基于單片機(jī)和WiFi的無線溫濕度檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
摘要:基于AM2303溫濕度傳感器、STC15F104W單片機(jī)和WiFi模塊設(shè)計(jì)了一種無線溫濕度檢測節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)通信距離遠(yuǎn),組網(wǎng)靈活,可很好地應(yīng)用于糧庫糧情檢測等實(shí)際工作環(huán)境。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/249571.htm引言
隨著無線通信、嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(luò)節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),用以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)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(luò)中常用的無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等。其中,藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議復(fù)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(luò)無縫連接等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。
本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了一種基于WiFi技術(shù)的溫濕度實(shí)時檢測終端節(jié)點(diǎn)。
1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)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(jī)三個模塊組成。
1.1 AM2303溫濕度傳感器
本設(shè)計(jì)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(diǎn),并且具有低功耗、自動化校準(zhǔn)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。
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(jī)STC15F104W進(jìn)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(diǎn)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(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)信號。
②AM2303發(fā)出響應(yīng)信號,將數(shù)據(jù)線SDA拉低80μs,再拉高80μs作為響應(yīng)信號響應(yīng)單片機(jī)。
③AM2303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(yàn)位。AM2303傳出的濕度和溫度值是實(shí)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(fù)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(yàn)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)楦唠娮印M2303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(jī)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(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(dá)到150m,使用外置天線時則可達(dá)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(diǎn)(AP)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)功能,也可以作為無線站點(diǎn)(STA)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)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?;贏P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(luò)中的服務(wù)器相連,由此可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。同時模塊上的AP接口也是可用的,智能手機(jī)或PAD等可直接連接到AP接口上,控制串口設(shè)備或模塊與設(shè)備進(jìn)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。
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