的是TCP協(xié)議，其通信流程圖如圖3所示。

圖3 服務器與客戶端通信流程圖

當客戶端向服務器發(fā)出連接請求時，如果服務器的WinSock控件的狀態(tài)目前不是處于關閉的狀態(tài)時，服務器允許遠程設備連接時，必須要關閉目前的控制運行，允許遠程設備使用必要的識別碼（Requestid）與主機進行連接，服務器接收識別碼之后，其實還有一個服務器向客戶端回應的過程，所以圖3中使用了一個雙向箭頭。系統(tǒng)中3個模塊全是客戶端，由于模塊的特點，當模塊參數(shù)配置好之后，在通信的時候，服務器處于監(jiān)聽的狀態(tài)，模塊一旦工作便會自動連接，不需要向服務器發(fā)出請求。

3 仿真實驗

3.1 電壓基準源電路的仿真測試

在仿真軟件中，假定目標需要輸出電壓為4.5 V左右，則由硬件設計分析可以得到電阻R2＜500Ω，假定R2=50Ω，調節(jié)RV2電位器，得到了基準電壓V=4.296 83 V，如圖4所示。

圖4 電壓基準源電路仿真測試

3.2 恒流源電路的仿真測試

由于文中所用的Proteus仿真軟件中沒有PT100溫度傳感器元件，所以為了調試方便把100Ω的電阻看作PT100電阻，通過仿真軟件調試得到了恒流源電流值I=0.96 mA而且確定了R3=4 kΩ。如圖5所示。

圖5 恒流源電路仿真測試

設計及調試注意點：

（1）等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)熱造成測量溫度不準確，試驗證明，電流大于1.5 mA將會有較明顯的影響。

（2）運放采用單一5 V供電，如果測量的溫度波動比較大，將運放的供電改為±15 V雙電源供電會有較大改善。

3.3 電壓放大電路的仿真測試

根據(jù)硬件設計中設計的元件的參數(shù)，放大倍數(shù)為10倍。經(jīng)過仿真輸出電壓等于1 V，則可以得到測量的PT100阻值在100Ω附近，與實驗預期相符合，如圖6所示。

3.4 仿真結果

圖6 電壓放大電路仿真測試

實驗之前對WIFI模塊進行相關配置。WIFI232模塊上電起動后，會根據(jù)用戶預先設置好的參數(shù)，自動連接無線網(wǎng)絡及服務器，并且進入設置的工作模式，按預設的串口參數(shù)打開串口。用戶需要預設的參數(shù)有：工作模式、無線網(wǎng)絡參數(shù)、默認TCP/UDP連接參數(shù)、串口參數(shù)。WIFI模塊正常啟動后，打開PC連接WIFI2模塊的熱點，打開上位機軟件，在程序中設置好各個模塊的地址，點擊監(jiān)聽按鈕，服務器與客戶端就可以正常通信，各部分工作正常。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能滿足設計需求，上位機測試軟件能正確采集到采集節(jié)點的溫度值，并且可以實現(xiàn)多點采集，上位機可以對下位機發(fā)送命令，執(zhí)行相關操作。

4 總結

本文作者將溫度作為設計參量，提出基于WIFI網(wǎng)絡的測溫方法，并且對設計中采用的核心技術、軟硬件以及測試過程和結果進行詳細的介紹；利用VB編寫監(jiān)測程序，對于需要對溫度進行嚴格監(jiān)測，而工作人員又不便出現(xiàn)的工況，該設計具有較強優(yōu)越性。