基于Wi-Fi技术的温湿度场数据无线实时传输系统

朱建荣 徐含青 周斌 陈如冰 / 苏州市计量测试研究所

基于Wi-Fi技术的温湿度场数据无线实时传输系统

朱建荣 徐含青 周斌 陈如冰 / 苏州市计量测试研究所

以温湿度场验证及校准为背景，设计了一种精度高，传输距离远的无线传输系统，以Wi-Fi ESP8266作为无线收发核心模块，通过热电偶、热电阻、湿度传感器与Wi-Fi技术相结合实现了数据的采集和无线传输。系统经过测试，各方面表现优越，在温湿度场验证及校准中有着非常好的应用前景。

温湿度场；无线传输系统；验证；校准；无线保真

0 引言

在温湿度场验证及校准中，一般的采集设备体积大、耗电量高，并且需要通过有线方式读取数据，给计量过程造成了一定的不便性。本文设计了一种便携式采集模块，通过连接热电阻、热电偶、温湿度传感器采集温度、湿度信号，并通过无线路由器组网，进行系统设置及数据读取，使得计量过程的功能性、灵活性和便携性得到了极大提高。

1 系统总体结构

系统采用分层架构，分成两个模块，如图1所示。主模块的功能包括充电管理，Wi-Fi控制及管理，按键及指示灯管理，存储管理，实时时钟，与子模块的通信及电源管理。子模块的功能包括与主模块的通信及电源管理，传感器的信号处理。其中子模块可根据不同的需求去设计，目前的模块有“12路PT100+3路温湿度传感器”“14路热电偶+1路PT100”“15路温湿度传感器”，并且主模块能自动识别子模块的类型。

图1 系统方案模块

2 系统硬件

2.1 主模块

主模块采用STM32L151VCT6芯片，芯片的系统功耗低，系统资源的利用率高。另外对于系统的产品化更新升级，该芯片的系列也有相当的优势。

2.2 无线收发模块

无线收发模块采用Wi-Fi ESP8266芯片，具有体积小，天线可外接的特点，极大地降低了系统的设计尺寸，并且降低了Wi-Fi模块电路设计的复杂性。其中该Wi-Fi的供电可被主芯片控制，可在适当时候进行关断从而达到省电目的，如图2所示。

2.3 电源管理

2.3.1 充电管理

系统内部使用大容量锂离子电池供电，需要系统具备充电的能力，系统采用独立的充电芯片CN3062进行管理，保证了主芯片在失效的情况下充电的安全性。充电的指示由主芯片接管，然后进行统一的指示管理。

图2 无线模块电路

2.3.2 系统上电管理

系统设计了两种上电模式，一是按键控制，二是USB接入充电，如图3所示。

图3 上电管理模块电路

2.3.3 电池电量采集

系统在使用电池的过程中避免不了电池电量耗尽，为了检测电池的电量需要对电池的电压进行采集，一般对电池的电压进行分压采集。另外为了降低分压电阻产生的功耗，需要在分压电阻线路上加入MOS管，在需要的时候闭合MOS管开始采集电池电压，其他时间打开MOS管降低功耗。

2.4 子模块传感器信号处理

该模块的信号处理包含几种信号处理功能：信号处理功能要将模拟信号变成数字信号。具有测量小电压信号包含负电压，用于测量热电偶电压信号，具有测量4线制PT100的电阻，并且具有稳定可调的激励电流源，通过轮转激励电流源可消除寄生热电偶效应，如图4所示。具有USART通信功能，具有传感器通道故障检测功能。

图4 热电阻恒流源原理

3 系统软件

本系统基于操作系统RT-Thread上开发，可简化系统的任务设计，不需要关注系统任务的切换调度，并且保证良好的实时性。RT-Thread实时操作系统遵循GPLv2+许可证，实时操作系统内核及所有开源组件可以免费在商业产品中使用，不需要公布应用源码，没有任何潜在商业风险。系统软件模块化处理，基于任务的调度。系统任务分成：电源及指示灯管理，子模块通信及数据处理，数据储存及读取管理，设置参数存储读取管理，Wi-Fi通信及其电源管理，通信协议模块处理。系统任务按优先级分配，电源及指示灯管理具有最高优先级。

3.1 电源及指示灯管理

包含上电初始化、上电运行、充电、关机，按键、指示灯控制，电池电源管理等主体流程，如图5所示。

图5 电源管理软件流程

3.2 子模块通信及数据处理

子模块与主模块直接通过SPI或USART通信，将直接从子模块读取到的数值进行相应的处理，并对传感器连接状态进行监测。数值处理包括RTD电阻值转化为温度值、温度值转化为RTD电阻值、电压值转化为温度值、温度值转化为电压值、根据标定的值做最小二乘法处理、根据标定的值做PT系数法处理。

3.3 数据储存及读取管理

模块实现以下功能：按照顺序存储当前采集的数据，根据采集时间来读取该时间之后的数据，保证在系统失效的情况下也不丢失数据，优化系统检索的速度。

3.4 设置参数存储读取管理

系统参数保存在主芯片内EEPROM中，系统在上电时读取EEPROM中的数据，在上位机进行配置参数时将接收到的参数信息保存到EEPROM中。

3.5 Wi-Fi通信及其电源管理

模块实现以下功能：具备与Wi-Fi模块信息交互的能力，具备检测当前Wi-Fi模块的状态的能力，具备控制Wi-Fi模块上下电的能力，具备UDP通信和TCP连接通信的能力。

3.6 通信协议模块处理

该模块主要功能是与上位机的交互协议，包含上位机的发送的指令识别及根据指令进行UDP和TCP的切换，配置参数，标定参数，读取设备上的采集数据，接收实时采集数据等。

4 实验结果

以Pt100热电阻信号为例，使用0.01级标准电阻箱进行采集模块准确度验证数据，如表1所示。

表1 采集模块准确度验证数据

准确度全量程达到了0.1 ℃以内，利用APP及上位机软件反复测试数据，有效传输距离达到10 m，无丢包情况，通道全数开启后，采样频率设置为10 s，续航测试达到32 h。

5 结语

本文设计了一种基于Wi-Fi技术的无线实时射频验证系统，完成了结构功能设计及软硬件实现，传输距离达到了10 m以上，为温湿度场的验证及校准提供了非常好的解决方法。

[1]张靖. 基于Zigbee技术的高精度无线温度测试系统设计[J]. 计测技术，2016（6）：22-25.

[2]孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[3]崔志尚. 温度计量与测试[M]. 北京：中国计量出版社，1998.

[4]全国温度计量技术委员会. JJG 229-2010 工业铂、铜热电阻检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2010.

[5]全国温度计量技术委员会. JJF 1101-2003 环境试验设备温度、湿度校准规范[S]. 北京：中国计量出版社，2003.

[6]辽宁省技术监督局. JJG 351-1996 工作用廉金属热电偶检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，1996.

Design for wireless real-time transmission system of temperature and humidity fi eld data based on Wi-Fi technology

Zhu Jianrong，Xü Hanqing，Zhou Bin，Chen Rubing
（Suzhou Institute of Measurement and Testing Technology）

A kind of wireless transmission system with high accuracy and long distance is designed for veri fi cation and calibration in temperature and humidity fi eld. As wireless transceiver core module, Wi-Fi ESP8266 could realize data acquisition and wireless transmission by thermocouple, thermal resistance and humidity sensor in combination with Wi-Fi technology. This system has been tested, with superior performance in all aspects, which has a very good application prospect of the veri fi cation and calibration in temperature and humidity fi eld.

temperature and humidity fi eld; wireless transmission system; veri fi cation; calibration; Wi-Fi