基于WiFi技术的无线温度传感器设计

        1.概述
随着无线传感器网络技术的不断发展，它已经被广泛应用到工业、农业、医疗、航空航天以及海洋开发和探索等各个领域中，并解决了很多工程问题。在工农业领域，无线传感器技术的一项重要应用是对环境温度的监测，本文介绍了一种基于WiFi技术的无线温度传感器，描述了其工作原理、设计方案和使用情况。
2.系统结构
本系统主要由无线Wi-Fi传感器模块、接收计算机组成。其核心部分是Wi-Fi无线传输模块。无线传感器网络中的终端节点模块直接和温度传感器节点相连接，通过Wi-Fi把传感器的数据传输到上位机，以进行进一步的数据处理。为了更方便地处理现场数据，本系统还设计了基于LabVIEW的上位机程序。
3.硬件设计
3.1 AX22001微处理器
本设计采用AX22001微处理器，AX22001是一款带有TCP/IP和802.11 WLAN MAC/基带的单芯片网络芯片，具有高效双CPU架构及用于程序存储的1MB共享内存,内嵌用于主处理器(MCPU)的64K数据存储器及用于Wi-Fi处理器(WCPU)的32KB数据存储器，内建TCP/IP加速器，符合802.11a/b/g的规范的MAC/基带，高速以太网MAC及丰富的通信外围设备，可用于各类需要接入有线/无线局域网或互联网的设备。

3.2 DS18B20
DS18B20是一款支持单总线接口的数字式温度传感器，它能够直接读取被测物的温度值。可以适应不同的环境需求，其测量范围在-55℃～+125℃，最高分辨率为0.0625℃，具有很强的抗干扰能力，读取和写入仅需要一根总线。DS18B20的内部存储资源有ROM只读存储器和RAM数据存储器。ROM 只读存储器，用于存放ID编码，其共9个字节RAM。第1、2个字节是温度转换后的数据信息，第3和第4字节是高温触发器和低温触发器的易失性拷贝，第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值，可以设置为9、10、11、12位分辨率。9位时最大转换时间为93.75ms，而十二位时需要750ms。
3.3 温度采集单元设计
温度采集单元主要有传感器、处理器和电源组成，传感器18B20负责区域内温度信息的采集和数据转换，将温度的传感器信息经过A/D转换，得到数字信息，供处理器AX22001进行处理。其原理图如图1所示，其中ANT_SEL引脚接天线，用来传送无线信号。


图1 原理图
  


       
4.软件设计
本设计采用将Wi-Fi模块配置成UDP客户端的方式来进行数据的传输。编程步骤：
(1)初始化。从命令行参数读取IP地址，并判断IP地址是否符合要求。
(2)建立一个UDP socket。
(3)建立与服务程序的连接。与TCP协议不同，UDP并没有与服务程序三次握手。使用连接的UDP，kernel可以直接返回错误信息给用户程序，从而避免由于没有接收到数据而导致调用recvfrom()一直等待下去。
(4)向服务程序发送数据。这里的数据直接从标准输入读取用户输入。
(5)接收服务程序发回的数据。
(6)处理接收到的数据，这里是直接输出到标准输出上。该程序流程图如图2(a)所示。
根据DS18B20的通讯协议，主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。该流程框图如图2(b)所示。


图2 程序流程图

5.系统测试
本系统对一个温度传感器传输的数据进行了测试，得到的结果和温度及所测的结果非常接近，但是其比温度计的灵敏度和分辨率要高很多。另外系统工作也非常稳定，环境的影响也很小。图3是测试的结果，其中20℃的时候为室温，温度升高是由于用手触摸传感器所致。


图3 测试结果

6.结论
近年来，蓝牙、Zigbee技术作为比较成熟的短距离无线网络技术得到广泛的应用，但是数据传输距离短，速率低，部分地方结网困难。然而，随着Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线保真)技术的迅速推广，在众多短距离无线组网技术中,基于Wi-Fi的WLAN解决方案是一种必然的趋势。Wi-Fi具有传输速率快，不需要布线，结网方便，适合实际环境封闭、危险测量困难或者对实时温度要求比较高的的地方等优点。
该设计还具有良好的可扩展性，如测量湿度，还可以增加摄像头,实现对图象乃至视频信号的实时采集、上传。