基于ESP8266的信號(hào)采集終端設(shè)計(jì)

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 羅 章 賈程乾 于津瓔 李佩錦 甘琳巧 劉 帥

該采集終端是為各種變送器配套設(shè)計(jì)的無線信號(hào)采集裝置。主要針對(duì)外部變送器采集物理信號(hào)后轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)，在ARM系統(tǒng)控制下，借助ESP8266模塊轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)，通過無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，最后由上位機(jī)相匹配的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)了外部物理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

引言：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，對(duì)于各種信號(hào)（如溫度、濕度、壓力、流量等）的采集非常廣泛。傳統(tǒng)信號(hào)采集中采用人工測量及有線傳輸方式有諸多弊病，浪費(fèi)人力成本，容易出錯(cuò)，布局布線困難等。針對(duì)上述問題，結(jié)合信號(hào)采集無線化的發(fā)展方向，本文設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi模塊ESP8266的信號(hào)采集終端，實(shí)現(xiàn)了采集信號(hào)的無線傳輸。

1.信號(hào)采集終端的結(jié)構(gòu)圖

該信號(hào)采集終端結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括ARM主控芯片、Wi-Fi模塊及電源電路。ARM主控芯片是采集終端的控制中心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理與傳輸?shù)?，通過UART通用異步收發(fā)傳輸器在主控ARM芯片與ESP8266之間進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電信號(hào)與無線Wi-Fi信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，電源電路為各功能模塊及需要供電的外接傳感器系統(tǒng)供電。

圖1 信號(hào)采集終端結(jié)構(gòu)圖

2.信號(hào)采集終端的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM主控芯片

該采集系統(tǒng)的主控芯片選用了STM32F103C8T6，該芯片是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～85°C。主控芯片外部接有晶振（8MHZ）、復(fù)位及輸入輸出電路，如圖2所示。STM32F103C8T6的IO口被其相應(yīng)的功能占用一部分，外部變送器的OUT端輸出口與STM32F103C8T6未占用的IO口連接，進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，圖中A1、A2為兩個(gè)模擬量輸入口，D1、D2為兩個(gè)數(shù)字量輸入口，輸入端（RXD0）與輸出端（TXD0） 兩個(gè)串口分別與ESP8266的串口TXD1、RXD1連接，建立數(shù)據(jù)通信渠道。ADC采樣的參考電壓為3.3V，分辨率為12位，這樣模擬信號(hào)就轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。ARM主控芯片又通過硬件UART收發(fā)傳輸器將數(shù)字量傳輸?shù)紼SP8266芯片中。

圖2 STM32F103C8T6接口電路圖

2.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用樂鑫公司的ESP8266模塊，ESP8266系列芯片是樂鑫信息科技在2015年推出的Wi-Fi芯片，該芯片憑借其高集成度、低功耗和易用性在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了肯定，是實(shí)現(xiàn)基于Wi-Fi遠(yuǎn)程控制最好選擇。ESP8266是一款串口轉(zhuǎn)Wi-Fi 的透傳模塊，支持soft AP模式、station模式、或者soft AP +station共存模式（曹振民,陳年生,馬強(qiáng),武凌,武婧.基于ESP8266的無線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017,30(01):68-69）。這里采用station模式，即把ESP8266當(dāng)作一個(gè)客戶端，可將其連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266的接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示，其串口輸入端（RXD1）、輸出端（TXD1）分別與ARM芯片STM32F103的串口輸出端、輸入端連接，其復(fù)位端（RST）直接連接至ARM芯片的復(fù)位端。

圖3 Wi-Fi模塊接口電路圖

ESP8266的Wi-Fi模塊與無線路由器或者無線熱點(diǎn)連接有兩種連接方式。一種是直接通過軟件編程，在程序中設(shè)置無線路由器或者無線熱點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)名稱、密匙、網(wǎng)關(guān)和掩碼，程序載入運(yùn)行之后即可連接；另一種是先通過手機(jī)連接同一路由器或者無線熱點(diǎn)，再在手機(jī)上通過配用的APP軟件給ESP8266的Wi-Fi 模塊發(fā)送路由器或者無線熱點(diǎn)的密碼進(jìn)行智能連接，這樣也可使ESP8266模塊與無線網(wǎng)絡(luò)連接起來。

2.3 電源電路

電源電路如圖4所示，3.3V穩(wěn)壓芯片AMS117-3.3給ARM芯片、Wi-Fi模塊供電，同時(shí)留出外接引出端，給外接的需3.3V電壓供電的傳感器系統(tǒng)供電。另外5V穩(wěn)壓芯片ASM117-5提供了5V電壓，可以給外接需5V電壓供電的傳感器系統(tǒng)供電。整個(gè)信號(hào)采集終端采用電池供電方式，供電范圍6V～18V之間，可采用鋰電池串聯(lián)供電。

圖4 電源電路圖

3.信號(hào)采集終端聯(lián)網(wǎng)形式

3.1 UDP傳輸模式

UDP中文名是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)，即一種簡單的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議（黃玉金,楊越,薛偉,張?zhí)斐?無線模塊的AT指令UDP透傳設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2018,25(01):34-36+33）。

ESP8266的UDP傳輸方式分為兩種：UDP限定透傳、UDP自由傳輸。UDP自由傳輸不能使用透傳模式，但是可以給任意UDP主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，改變?cè)O(shè)定的UDP主機(jī)端口號(hào)即可。UDP限定透傳可以使用透傳模式，但是只能限定一個(gè)遠(yuǎn)程UDP主機(jī)，事先設(shè)定好端口號(hào)不能更改，因此不能給其他的UDP主機(jī)發(fā)送，即一對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸方式。

UDP傳輸模式的基本框圖如圖5。通過將ESP8266模塊與上位機(jī)連入同一個(gè)路由器中，ESP8266模塊與上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)小型的無線局域網(wǎng)，這樣就搭建好了數(shù)據(jù)通訊的環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ESP8266直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 無線局域網(wǎng)傳輸模式示意圖

3.2 云服務(wù)器模式

云服務(wù)器是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，其管理方式比物理服務(wù)器更簡單高效。當(dāng)上位機(jī)或手機(jī)無法與開發(fā)板連接到同一路由器上時(shí)，UDP傳輸模式就無法再發(fā)揮作用，此時(shí)我們可以選用云服務(wù)器模式來實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸。

該采集終端選擇的云服務(wù)器有Yeelink云服務(wù)器和OneNet云服務(wù)器，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。云服務(wù)器模式的數(shù)據(jù)傳輸中，先將ESP8266的Wi-Fi模塊與路由器或無線熱點(diǎn)連接，再在軟件編程中用void Load_Net_Parameters(void)這個(gè)函數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及工作模式，選用好合適的參數(shù)后下載到數(shù)據(jù)采集終端的ARM主控芯片中。接著我們要聯(lián)網(wǎng)的上位機(jī)登錄相關(guān)的云服務(wù)器，注冊(cè)并登錄自己的賬號(hào)，在賬號(hào)中添加自己需要的設(shè)備信息并且建立一個(gè)接受上傳數(shù)據(jù)的設(shè)備，這樣我們就可以看到上傳數(shù)據(jù)的圖表了。

圖6 云服務(wù)器傳輸模式示意圖

4.信號(hào)采集終端的軟件設(shè)計(jì)

該采集終端連接的上位機(jī)軟件，可以根據(jù)外部采集的物理信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，按照用戶需求定制界面，本文不做詳細(xì)介紹。這里主要介紹作為下位機(jī)的采集終端內(nèi)針對(duì)ARM主控芯片和Wi-Fi模塊的軟件編程。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

下位機(jī)軟件通過Keil 軟件進(jìn)行編寫調(diào)試和燒錄。主體程序流程圖如圖7所示。該采集終端軟件編程中，首先設(shè)置好ESP8266的協(xié)議（UDP）和工作模式，配置Wi-Fi連接的信息，設(shè)置好相應(yīng)的主機(jī)IP地址，連接好網(wǎng)絡(luò)后就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。軟件中按照設(shè)置好的采樣間隔觸發(fā)定時(shí)器中斷，然后對(duì)輸入的模擬信號(hào)利用ARM主控芯片進(jìn)行ADC采樣，獲取模擬輸入端口采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，最后通過串口讀寫將數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP8266模塊，按照Wi-Fi模式向上位機(jī)或云服務(wù)器進(jìn)行無線傳輸。

5.結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)測試，按照上述方法構(gòu)建的采集終端性能穩(wěn)定，可靠地實(shí)現(xiàn)了多路變送器物理信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與無線傳輸。由于采用了通用無線路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備組網(wǎng)靈活，可根據(jù)需要進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)采集，或云端遠(yuǎn)程傳輸。通過采用更高主頻的ARM主控芯片還可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)采集速度，并在采集終端完成一些數(shù)據(jù)分析處理功能?？梢娺@種無線信號(hào)采集終端簡便易行，穩(wěn)定可靠，有著很好的應(yīng)用前景。