一种通用的教学物联网传感器节点的设计

王开宇， 邬亚胜， 崔承毅， 巢 明， 卢 诚

(大连理工大学 1. 电工电子国家级实验教学示范中心，2. 电子信息与电气工程学部， 辽宁 大连 116024)

0 引言

物联网是通过射频识别(RFID)和各种传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1～3]。随着科技的进步，物联网已经逐渐进入大家的视野，基于物联网的智能家居系统也得到广泛应用。

作为物联网教学的一个重要组成部分，我们为学生创建一个基于Html5、WebGL、CSS3和物联网传感器通讯技术的实验系统[4～5]。在实验课上，该系统可以方便学生应用各种传感器和效应器进行安装和调试，经由网络通信模块和WIFI发射模块，将实验室各模块信息及时上传到浏览器端，同时，在浏览器端还可以控制实验室各传感器模块的信息和状态。

该实验系统的关键技术就是物联网传感器节点的设计。本实验系统的传感器节点设计的思路和方法具有简明易学的特点，特别适合普通高等院校本科教学之用。

1 设计方案

1.1 系统概述

该实验系统中的传感器节点设计的方框图如图1所示，包括信息的采集、数据的转换处理、WIFI模块和命令的执行。

信息的采集主要靠传感器，一般的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光强传感器等；数据的转换处理需要依靠微处理器中的程序将传感器采集到的数字信号或模拟信号进行转换处理，这里采用的微处理器为STC15W4K58S4；数据上传与接收控制指令都在WIFI模块上进行，这里采用串口转WIFI模块USR-WIFI-232-A2方便系统的实现；执行指令一般采用微处理器控制继电器等进行外围设备控制。该节点的主控芯片为51系列芯片，学生只需要掌握单片机串口方面的知识，不需要掌握复杂的网络通信协议，这使得学生学习物联网的难度大大降低，也有利于物联网教学任务的推进。

图1 物联网传感器节点设计的方框图

1.2 硬件设计

节点的硬件主要包括，微处理器外围电路、电源供应电路、WIFI模块及外围电路、传感器及外围电路。学生能够通过硬件电路的设计过程充分了解物联网节点的实现原理，加深对物联网的认识。电路设计使用Altium Designer14软件进行设计。

1)微处理器电路设计

微处理器及外围电路主要包括主控芯片STC15W4K58S4及其下载电路，如图2所示。该电路为典型的51下载电路，下载电路使用PL-2303SA芯片，USB口作输入。

2)电源供应电路

由于设计使用的WIFI模块的工作电压为3.3 V，所以采用开关电源芯片LM2596-3.3进行电压转换，为WIFI模块进行供电，基本电路如图3所示。

3)WIFI模块及外围电路

USR-WIFI232-A2 模组是一款一体化的 802.11b/g/n 的模组，通过该模块，传统的设备或 MCU 控制的设备可以通过串口很方便地接入 WIFI 无线网络，从而实现物联网控制与管理。学生不需要学习复杂的网络通信协议，该模块内部自动完成串口对网络协议转换过程，通过简单设置即可实现串口与指向IP端口之间数据的双向透传，并做了专业的优化。

图2 微处理器及外围电路图

图3 电源供应电路图

USR-WIFI232-A2 作为热点可以同时容纳32个 WIFI 客户端的同时接入，也可同时容纳32个 TCP 客户端。使用该模块完全可以实现物联网的通信要求。原理电路如图4所示。

图4 WIFI模块及外围电路图

4)传感器及外围电路

由于传感器种类较多，做实验时候可以使用比较常见的DS18B20温度传感器作为例子，该传感器将温度信号转换为数字信号，数据传输通过单线传输，外围电路如图5所示。该电路用来调整DS18B20，提供上拉电位，方便采集温度数据[6]。

图5 DS18B20基本电路图

5)PCB版图设计

使用Altium Designer14软件进行电路设计，可以方便地设计PCB版图，通过对元件进行合理的放置、连线、添加泪镝、覆铜，最终得到PCB版图，如图6所示。

图6 PCB版图

1.3 软件设计

软件的设计主要是提高学生的逻辑思维能力，因为节点微处理器进行编程，需要理解处理器与传感器之间的信息交互，才能稳定实现节点的功能。编程语言采用C语言，这种语言比较简单易学，学生能够轻松掌握。程序设计分为主程序设计和串口中断服务程序，其中主程序主要是对节点各个模块进行初始化，然后采集传感器的信息，将信息进行处理存储。串口中断服务程序主要是与上位机进行通讯，当接收到上位机的指令后会触发串口中断服务程序，在串口中断服务程序中，会对上位机指令进行解析，根据解析后的指令执行特定的功能。比如命令节点发送采集到的数据，或是执行控制指令。软件的主程序和中断服务程序流程图如图7所示。

图7 程序设计流程图

2 功能实现与应用

首先，依据PCB版图制作PCB板并焊接好各个器件，如图8所示。然后，将程序烧写进节点的板子，进行测试。最后，为串口转WIFI模块进行设置，设置该模块的目标IP地址以及端口号，该模块就可以直接通过WIFI直接连入互联网，向指定的IP发送数据。服务器可以通过简单的网页直接接收到来自节点发送的信息，如图9所示，也可以通过服务器直接对该节点发送指令。

图8 PCB焊接实物图

图9 节点与服务器通讯实例图

根据测试结果容易发现，节点能够很好地与上位机进行通信，实现节点的基本要求，并且通信质量稳定，实现结果满足物联网节点的需求。

该节点应用于物联网传感器通讯技术的实验系统中，其中的网页设计可以随意扩展，以窗帘控制、灯光控制、空调控制、开门控制等模块部分为例，在WebGL环境下实现实验室各物联网设备的同步跟踪与双向通讯，学生能够通过移动端或PC机的浏览器自由布局浏览，并登录智慧实验室云系统，实施设计、验证和完成软硬件协同物联网通讯实验，完成获取实验室各传感器模块和远程信息监视和控制任务。通过该系统，学生能够学习许多关于物联网相关知识与技术，推进物联网实验教学进程。

3 结语

为了让学生能够更加灵活地体会物联网各传感器和控制端的通讯实验，我们创建一个基于Html5、WebGL、CSS3和物联网传感器通讯技术的实验系统。在该系统中，我们提出了一种能让学生轻易掌握并实现的物联网传感器节点设计。该节点设计已经很好地在笔者所在实验中心智慧实验室里使用，实验中与上位机进行通讯，通讯信号比较稳定，通用性良好，满足物联网节点的信号传输稳定的要求。鉴于该节点设计可以应用于诸多物联网教学系统中的通用性，方便学生充分学习物联网相关知识和实验，对学校物联网教学具有积极地推进作用。