如何利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線溫度傳感器設(shè)計(jì)?
發(fā)布時(shí)間:2015-03-09 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,無線傳感器技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用是對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。本文詳細(xì)介紹了一種基于WiFi技術(shù)的無線溫度傳感器設(shè)計(jì),描述了其工作原理、設(shè)計(jì)方案和使用情況。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天 以及海洋開發(fā)和探索等各個(gè)領(lǐng)域中,并解決了很多工程問題。下方將介紹無線傳感器技術(shù)在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要由無線Wi-Fi傳感器模塊、接收計(jì)算機(jī)組成。其核心部分是Wi-Fi無線傳輸模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)模塊直接和溫度傳感器節(jié)點(diǎn)相連接, 通過Wi-Fi把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。為了更方便地處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)程序。
2.硬件設(shè)計(jì)
2.1 AX22001微處理器
本設(shè)計(jì)采用AX22001微處理器,AX22001是一款帶有TCP/IP和802.11 WLAN MAC/基帶的單芯片網(wǎng)絡(luò)芯片,具有高效雙CPU架構(gòu)及用于程序存儲(chǔ)的1MB共享內(nèi)存,內(nèi)嵌用于主處理器(MCPU)的64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及用于Wi-Fi 處理器(WCPU)的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,內(nèi)建TCP/IP加速器,符合802.11a/b/g的規(guī)范的MAC/基帶,高速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外圍設(shè)備,可用于各類需要接入有線/無線局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。
2.2 DS18B20
DS18B20是一款支持單總線接口的數(shù)字式溫度傳感器,它能夠直接讀取被測(cè)物的溫度值??梢赃m應(yīng)不同的環(huán)境需求,其測(cè)量范圍在-55℃~+125℃, 最高分辨率為0.0625℃,具有很強(qiáng)的抗干擾能力,讀取和寫入僅需要一根總線。DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)資源有ROM只讀存儲(chǔ)器和RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ROM 只讀存儲(chǔ)器,用于存放ID編碼,其共9個(gè)字節(jié)RAM。第1、2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息,第3和第4字節(jié)是高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器的易失性拷貝,第5 個(gè)字節(jié)為配置寄存器,它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率,DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值,可以設(shè)置為9、10、11、12位分辨率。9位時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms,而十二位時(shí)需要 750ms。
2.3 溫度采集單元設(shè)計(jì)
溫度采集單元主要有傳感器、處理器和電源組成,傳感器18B20負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)溫度信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將溫度的傳感器信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字信息,供處理器AX22001進(jìn)行處理。其原理圖如圖1所示,其中ANT_SEL引腳接天線,用來傳送無線信號(hào)。
圖1:原理圖
3.軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用將Wi-Fi模塊配置成UDP客戶端的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。編程步驟:
(1)初始化。從命令行參數(shù)讀取IP地址,并判斷IP地址是否符合要求。
(2)建立一個(gè)UDP socket。
(3)建立與服務(wù)程序的連接。與TCP協(xié)議不同,UDP并沒有與服務(wù)程序三次握手。使用連接的UDP,kernel可以直接返回錯(cuò)誤信息給用戶程序,從而避免由于沒有接收到數(shù)據(jù)而導(dǎo)致調(diào)用recvfrom()一直等待下去。
(4)向服務(wù)程序發(fā)送數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)直接從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取用戶輸入。
(5)接收服務(wù)程序發(fā)回的數(shù)據(jù)。
(6)處理接收到的數(shù)據(jù),這里是直接輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出上。該程序流程圖如圖2(a)所示。
根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議,主機(jī)(單片機(jī))控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟:每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作,復(fù) 位成功后發(fā)送一條ROM指令,最后發(fā)送RAM指令,這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。該流程框圖如圖2(b)所示。
圖2:程序流程圖
4.系統(tǒng)測(cè)試
本系統(tǒng)對(duì)一個(gè)溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試,得到的結(jié)果和溫度及所測(cè)的結(jié)果非常接近,但是其比溫度計(jì)的靈敏度和分辨率要高很多。另外系統(tǒng)工作也非常穩(wěn)定,環(huán)境的影響也很小。圖3是測(cè)試的結(jié)果,其中20℃的時(shí)候?yàn)槭覝?,溫度升高是由于用手觸摸傳感器所致。
圖3:測(cè)試結(jié)果
5.結(jié)論
近年來,藍(lán)牙、Zigbee技術(shù)作為比較成熟的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用,但是數(shù)據(jù)傳輸距離短,速率低,部分地方結(jié)網(wǎng)困難。然而,隨著Wi- Fi(Wireless Fidelity,無線保真)技術(shù)的迅速推廣,在眾多短距離無線組網(wǎng)技術(shù)中,基于Wi-Fi的WLAN解決方案是一種必然的趨勢(shì)。Wi-Fi具有傳輸速率快,不需要布線,結(jié)網(wǎng)方便,適合實(shí)際環(huán)境封閉、危險(xiǎn)測(cè)量困難或者對(duì)實(shí)時(shí)溫度要求比較高的的地方等優(yōu)點(diǎn)。
該設(shè)計(jì)還具有良好的可擴(kuò)展性,如測(cè)量濕度,還可以增加攝像頭,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖象乃至視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、上傳。
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