基于WiFi的移動養(yǎng)蜂車溫濕度采集終端設(shè)計與實現(xiàn)

孔亞廣　郭斌

摘 要：養(yǎng)蜂環(huán)境直接影響到蜂產(chǎn)品的質(zhì)量。為了方便快捷地采集移動養(yǎng)蜂車的溫濕度數(shù)據(jù)，為后續(xù)的蜂產(chǎn)品質(zhì)量追溯留下線索，設(shè)計一款基于STM32F103VET6和WiFi技術(shù)的智能溫濕度采集終端。詳細分析了系統(tǒng)的功能并給出總體設(shè)計方案，介紹了各功能模塊的原理及具體實現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)并快速刷新界面，在移動環(huán)境下能夠快速組建網(wǎng)絡(luò)并實時傳輸數(shù)據(jù)到手機客戶端，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：WiFi；數(shù)據(jù)采集；STM32；移動養(yǎng)蜂車；FatFS文件系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

由于生態(tài)環(huán)境的變化，當前蜂農(nóng)生產(chǎn)越來越傾向于轉(zhuǎn)地生產(chǎn)，因而移動養(yǎng)蜂車的應(yīng)用越來越廣泛。養(yǎng)蜂車上蜂箱及蜂產(chǎn)品存儲的溫濕度等對蜂產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，因此采集養(yǎng)蜂車的溫濕度具有重要意義。而移動養(yǎng)蜂車是一個相對孤立并且可移動的平臺，要在這個移動平臺上采集蜂箱內(nèi)的溫濕度并傳輸?shù)絀nternet，就必須無線實時采集并傳輸數(shù)據(jù)。目前，智能手機因其價格便宜、智能方便成為人們隨身攜帶的通信工具。那么，我們可以考慮讓蜂農(nóng)通過手機來采集養(yǎng)蜂車上的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過3G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet。如今的智能手機，集成了多種無線傳輸?shù)墓δ?，包括藍牙、3G、NFC（近場通信）和WiFi。那么，該選擇哪種無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)绞謾C端呢？表1對這幾種無線通信技術(shù)進行了比較[1]。

表1 幾種無線通信技術(shù)的比較

藍 牙 3G NFC WiFi

頻帶許可 無需許可 需要許可 無需許可 無需許可

適用范圍 5～10 m 國家級覆蓋 ≤0.2 m 50～150 m

傳輸速率 1～2 Mb/s 最高2 Mb/s 最高1 Mb/s 11～54 Mb/s

系統(tǒng)費用 較低 極高 很低 較低

建立時間 3～10 s <1 s 0.1 s 3 s

功耗 ≤100 mW >1 W ≤1 mW >1 W

考慮到3G的費用極高，藍牙和NFC的傳輸距離太短并且傳輸速度慢，而WiFi的傳輸距離能達到百米，并且傳輸速度很快，組網(wǎng)方便快捷[2，3]，我們采用WiFi無線傳輸技術(shù)，將嵌入式采集模塊采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給手機端，實現(xiàn)對移動養(yǎng)蜂車的溫濕度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32作為整個嵌入式系統(tǒng)的CPU，STM32系列處理器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核[4]；采用DHT11溫濕度傳感器實時采集養(yǎng)蜂車內(nèi)環(huán)境溫濕度情況；人接交互采用的是TFT LCD觸摸屏，方便對網(wǎng)絡(luò)模式及IP地址等參數(shù)進行選擇和設(shè)定；采集的數(shù)據(jù)通過WiFi無線傳輸給手機端，這里我們采用的是專門的串口WiFi模塊；蜂農(nóng)使用安卓智能手機將采集的數(shù)據(jù)接收并且存儲下來，通過自主開發(fā)的手機客戶端軟件實現(xiàn)這種WiFi網(wǎng)絡(luò)通信。最后，作為功能擴展，手機可以通過3G移動網(wǎng)絡(luò)將溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，方便遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)跟蹤。系統(tǒng)總體方案架構(gòu)如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)選用STM32F103VET6作為主控的MCU，該芯片功能強大，性價比高，內(nèi)置64 KB的SRAM和512 KB的Flash[5]。選用該芯片還有一個重要的原因就是，它擁有靈活的靜態(tài)存儲控制器FSMC接口，通過該接口連接TFT-LCD觸摸屏，可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)讀寫，使LCD界面顯示更加流暢，獲得良好的人機交互體驗；選用2.8寸的TFT-LCD觸摸屏模塊，模塊板載了ILI9325液晶屏控制器和XPT2046觸摸屏控制器；系統(tǒng)板載了兩種供電接口，DC-DC（6～16 V直流穩(wěn)壓電路）接口和USB供電接口；板載了兩種下載接口，JTAG下載和USB轉(zhuǎn)串口的ISP下載接口；系統(tǒng)擴展的外部存儲電路包括E2PROM芯片AT24C02和SPI Flash芯片W25Q64；選用基于單總線的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)；最后，選用Hi-Link公司的HLK-RM04串口WiFi模塊，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)绞謾C端。硬件架構(gòu)如圖2所示：

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要涉及到動態(tài)內(nèi)存管理、FatFS文件系統(tǒng)移植、AT24C02掉電保護程序、W25Q64 SPI Flash驅(qū)動程序、DHT11溫濕度采集驅(qū)動、TFT-LCD觸摸屏驅(qū)動程序及串口WiFi驅(qū)動程序等幾大模塊。這幾大模塊與STM32主控部分構(gòu)成系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)的程序流程圖如圖4。

2 供電與下載電路

本系統(tǒng)配有專門的供電以及下載電路。供電包括一個外部電源輸入口DC_IN和一個USB供電口。DC_IN采用標準的直流電源插座，電路中采用DC-DC降壓芯片，支持DC6-16 V的寬電壓輸入。USB供電口則采用mini USB接口，這種接口，對于無論是養(yǎng)蜂車車體內(nèi)USB電源輸出接口還是車上自帶的太陽能供電系統(tǒng)，都能方便地接入，給采集終端供電。

下載也預(yù)留了兩種接口，JTAG下載和USB轉(zhuǎn)串口ISP下載。JTAG是常用的ARM程序下載接口，而能夠供電的USB接口也能夠?qū)崿F(xiàn)程序下載。USB接口連接CH340G芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的ISP下載。

3 DHT11溫濕度采集模塊

終端板載了一款單總線的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它不但能測溫度，還能測濕度。DHT11包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口[6]。傳感器內(nèi)部溫度和濕度數(shù)據(jù)以40 B為一幀通過串行方式一次性傳輸給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，能夠有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT11的功耗很低，在5 V的電源電壓下，平均電流0.5mA。硬件電路如圖5。

DHT11的數(shù)據(jù)格式，它采用單總線的數(shù)據(jù)格式，單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5個字節(jié) （40B）組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 B，高位先出。DHT11的數(shù)據(jù)格式如下，其中校驗和為前四字節(jié)相加：

8 b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b校驗和

作為一種新型的單總線數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11具有體積小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、接口簡單、功耗低和性價比高等優(yōu)點，能廣泛應(yīng)用于智能監(jiān)控和家電消費品等領(lǐng)域[7]。

4 串口WiFi模塊

本系統(tǒng)選用串口WiFi模塊HLK-RM04作為無線傳輸?shù)慕鉀Q方案。HLK-RM04模塊是Hi-Link公司推出的一款低成本嵌入式WiFi模塊，該模塊是基于串口的符合網(wǎng)絡(luò)標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和WLAN無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)只需使用HLK-RM04的串口轉(zhuǎn)WiFi功能，完成串口數(shù)據(jù)的無線傳輸。

HLK-RM04有3種工作模式：串口以太網(wǎng)（ETH-COM）、串口無線網(wǎng)卡（COM-WiFi STA）和串口無線接入點（COM-WiFi AP），每個模式又包含：TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP服務(wù)器、UDP客戶端4個子模式。在本系統(tǒng)中，使用串口無線接入點（COM-WiFi AP）模式。在該模式下，模塊的WLAN和LAN口將關(guān)閉，僅開啟WiFi，作為無線接入點（WiFi AP），允許其他WiFi設(shè)備（智能手機、PAD、筆記本等）連接到本模塊，實現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無線（WiFi）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換互傳。

串口無線接入點模式下，模塊通過WiFi連接智能手機。模塊作為WiFi AP，智能手機做WiFi STA，模型如下圖6所示。

我們在手機客服端將手機設(shè)置成TCP Client（客戶端模式），同時通過TFT觸摸屏將各個HLK-RM04 WiFi模塊設(shè)置成為TCP Server（服務(wù)器模式）。WiFi模塊處于TCP模式并處于服務(wù)器模式時，其他TCP客端設(shè)備（手機、PAD等）可以主動的連接模塊。模型如圖7所示。

該WiFi模塊有兩種工作模式，AT指令模式和透明傳輸模式。在無線傳輸數(shù)據(jù)（透明傳輸）之前，必須通過AT指令來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等信息。

在AT指令模式下，可以通過串口的AT指令對系統(tǒng)參數(shù)進行配置。模塊支持的AT指令多達幾十個，在此不一一列舉。指令格式如下：

At+[command]=[value]＼r

根據(jù)不同的命令，模塊將返回不同的返回值。

例如：”at+remoteip=192.168.11.100＼r”表示設(shè)置遠端IP地址為192.168.11.100。

例如：”at+remoteip=？＼r”表示查詢遠端IP地址。

在透明傳輸模式下，HLK-RM04模塊可以實現(xiàn)UART接口和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)接口中數(shù)據(jù)的透明傳輸。模塊可以自動地將串口數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，也可以將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成串口可識別的數(shù)據(jù)。模塊完成這種串口數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能的流程圖如圖8所示。

5 FatFS文件系統(tǒng)移植

為了方便外部Flash中字庫文件的讀取和寫入，引入了FatFS文件系統(tǒng)。FatFS是一個完全免費開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計[7]。它完全用標準C語言編寫，因此具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到8051、PIC、AVR、ARM等系列單片機上而只需做簡單的修改。它支持FAT12、FAT16和FAT32，支持多個存儲媒介；有獨立的緩沖區(qū)，可以對多個文件進行讀和寫，并且特別對8位單片機和16位單片機做了優(yōu)化。

FatFS模塊的層次結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。最頂層是應(yīng)用層，使用者無需理會FatFS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議，只需要調(diào)用FatFS模塊提供給用戶的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在PC上讀/寫文件那樣簡單。中間層FatFS模塊，實現(xiàn)了FAT文件讀/寫協(xié)議。FatFS模塊提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時將頭文件直接包含進去即可。

需要編寫移植代碼的是FatFS模塊提供的底層接口，包括存儲媒介讀/寫接口和供給文件創(chuàng)建修改時間的實時時鐘。

FatFS源碼可以在官方網(wǎng)站下載到。下載到FatFS軟件包后，解壓可得到兩個文件：doc和src。doc里面是對FatFS的介紹，src里面才是我們需要的源碼，F(xiàn)atFS源碼的文件組成見表2。

移植FatFS的時候，只需要修改2個文件，ffconf.h和diskio.c。FatFS模塊的所有配置項都在ffconf.h里面，通過配置里面的一些選項來滿足自己的需求。FatFS的移植大致分為如下3步：根據(jù)具體編譯器，在interger.h里面定義好數(shù)據(jù)的類型；通過ffconf.h配置FatFS的相關(guān)功能，滿足系統(tǒng)需要；在diskio.c里面編寫底層驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)物理磁盤的讀寫等。

6 測試

系統(tǒng)接上電源后，會逐步配置WiFi網(wǎng)絡(luò)各項參數(shù)，我們通過觸摸屏將采集終端設(shè)置成TCP服務(wù)器模式，IP地址設(shè)為192.168.16.254，通信端口號為8086，建立好WiFi網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)名稱為“HLK-RM04養(yǎng)蜂車”）。手機連接HLK-RM04無線網(wǎng)絡(luò)后，打開通信客戶端軟件，選擇TCP客戶端模式，按照以上IP地址和端口號連接到采集終端。接下來就可以用進行溫濕度的采集了。下面圖10與圖11就是TFT-LCD的實時顯示界面和手機上采集軟件的界面截圖：

7 結(jié) 語

近年來，物聯(lián)網(wǎng)在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛。WiFi技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，因其快捷方便、無需布線等特點越來越受到人們的青睞。本文順應(yīng)這種趨勢，介紹了一種基于WiFi組網(wǎng)技術(shù)的溫濕度采集終端的設(shè)計和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)經(jīng)測試后，運行效果良好，具有一定的應(yīng)用價值。當然，該設(shè)計方案還有很多可以改進的地方，比如通過WiFi自組網(wǎng)實現(xiàn)多個采集終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)中長距離的WiFi數(shù)據(jù)傳輸以解決WiFi傳輸距離短的問題等?？傊?，該設(shè)計方案很好地體現(xiàn)和深化了“物聯(lián)網(wǎng)”的含義，優(yōu)化后可用于智能家居、遠程監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。

參考文獻

[1]王朝煒，王衛(wèi)東.物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2012.

[2]汪濤.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]董健.物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4]姚文詳.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]劉軍，張洋.STM32開發(fā)之南-庫函數(shù)開發(fā)版本[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[6]韓英梅，趙建平.基于DHT11的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].井岡山大學(xué)學(xué)報，2010，31（5）：67-70.

[7]李世奇，董浩斌.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲器設(shè)計[J].測控技術(shù)，2011，30（12）：79-81.

[8]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（6）：60-62.