基于WiFi技术的即时通讯系统设计

杨万里 祝真滨 孟丹 王博

摘 要：针对矿井、深山等弱GPS环境下存在的即时通讯问题，考虑WiFi技术具有组网便捷、传输迅速、信号稳定的特点，本文提出一种基于WiFi技术的即时通讯系统设计方法。基于工业级嵌入式WiFi模块USR-WIFI232-A2进行无线组网，完成特殊环境下小范围的即时通讯。研究成果对于井下通讯、远程监控等领域具有一定的应用价值。

关键词：WiFi技术;即时通讯;工业级嵌入式WiFi模块

WiFi技术是一种短距离无线传输技术，具有组网便捷、传输迅速等特点，广泛应用于井下通讯、远程监控、智能家居等领域。[1-3]相比于以太网通讯、4G通讯、透地通讯等传输方式，WiFi通讯的组网成本较低，利用WiFi模块可以快速形成固定范围无线局部网。另外，WiFi可以实现带宽的自动调整，最高带宽为11Mbps，在信号较差或扰动存在的情况下可以调整为5.2Mbps或1Mbps，能够有效保障网络的稳定性。[4]因此，考虑到WiFi技术的上述特点，本文设计了一种基于WiFi的即时通讯系统，利用WiFi模块组建无线局域网，采用“AP/STA”的访问模式，实现模块间即时通讯。该系统在矿井、深山等弱GPS环境具有一定的实用价值。

1 系统总体设计方案

基于WiFi技术的即时通讯系统由一个AP（Wireless Access Point，无线访问接入点）和多个STA（Station，站点）组成，通过配置WiFi模块的无线组网模式，使服务端与客户端分别工作在AP和STA模式，实现服务端与客户端之间的实时通讯。本文选择工业级嵌入式WiFi模块USR-WIFI232-A2进行无线组网，可以同时容纳24个WIFI客户端同时接入，能够十分方便地实现物联网络控制与管理。如图1所示为基于WiFi技术的即时通讯系统示意图。

2 硬件电路设计

基于WiFi技术的即时通讯系统硬件电路由电源电路、重启与复位电路、UART接口电路组成，硬件设计框图如图2所示。

2.1 电源电路设计

电源模块由7.2V镍镉蓄电池组和电源稳压电路组成，为WiFi模块提供3.3V/供电。电源稳压电路选择ASM1117稳压芯片进行搭建，输出电压稳定、可靠。电源稳压电路原理图如图3所示。

2.2 重启与复位电路设计

系统提供重启复位功能，nReload可以连接到外部按钮或配置引脚，当按钮拉低1～3秒是启动系统配置，长按3S 以上是恢复出厂设置。nReset是模块复位信号，输入，低电平有效，模块内部有100K电阻上拉到3.3V。当模块上电时或者出现故障时，需要对模块做复位操作，引脚拉低至少 0.5S，然后拉高或悬空实现复位。

2.3 UART接口电路设计

UART为串行数据接口，可以连 RS-232 芯片转为 RS-232 电平与外部设备连接。[5]本文设计UART接口电路的目的是为了实现WiFi模块与上位机（PC机）之间的通讯，便于进行在线和离线调试。本模块 UART 接口包括TXD/RXD/RTS/CTS 4个信号线。以RS-232电平为例参考电路如图5所示。

3 系统软件配置

USR-WIFI232-A2模块可以通过Web服务器+AT命令进行用户配置，相关软件参数如下表所示。本文主要介绍模块的无线组网配置与工作模式配置。

3.1 无线组网配置

基于WiFi技术的即时通讯系统包括STA和AP两种常见组网方式，[6]USR-WIFI232-A2作为STA可以参考由一个路由和多个STA组成一个无线网络，所有的STA 都以AP做为无线网络的中心，STA之间的相互通信都通过AP转发完成。模块作为AP模式，可以通过手机/PAD/电脑在无需任何配置的情况下，快速接入模块进行数据传递。另外，还可以登陆模块的内置网页进行参数设置。

3.2 工作模式配置

USR-WIFI232-A2模块默认为透明传输模式，所有需要收发的数据都被在串口与WIFI接口之间做透明传输，不做任何解析。另外，用户可以将其配置为串口指令模式、GPIO模式、HTTPD Client模式和AT命令模式。

在串口指令模式下，当USR-WIFI232-A2模块作为UDP Client或TCP Client时，允许用户将串口的数据发往不同的服务器端。当模块工作在GPIO模式时，PC或其它网络设备可以通过WIFI与模块建立连接（TCP/UDP），然后通过命令控制GPIO或读GPIO状态。HTTPD Client模式支持POST、PUT、GET三种HTTP请求方式。用户在用AT命令或是网页设置好HTTP报头的具体内容后，每次发送数据时，模块会自动将所发送的数据封装成HTTP协议数据，发送到指定HTTP服务器上。在AT命令模式下，用戶可以通过发送AT命令来查询模块当前状态或设置模块的参数。除AT命令模式以外，其余模式之间的切换可以通过模块内置网页或者AT命令进行设置。[7]

4 结语

本文研究了基于WiFi技术的即时通讯系统设计。考虑WiFi技术具有组网便捷、传输迅速、信号稳定等特点，基于WiFi模块USR-WIFI232-A2设计即时通讯系统。通过合理的无线组网配置，该系统可以实现25个对象在小范围进行实时通讯，研究成果在井下通讯、远程监控等领域具有一定的应用推广价值。

参考文献：

[1]孙弋，徐瑞华.基于WiFi技术的井下多功能便携终端的设计与实现[J].工矿自动化，2007（03）：60-63.

[2]刘军良.WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表，2014，39（06）：79-82.

[3]郭哲.以WiFi技术为基础的智能家居系统探究[J].电子测试，2019（04）：65-67.

[4]蔡金洋，陈浙泊，姜凤武.基于Android的北斗/GPS/WiFi室内外定位系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（02）：50-55.

[5]陈旭辉，杨红云.基于STM32的多串口并行传输系统设计[J].计算机测量与控制，2019，27（01）：166-170.

[6]李先权.WiFi网络构建与应用研究[D].华南理工大学，2012：15-27.

[7]王金峰.AT指令下大型物流仓储环境参数远程监测系统设计[J].科技通报，2018，34（05）：162-166.

项目：本研究得到了南华大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目（2016NH006XJXZ）的资助