基于Arduino的無線傳輸通信系統(tǒng)研究

摘 要：設計了一款基于Arduino的便攜式無線傳輸通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用Arduino嵌入式單片機、HLK-RM04無線通信模塊、傳感器和數(shù)據(jù)接收終端等設備集數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸于一體，文中介紹了系統(tǒng)的硬件選型和設計思路[1]。通過實驗測試表明基于Arduino的無線通信系統(tǒng)實時性強、準確率高、且容易操控。可廣泛應用于高程測量、航空氣象、環(huán)境檢測等諸多領域。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；Arduino；傳感器；通信系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.132

1 引言

隨著無線網(wǎng)絡通信技術(shù)的快速發(fā)展，采用標準的TCP/IP協(xié)議對傳感器數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸逐漸增多，無線傳輸?shù)脑O計方法具有較強的通用性、兼容性和移動性，可以獲取各類傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采用無線傳輸供IOS系統(tǒng)、 Andriod系統(tǒng)和windows系統(tǒng)等終端接收并存儲使用，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸具有實時性、實用性和穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)的獲取效率較高。在高程測量、航空氣象、飛行航跡應用等領域有較好的應用[2]。

2 系統(tǒng)總體設計

無線傳輸通信系統(tǒng)由：傳感器模塊、無線通信模塊、Arduino主控模塊、數(shù)據(jù)系統(tǒng)接收終端等四部分組成。系統(tǒng)的工作原理是將傳感器采集獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino主控系統(tǒng)上，主控系統(tǒng)對獲取的數(shù)據(jù)處理并打包發(fā)送到無線通信模塊，同時主控系統(tǒng)對無線通信模塊控制設置熱點，將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，外部終端設備掃描連接熱點接收并解析出獲取的傳感器數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)下載保存到終端系統(tǒng)存儲[4]。

3 系統(tǒng)硬件設計

無線通信系統(tǒng)硬件電路由Arduino 控制模塊、無線通信模塊和氣壓溫度傳感器等部分組成。

3.1 主控系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)采用的主控模塊是Arduino Mega2560嵌入式單片機。Arduino有類似于C語言IDE集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以通過USB接口直接進行硬件設備連接和通信。

3.2 傳輸模塊

無線通信模塊采用的是HLK-RM04模塊，該模塊兼容串口、以太網(wǎng)和無線網(wǎng)三個接口之間的轉(zhuǎn)換，內(nèi)部嵌入了標準TCP/IP協(xié)議棧，為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸提供了完整快速的解決方案，模塊的工作模式如圖1所示。

傳感器模塊采用溫度、氣壓傳感器等分別對數(shù)據(jù)檢測。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)獲取測試的傳感器采用氣壓溫度傳感器BMP085，該傳感器精度高，對環(huán)境溫度敏感、采集環(huán)境溫度氣壓數(shù)據(jù)誤差較小，數(shù)據(jù)的處理采用插值、采樣算法，算法復雜度較低，容易實現(xiàn)[1，4]。

主系統(tǒng)由Arduino控制協(xié)調(diào)各部件工作，整個系統(tǒng)模塊的硬件布線圖如圖2所示[1]。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)擬采用蘋果手機、Arduino手機和筆記本電腦等終端系統(tǒng)作為接收客戶端。無線通信HLK-RM04模塊能支持的熱點發(fā)送有效范圍有限制，實驗采用無線信號覆蓋范圍20米區(qū)域進行測試接收數(shù)據(jù)，此范圍基本滿足了本系統(tǒng)的測試要求。

通信系統(tǒng)要達到兼容性，系統(tǒng)需采用標準的TCP/IP無線通信方式才能滿足各種終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的接收和解析。系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理、打包、建立無線熱點，客戶端采用IP輸入、密碼驗證登錄連接無線熱點，接收并解析獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的軟件流程圖如3所示[1-2]。

從上面主要算法流程程序看出，數(shù)據(jù)采集終端的軟件編程語言結(jié)構(gòu)清晰，語言復雜度不高，較好的滿足了系統(tǒng)設計需求。

5 系統(tǒng)測試

5.1 WLAN安全配置

系統(tǒng)的無線通信模塊采用的是嵌入式編程應屆模塊HKL-RM04 WiFi。模塊工作的模式采用WiFi/串口轉(zhuǎn)無線AP。該模式下，WiFi模式工作，其他模式關(guān)閉。WiFi模式下安全方面支持目前所有的加密方式。通過程序控制，使得整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端成為WiFi局域網(wǎng)下的設備[3]。無線模塊安裝完成后，系統(tǒng)開啟串口轉(zhuǎn)無線AP模式，系統(tǒng)可以通過瀏覽器登錄設置界面，設置網(wǎng)絡熱點連接。

無線模塊的內(nèi)置TCP/IP標準設置IP地址，鏈接密碼，網(wǎng)絡端口號，網(wǎng)絡設置完成以后終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸模型的建立就布置完成。當系統(tǒng)開啟了熱點后掃描連接熱點。

5.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)接收工具系統(tǒng)需要有解析出標準TCP/IP數(shù)據(jù)包的功能，能打開當前的網(wǎng)絡熱點連接，并開啟連接以及打開網(wǎng)絡端口，將接收數(shù)據(jù)保存等功能。為了有效獲取終端系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，須將接收終端系統(tǒng)放置在數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)設置的熱點覆蓋范圍內(nèi)，掃描終端系統(tǒng)的WiFi熱點并連接熱點，待連接穩(wěn)定以后開啟TCP/IP接收工具系統(tǒng)設置連接網(wǎng)絡IP，端口號，測試工具開啟接收數(shù)據(jù)功能，將接收的數(shù)據(jù)解析出來顯示并保存到數(shù)據(jù)庫[4]。

6 結(jié)語

本文設計并實現(xiàn)了一種基于Arduino的傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸通信系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)采集了氣壓傳感器檢測的環(huán)境氣壓和溫度數(shù)據(jù)實現(xiàn)WiFi通信。整個系統(tǒng)采用嵌入式的終端設備、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整、具有便攜性、可靠性、滿足了日常應用無線通信的需求。在日常生活中有一定的社會應用價值。

參考文獻：

[1]朱紅軍.基于氣壓傳感器的海拔高度測量系統(tǒng)設計[J].中國民用航空飛行學院學報，2015：67-70.

[2]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京航天航空出版社，2014.

[3]周緒貴.TCP/IP通信測試工具的開發(fā)與應用[J].工業(yè)控制計算機，2014.

[4]王登宏.基于Arduino的手機同步顯示溫濕度檢查系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機，2016（07）.

課題：本文由中國民用航空飛行學院青年基金項目基于Arduino的無線傳輸通信系統(tǒng)研究（編號：Q2018-167）、基于GPS組合導航的地圖匹配定位技術(shù)研究項目（編號：J2018-17）支持

作者簡介：朱紅軍（1990-），男，安徽宿松人，碩士研究生，研究實習員，研究方向：電子科學技術(shù)及應用、計算機信息和通信系統(tǒng)。