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基于单片机和WiFi的无线温湿度检测节点设计

作者:时间:2014-07-11来源:网络

  摘要:基于温湿度传感器、单片机和模块设计了一种无线温湿度检测节点。介绍了及其通信协议、模块及其组网特性等,并且给出了读取数据的软件流程。经测试,该节点通信距离远,组网灵活,可很好地应用于粮库粮情检测等实际工作环境。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/249571.htm

  引言

  随着无线通信、嵌入式系统以及网络等技术的快速发展,无线传感器网络在军事和环境监测等领域得到了广泛的应用。它由部署在检测区域内的大量廉价的微型传感器网络节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,用以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。

  这是一种全新的信息获取技术,在无线传感器网络中常用的无线通信技术包括蓝牙、、ZigBee等。其中,蓝牙技术协议复杂、开发成本高;ZigBee通信距离较短。而WiFi技术具有传输速率高、覆盖范围广、组网成本低、与Internet网络无缝连接等优点,在通信距离等方面与其他无线通信技术相比具有显著的优势,这使得该技术在温湿度检测领域应用中具有明显优势。

  本文结合无线传感器网络的设计思想,设计了一种基于WiFi技术的温湿度实时检测终端节点。

  1 节点硬件设计

  节点硬件电路如图1所示。硬件结构由数字温湿度传感器、WiFi通信模块和单片机三个模块组成。

  

 

  1.1 AM2303温湿度传感器

  本设计采用的数字温湿度传感器为广州奥松电子有限公司生产的AM2303温湿度传感器。它是一款新型单总线传感器,其内部包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件。温度测量范围为-40~+80℃,精度为±0.3℃;湿度测量范围为0~99.9%RH,精度为±2%RH(25℃)。

  相比市场上常见的SHT1x系列温湿度传感器,AM2303具有价格低、算法简单等优点,并且具有低功耗、自动化校准、传输距离远等特点。

  1.1.1 引脚说明

  AM2303引出3个引脚。其中,VDD、GND为电源引脚,供电3.5~5.5 V;SDA为数据线,用于与单片机进行通信。SDA引脚为三态结构,用于读、写传感器数据。

  1.1.2 通信协议

  AM2303具体通信时序图如图2所示。采用简化的单总线通信,节点对AM2303的控制和数据交换均由数据线完成。数据线一次传送40位温湿度数据,高位先出。

  

 

  单片机向AM2303发送一次起始信号(图中粗线所示区域)后,AM2303从休眠模式转换到高速模式并发送响应信号,从数据线SDA串行送出检测到的温湿度数据,发送数据结束触发一次信息采集,采集结束传感器自动转入休眠模式,直到下一次通信来临。具体通信协议描述如下:

  ①单片机向AM2303发送起始信号,将数据线SDA拉低一段时间(至少800μs),然后释放数据线,侦听AM2303送出的响应信号。

  ②AM2303发出响应信号,将数据线SDA拉低80μs,再拉高80μs作为响应信号响应单片机。

  ③AM2303通过数据线SDA串行输出40位数据,高位先出,发送的数据依次为湿度高8位、湿度低8位、温度高8位、温度低8位和8位校验位。AM2303传出的湿度和温度值是实际湿度和温度值的10倍,温度最高位(位15)为符号位,置“1”表示负温度,置“0”表示正温度;温度低15位(位14~位0)表示温度值。校验位为湿度高位、湿度低位、温度高位和温度低位之和。

  ④AM2303的数据线SDA输出40位数据后,继续输出50μs低电平,然后转为输入状态。由于上拉电阻作用,数据线变为高电子。AM2303内部再次测量温湿度数据,并记录数据,等待单片机再次发送起始信号。

  1.1.3 位数据格式

  位数据“0”、位数据“1”格式信号如图3所示。AM2303发送完响应信号之后,由数据线SDA连续串行输出40位数据。位数据“0”的格式为50μs的低电平加26~28μs的高电平。位数据“1”的格式为50 μs的低电平加70us的高电平。

  

 

  1.2 WiFi通信模块

  本设计采用的WiFi通信模块为有人科技有限公司生产的超低功耗嵌入式WiFi模组(USR-WiFi232-G)。该模块提供了一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上,并提供UART串口等接口传输数据的解决方案,提供了一体化的801.11/b/g/n WiFi的低功耗解决方案。USR-WiFi232-G是一款集成了所有WiFi功能的模块,采用表贴封装,配备有内置PCB天线、外置天线连接器。采用FCC/CE标准认证,频率范围为2.412~2.484 GHz,工作电压范围为3.6~3.1 V,在-40~85℃环境内可正常工作,使用内置天线时信号传输距离可达到150m,使用外置天线时则可达400 m。

  1.2.1 WiFi无线组网

  USR-WiFi232-G支持无线组网功能,既可以作为无线接入点(AP)实现无线网络的中心节点功能,也可以作为无线站点(STA)实现无线网络终端功能。

  利用USR-WiFi232-G组网有基于AP的组网和基于AP+STA共存的组网两种方式。基于AP的无线组网是一种基本的组网方式,由一个AP和多个STA组成,AP处于中心地位,多个STA之间通过AP转发完成相互通信。USR-WiFi232-G支持基于AP+STA共存的组网方式,即模块可同时支持一个AP接口和一个STA接口,如图4所示。模块的STA接口可以与路由器相连,并通过TCP连接与网络中的服务器相连,由此可通过互联网实现远程通信。同时模块上的AP接口也是可用的,智能手机或PAD等可直接连接到AP接口上,控制串口设备或模块与设备进行通信。这种无线组网模式为用户的使用提供了更大的灵活性。

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关键词: STC15F104W WiFi AM2303

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