无线温湿度监测系统的设计

王洪涛 吴云飞 薛泽利 李祖君 韩海生

摘 要：本文设计了一种远程无线温、湿度监测系统。系统采用温、湿度传感器采集信息，然后通过由单片机组成的模块实现无线传输，并将信息通过串口通信传送给数据处理与发布服务器进行相关的数据处理和信息发布，从而有效地实现在互联网的任何位置对温、湿度的实时监控。

关键词：无线数据传输；实时监测；传感器；协调器

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0032-01

无线传感器网络又称之为“Wireless Sensor Network，WSN”属于一种新兴的信息获取、信息处理技术，主要是部署在监测区内的传感器协作完成，借助无线通信的方式，形成多条自行组织的网络系统。能够实现实时监测、实时感知，实时采集网络覆盖区域内的各类环境，各个监测对象，并将监测到的数据发送到终端用户界面中[1]。无线传感器网络拥有较强的抗毁性，同时具备较强的监测精准性、覆盖面积大的特点。通常是在人无法接近的恶劣环境、危险位置中，借助远程控制技术实现各项数据的收集。目前，在军事、远程监控、环境监测、家庭网络、抢险救灾得到了广泛的应用，在科技水平背景下，其未来的发展潜力也较大。

1 系统的总体设计

无线传感器网络技术，工作于全球统一无需申请的频段2.4GHz，其协议是依据IEEE 802.15.4技术的物理层和数据链路层的标准，并对其进行了完善和扩展而制定的[2]。

整个远程无线温度测量系统包括温测终端、网络协调器、数据处理与发布服务器以及用户终端。温测终端实时采集和发送各监测点的温度，与网络协调器构成无线星型网络，由网络协调器实现数据的协调和接收，并与数据处理与发布服务器进行串口通信，普通用户终端可以通过HTTP协议在互联网的任何位置监控温测终端的温度。

2 硬件设计

2.1 温度采集模块电路的设计

温度采集模块电路的控制器为单片机（型号为AT89S52），温度传感器的型号为DS18B20，通过实践证明，DS18B20温度传感器技术是最新的总线数字温度传感器，这类传感器主要是在同一芯片内实现温度的变换，直接将数字信号输出，进而提升电路的工作效率。由于现场的温度采取的是“一线总线”的数字传输方式，能够实现系统抗干扰性的提升，进而提升了CPU的使用效率。将单片机（型号为AT89S52）中的PO与8路温度传感器相连接，进而提升温度数据的采集与应用。以此同时，模块的RS-232的串行口同RAM建立核心控制模块通信，实现数据的高效率传输。

2.2 无线通信模块设计

2.2.1 无线节点软件设计

终端节点是利用温度传感器DS18B20，为数字信息温度传感器，来采集温度信息，CC2530对温度信息进行初步处理，CC2530芯片中集成的RF射频天线将初步处理的温度信息以及发送端的信息传输到协调器节点。功能上具有有3个模块：温度采集模块，微控制模块，无线通信模块[4]。

2.2.2 网络协调器软件设计

协调器节点主要功能：接收来自发送端的温度数据信息和发送端的节点信息，并对信息进行处理，接收端将处理好的信息传送给上位机进行显示。功能上主要有：无线通信模块，微处理模块，串口通信模块[5]。

无线模块主要由电源、复位电路、串口连接电路和无线收发电路组成。TTL电平与PC机的RS232电平并不是兼容的，故在发送数据时，RS232串口数据经过MAX232将电平转换为TTL电平，再通过CC2530无线发送。接收数据则是发送数据的逆过程，CC2530先接收到数据信号，然后经MAX232将TTL电平转换为RS232的标准电平，再通过RS232向上位机输入数据。

3 系统软件设计

程序设计主要包括几个方面：各个节点中的功能模块驱动程序设计，系统组网程序设计，协调器节点与上位机通信程序设计。整个系统软件的设计包括大部分：数据采集、通信控制、监控中心。数据采集软件是在无线重点节点单片机上实现运作，主要是将采集到的温度数据通过无线发送，提升信息发送速度。通信控制软件的应用，需要单片机的协调，实现无线终端节点依据操作者输入的指令，开展各项工作，确保数据传输的时效性，其数据传输也是整个系统的核心控制界面。单片机的语言编制方式为C语言，在服务器上运行监控软件，实现各项节点工作状态的实时监控。同时还能够对下位机的提供的温度数据进行高效处理，实现数据的显示、保存，绘图、加强信息发布管理手段。

3.1 节点软件的设计

温湿度采集节点作为（WiFi）无线网络的一个节点，其主要换工作是检测环境的温度、湿度，实现各项数据的保存、处理，进而在LED上显示温度数据、湿度数据。若是接收到远程服务器的不同指令，应该借助串口，将温度、湿度数据发送到（Wi-Fi）无线收发模块。还可以设置湿度、温度的上限参数、下限参数，温度、湿度采集节点，能够和远程服务器TCP/UDP建立通信链路，是由（Wi-Fi）无线收发模块自动开展工作，通过科学配置提升工作质量。单片机（型号为STM32F10）之所以能够接收远程服务器上的命令，主要是利用了串口的功能。在整个软件开发中，Keil uvision3是在集成环境下编写的，在编写中应用的是模块化方法。

3.2 上位机软件设计

在整个系统设计中，服务器数据采取的是集中控制方式，这也是目前应用最广的模式之一。各个湿度、温度采集节点，属于客户端在网路分布中的不用位置，通过借助（Wi-Fi）无线网络，能够实现数据的远程传输，同时应实现服务器的远程接收。

本文利用VC++6.0对远程服务器系统开展设计工作，应用Socket实现编程接口，建立WinSock，将Socket描述出来。实现网络底层的沟通，在TCP/IP协议的基础上，建立（Wi-Fi）无线网络数据通信。

为了有效解决在使用中多个客户端/服务器通信问题，本文通过对比研究，采取的是非阻塞模式，通过调用Select函数，将各类阻塞问题及时解决。另外，可以借助对话框实现温度、湿度参数分析显示、采集数据的发送。整个系统采用多客户端/服务器模式。服务器程序总体框图如图1所示。

4 结语

综上所述，本文以无线数据传送模块为依据，设计出了基于无线技术上的分布式无线温湿度监测系统。借助模块能够将（Wi-Fi）无线网络的开发时间缩短，借助数字温度、湿度传感器采集有效的温度、湿度数据，节约了系统的运行成本。這类系统的接口较为简单，且系统具备较强的抗干扰能力，分布式的无线温度、湿度监测系统可以确保每个节点的观测，实现各个节点参数的远程监测。通过远程服务器还可以接入Internet中，实现远程监控。系统布线简单、成本较低、扩展性好，具有较强的应用前景。

参考文献

[1]高守玮，吴灿阳，等.ZigBee技术实践教程[M].北京：航空航天大学出版社，2009.