基于WiFi和LabVIEW技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測設(shè)計

史艷紅+葉楊

摘 要：針對測量數(shù)據(jù)的中短程無線傳輸和監(jiān)測管理，文中提出了一種基于WiFi和LabVIEW技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測設(shè)計方案。現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)由DHT11溫濕度傳感器和STC89C52RC單片機(jī)構(gòu)成的檢測單元采集，獲取的溫濕度數(shù)據(jù)通過單片機(jī)串口經(jīng)專用WiFi無線傳輸模塊發(fā)送；遠(yuǎn)程主機(jī)數(shù)據(jù)管理采用虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)，通過TCP/IP協(xié)議與WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面編制。經(jīng)測試，設(shè)計方案能準(zhǔn)確、可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測管理。本設(shè)計提供了在WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋場所實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測的一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫濕度測量；WiFi無線通信；LabVIEW；TCP/IP協(xié)議

中圖分類號：TP274；TP273；TP31；TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

溫濕度是生產(chǎn)生活中的重要參數(shù)，對生產(chǎn)生活活動的正常有效進(jìn)行具有重要作用。很多情況下我們需要知曉特定區(qū)域地點(diǎn)的溫濕度參數(shù)，以便對其實(shí)施有效觀測與控制。

隨著計算機(jī)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展和單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)如無線局域網(wǎng)（Wireless Fidelity，WiFi）、通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）、ZigBee通信和基于虛擬儀器的儀器儀表技術(shù)的普及發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)各種大小區(qū)域范圍的溫濕度等參數(shù)測量、傳輸與監(jiān)測提供了新的方式方法。當(dāng)今WiFi網(wǎng)絡(luò)日益普及，可有效利用該網(wǎng)絡(luò)為中小范圍區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)測量、傳輸與監(jiān)測提供便捷途徑。因此，本文提出了基于單片機(jī)、WiFi和虛擬儀器軟件LabVIEW技術(shù)的無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)測量、無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)視與管理，為中小區(qū)域范圍工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活場所的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)傳輸與監(jiān)測提供了成本較低且方便擴(kuò)展的新模式。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線溫濕度傳輸與監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由現(xiàn)場STC89C52RC單片機(jī)溫濕度測量單元、WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、基于LabVIEW的監(jiān)測主機(jī)界面管理部分組成。分布在觀測點(diǎn)的測量單元將獲取的溫濕度數(shù)據(jù)通過單片機(jī)串口經(jīng)WiFi模塊發(fā)送，遠(yuǎn)程控制室監(jiān)控主機(jī)通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）與WiFi模塊通信，利用LabVIEW軟件設(shè)計監(jiān)測管理界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸與管理等功能。

2 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸分為無線和有線兩種模式。有線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高且傳輸速率比無線高。但隨著IEEE 802.11ac的出現(xiàn)，可提供最高1 Gb/s帶寬，相對于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬相差無幾。在中小區(qū)域范圍下，IEEE 802.11b/g/n這種通信標(biāo)準(zhǔn)已足夠。無論在設(shè)備維護(hù)方面還是基于成本的考慮，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸都比有線數(shù)據(jù)傳輸性價比高。

當(dāng)前先進(jìn)的無線通信技術(shù)主要有長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)、WiFi技術(shù)。兩者最大的差別在于適用場合與傳輸距離不同。LTE技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端，需要許多額外無線傳輸成本，存在公網(wǎng)租用、用戶身份識別卡（Subscriber Identity Module，SIM）等成本，不適合作為大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式。而在中小區(qū)域范圍，WiFi網(wǎng)絡(luò)配置越來越普及，只需要把WiFi設(shè)備帶入生產(chǎn)生活區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)幾乎所有的地方都能收到設(shè)備發(fā)出的WiFi信號。因此可以采用WiFi無線傳輸模式作為數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

2.1 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

單片機(jī)通過串口與WiFi模塊相連，將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，再經(jīng)由WiFi模塊轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

本文采用的WiFi模塊型號為USR-WIFI232-602，WiFi串口服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)WiFi功能，可將RS-232串口轉(zhuǎn)換為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，實(shí)現(xiàn) RS-232串口的WiFi數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。USR-WIFI232-602模塊有接入點(diǎn)（Access Point，AP）、Station和AP與Station組合三種網(wǎng)絡(luò)模式，透明傳輸、串口指令、HTTPD Client三種工作模式。文中選用AP網(wǎng)絡(luò)模式、透明傳輸工作模式作為無線AP裝置，監(jiān)控主機(jī)作為TCP Server與單片機(jī)單元進(jìn)行無線通信。單片機(jī)工作在串行通信方式1下，波特率為9 600 b/s。在單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成字節(jié)逐個發(fā)送出去，接收端收到數(shù)據(jù)后獲得一個字符串，即傳遞的內(nèi)容[1-3]。

2.2 LabVIEW TCP通信

TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今使用最多的協(xié)議。TCP采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與客戶端的方式通信。服務(wù)器應(yīng)用程序負(fù)責(zé)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)或從客戶端讀取數(shù)據(jù)，客戶端應(yīng)用程序同樣可以從服務(wù)器應(yīng)用程序中獲取數(shù)據(jù)或向服務(wù)器發(fā)送請求，無論是服務(wù)器還是客戶端，都可以進(jìn)行雙向發(fā)送與接收。兩者的主要區(qū)別在于服務(wù)器一方可以向多個客戶端提供服務(wù)。在LabVIEW中，TCP通信的過程如下：

（1）服務(wù)器端通過主機(jī)名或IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。

（2）客戶端根據(jù)主機(jī)的IP地址和端口號發(fā)送連接請求，待服務(wù)器與客戶端建立連接后，通過讀寫函數(shù)就可以進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信。TCP通信方式分為兩種，即以字節(jié)流數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)與發(fā)送和接收字符串，這種通信方式與串口通信相似，也是最常被使用的通信方式。

溫濕度遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信是基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，TCP通信采用發(fā)送和接收字符串的通信方式。單片機(jī)單元處理的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)串口通過WiFi模塊發(fā)送，WiFi模塊采用AP+CLIENT工作模式。在AP模式下，WiFi模塊每次發(fā)送的IP地址都會隨機(jī)變化，不能直接監(jiān)聽其IP地址，但其端口號不變，因此可通過端口函數(shù)監(jiān)聽獲取其IP地址。獲取地址后， 從單片機(jī)發(fā)送的字符串就可以通過讀取TCP函數(shù)獲得，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。關(guān)鍵的地址監(jiān)聽與數(shù)據(jù)獲取LabVIEW框圖程序如圖2所示。

3 主機(jī)LabVIEW監(jiān)測管理設(shè)計

基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測程序主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）無線數(shù)據(jù)接收：通過TCP/IP協(xié)議接收經(jīng)WiFi模塊傳輸?shù)臏貪穸葴y量數(shù)據(jù)。

（2）溫濕度顯示：識別并提取溫濕度測量值，分別由溫濕度顯示框和波形圖顯示。

（3）溫濕度超限報警：當(dāng)溫濕度測量值超限時，以不同顏色點(diǎn)亮報警燈警示。

（4）溫濕度報警閾值設(shè)置：設(shè)置溫濕度報警限值。

（5）歷史數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)記錄存儲。

在準(zhǔn)確獲取WiFi模塊傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)后，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和管理。主機(jī)監(jiān)測前面板界面如圖3所示。界面監(jiān)測管理具有監(jiān)測啟?？刂?、溫濕度數(shù)據(jù)自動采集和顯示、溫濕度限值參數(shù)設(shè)置、歷史溫濕度曲線實(shí)時顯示及主動記錄溫濕度歷史數(shù)據(jù)到Excel表格和自動記錄越限溫濕度報警數(shù)據(jù)與報警時間到Excel表格文件以備查詢等功能。

主機(jī)監(jiān)測部分的數(shù)據(jù)處理LabVIEW框圖程序如圖4所示。即在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，如采集控制、數(shù)據(jù)顯示、故障報警、歷史數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)的存儲記錄查詢等[4-9]。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于WiFi和LabVIEW技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測方案，以溫濕度測量與監(jiān)測為例，實(shí)現(xiàn)中短距離范圍內(nèi)的信息采集和傳輸管理。該方案將本地單片機(jī)單元的采集測量數(shù)據(jù)經(jīng)串口由WiFi模塊發(fā)送進(jìn)行無線傳輸，主機(jī)采用LabVIEW技術(shù)通過TCP/IP協(xié)議與單片機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。實(shí)驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠的實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸及處理、管理，是一種經(jīng)濟(jì)可行的中短距離無線數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測方案。

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