一種通用的教學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的設(shè)計

王開宇， 鄔亞勝， 崔承毅， 巢 明， 盧 誠

(大連理工大學(xué) 1. 電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心，2. 電子信息與電氣工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID)和各種傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1～3]。隨著科技的進步，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸進入大家的視野，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。

作為物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的一個重要組成部分，我們?yōu)閷W(xué)生創(chuàng)建一個基于Html5、WebGL、CSS3和物聯(lián)網(wǎng)傳感器通訊技術(shù)的實驗系統(tǒng)[4～5]。在實驗課上，該系統(tǒng)可以方便學(xué)生應(yīng)用各種傳感器和效應(yīng)器進行安裝和調(diào)試，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信模塊和WIFI發(fā)射模塊，將實驗室各模塊信息及時上傳到瀏覽器端，同時，在瀏覽器端還可以控制實驗室各傳感器模塊的信息和狀態(tài)。

該實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的設(shè)計。本實驗系統(tǒng)的傳感器節(jié)點設(shè)計的思路和方法具有簡明易學(xué)的特點，特別適合普通高等院校本科教學(xué)之用。

1 設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)概述

該實驗系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點設(shè)計的方框圖如圖1所示，包括信息的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理、WIFI模塊和命令的執(zhí)行。

信息的采集主要靠傳感器，一般的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器等；數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理需要依靠微處理器中的程序?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)字信號或模擬信號進行轉(zhuǎn)換處理，這里采用的微處理器為STC15W4K58S4；數(shù)據(jù)上傳與接收控制指令都在WIFI模塊上進行，這里采用串口轉(zhuǎn)WIFI模塊USR-WIFI-232-A2方便系統(tǒng)的實現(xiàn)；執(zhí)行指令一般采用微處理器控制繼電器等進行外圍設(shè)備控制。該節(jié)點的主控芯片為51系列芯片，學(xué)生只需要掌握單片機串口方面的知識，不需要掌握復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這使得學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的難度大大降低，也有利于物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)任務(wù)的推進。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點設(shè)計的方框圖

1.2 硬件設(shè)計

節(jié)點的硬件主要包括，微處理器外圍電路、電源供應(yīng)電路、WIFI模塊及外圍電路、傳感器及外圍電路。學(xué)生能夠通過硬件電路的設(shè)計過程充分了解物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的實現(xiàn)原理，加深對物聯(lián)網(wǎng)的認識。電路設(shè)計使用Altium Designer14軟件進行設(shè)計。

1)微處理器電路設(shè)計

微處理器及外圍電路主要包括主控芯片STC15W4K58S4及其下載電路，如圖2所示。該電路為典型的51下載電路，下載電路使用PL-2303SA芯片，USB口作輸入。

2)電源供應(yīng)電路

由于設(shè)計使用的WIFI模塊的工作電壓為3.3 V，所以采用開關(guān)電源芯片LM2596-3.3進行電壓轉(zhuǎn)換，為WIFI模塊進行供電，基本電路如圖3所示。

3)WIFI模塊及外圍電路

USR-WIFI232-A2 模組是一款一體化的 802.11b/g/n 的模組，通過該模塊，傳統(tǒng)的設(shè)備或 MCU 控制的設(shè)備可以通過串口很方便地接入 WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制與管理。學(xué)生不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，該模塊內(nèi)部自動完成串口對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，通過簡單設(shè)置即可實現(xiàn)串口與指向IP端口之間數(shù)據(jù)的雙向透傳，并做了專業(yè)的優(yōu)化。

圖2 微處理器及外圍電路圖

圖3 電源供應(yīng)電路圖

USR-WIFI232-A2 作為熱點可以同時容納32個 WIFI 客戶端的同時接入，也可同時容納32個 TCP 客戶端。使用該模塊完全可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的通信要求。原理電路如圖4所示。

圖4 WIFI模塊及外圍電路圖

4)傳感器及外圍電路

由于傳感器種類較多，做實驗時候可以使用比較常見的DS18B20溫度傳感器作為例子，該傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)傳輸通過單線傳輸，外圍電路如圖5所示。該電路用來調(diào)整DS18B20，提供上拉電位，方便采集溫度數(shù)據(jù)[6]。

圖5 DS18B20基本電路圖

5)PCB版圖設(shè)計

使用Altium Designer14軟件進行電路設(shè)計，可以方便地設(shè)計PCB版圖，通過對元件進行合理的放置、連線、添加淚鏑、覆銅，最終得到PCB版圖，如圖6所示。

圖6 PCB版圖

1.3 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要是提高學(xué)生的邏輯思維能力，因為節(jié)點微處理器進行編程，需要理解處理器與傳感器之間的信息交互，才能穩(wěn)定實現(xiàn)節(jié)點的功能。編程語言采用C語言，這種語言比較簡單易學(xué)，學(xué)生能夠輕松掌握。程序設(shè)計分為主程序設(shè)計和串口中斷服務(wù)程序，其中主程序主要是對節(jié)點各個模塊進行初始化，然后采集傳感器的信息，將信息進行處理存儲。串口中斷服務(wù)程序主要是與上位機進行通訊，當(dāng)接收到上位機的指令后會觸發(fā)串口中斷服務(wù)程序，在串口中斷服務(wù)程序中，會對上位機指令進行解析，根據(jù)解析后的指令執(zhí)行特定的功能。比如命令節(jié)點發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，或是執(zhí)行控制指令。軟件的主程序和中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序設(shè)計流程圖

2 功能實現(xiàn)與應(yīng)用

首先，依據(jù)PCB版圖制作PCB板并焊接好各個器件，如圖8所示。然后，將程序燒寫進節(jié)點的板子，進行測試。最后，為串口轉(zhuǎn)WIFI模塊進行設(shè)置，設(shè)置該模塊的目標(biāo)IP地址以及端口號，該模塊就可以直接通過WIFI直接連入互聯(lián)網(wǎng)，向指定的IP發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器可以通過簡單的網(wǎng)頁直接接收到來自節(jié)點發(fā)送的信息，如圖9所示，也可以通過服務(wù)器直接對該節(jié)點發(fā)送指令。

圖8 PCB焊接實物圖

圖9 節(jié)點與服務(wù)器通訊實例圖

根據(jù)測試結(jié)果容易發(fā)現(xiàn)，節(jié)點能夠很好地與上位機進行通信，實現(xiàn)節(jié)點的基本要求，并且通信質(zhì)量穩(wěn)定，實現(xiàn)結(jié)果滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的需求。

該節(jié)點應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器通訊技術(shù)的實驗系統(tǒng)中，其中的網(wǎng)頁設(shè)計可以隨意擴展，以窗簾控制、燈光控制、空調(diào)控制、開門控制等模塊部分為例，在WebGL環(huán)境下實現(xiàn)實驗室各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的同步跟蹤與雙向通訊，學(xué)生能夠通過移動端或PC機的瀏覽器自由布局瀏覽，并登錄智慧實驗室云系統(tǒng)，實施設(shè)計、驗證和完成軟硬件協(xié)同物聯(lián)網(wǎng)通訊實驗，完成獲取實驗室各傳感器模塊和遠程信息監(jiān)視和控制任務(wù)。通過該系統(tǒng)，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)許多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識與技術(shù)，推進物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)進程。

3 結(jié)語

為了讓學(xué)生能夠更加靈活地體會物聯(lián)網(wǎng)各傳感器和控制端的通訊實驗，我們創(chuàng)建一個基于Html5、WebGL、CSS3和物聯(lián)網(wǎng)傳感器通訊技術(shù)的實驗系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，我們提出了一種能讓學(xué)生輕易掌握并實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點設(shè)計。該節(jié)點設(shè)計已經(jīng)很好地在筆者所在實驗中心智慧實驗室里使用，實驗中與上位機進行通訊，通訊信號比較穩(wěn)定，通用性良好，滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的信號傳輸穩(wěn)定的要求。鑒于該節(jié)點設(shè)計可以應(yīng)用于諸多物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)中的通用性，方便學(xué)生充分學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識和實驗，對學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)具有積極地推進作用。