基于WiFi的无线数据采集系统设计

张晓光

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

基于WiFi的无线数据采集系统设计

张晓光

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

本设计采用WiFi技术进行数据和命令的双向传输。其主要包括数据采集控制器、路由器和上位机。控制器选用51系列单片机，通过各种接口与传感器和执行机构相连，完成多种环境参数采集与显示，同时可以通过键盘设定和查询参数。多个数据采集控制器与路由器相连，作为上位机的电脑或手机也与之相连。这样构成了一个多点无线数据采集及传输系统，可用于智能温室、医院病房等场所，无须布线、施工成本低、终端可以移动。

WiFi；单片机；数据采集控制器；无线数据采集

数据采集系统应用范围越来越广，功能越来越全，更需要一种高效、简洁、高性价比的无线传输方式。本文设计了一套由单片机与WiFi模块构成的无线数据采集传输系统，可以满足多数环境的需要。

1 总体设计方案

本方案采用价格低廉的51单片机作为主控芯片，其与WiFi模块和各种传感器及IO设备构成数据采集控制器。这些控制器通过预设的通信协议与路由器连接并通信。上位机可以由电脑、平板甚至手机构成，同样以WiFi技术接入路由器。通过编制相应的上位机软件，上位机可实现对各个数据采集控制器的参数查询和控制。

2 数据采集控制器

数据采集控制器是本设计的主要设备。由单片机、显示模块、按键模块、拨码开关、传感器信号输入接口、执行器控制信号输出接口，串行接口等部分构成，其结构及原理如图1所示。

图1 数据采集控制器模块

根据设计要求，数据采集控制器需具备以下功能：

（1）信号输入与处理：各种传感器对现场环境参数进行采集，然后通过AD转换电路，将所得信号转换为数字信号，通过传感器数据输入接口送到单片机处理。

（2）设备地址设置：设备地址设置包括两个方面，第一，对WiFi模块的IP地址配置，可由专用软件配置工具完成。第二，对数据采集控制器的地址设置，即控制器的编号，用以区别多个数据采集控制器，可由拨码开关设置。

（3）液晶显示：控制器对采集的数据进行实时记录并显示。

（4）按键设置：通过按键可以对各参数阈值进行设定，并可查询各种数据。

（5）串行通信：WiFi模块与单片机通过串行口进行通信，硬件上通过RS-232标准，软件需要设计相应的通信协议。

（6）执行控制信号输出：采集的各种数据如果超出阈值范围，则需要控制相应的执行机构进行调整。

2.1 数据采集控制器主要电路

控制器的主要电路部分是单片机的最小系统，其他功能设计为插座接口，使扩展和更改更加灵活。其中J7对应显示接口，J9对应传感器信号输入接口，J10对应键盘及执行控制信号输出接口。

S2为拨码开关，用来设置本控制器编号或地址。方便系统随时加入新的控制器。通过对S2状态的读取，单片机可获取该控制器的编号或地址。

2.2 按键与液晶显示

按键电路设计采用4个独立按键，基本可以满足本系统的各种功能设置。如：菜单/功能键、上翻/+键、下翻/-键、确认键。

显示部分采用12232液晶显示器，其是一种自带字库及ASCII字符集的显示器件，比起1602来说，它可以显示汉字，并且体积较小。

2.3 WiFi模块

本系统采用的WiFi模块是海凌科电子推出的全新的第三代嵌入式UART WiFi模块产品，型号为HLK-WiFi-M03。UART WiFi是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过UART WiFi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。

3 WiFi模块IP配置

该模块在使用前根据控制器地址设置好参数，一般控制器地址或编号，作为IP的最后3位。

（1）IP地址的最后3位设置为241，端口为：27011。

（2）无线路由的无线网络名称设置为：ANHUI，无密码。

（3）无线路由的IP地址为：192.168.0.1。

（4）测试用主机可以用无线或有线方式连接到无线路由器，其IP地址固定设置为：192.168.0.2。

4 通信协议设计

各数据采集控制器与上位机的WiFi通信实际上是串行通信，这就需要严格的通信协议。本文协议以工业MODBUS协议为蓝本生成。通信协议设定为：通信波特率为9 600 bps，全双工异步，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

每帧内容：ASCII码传输，起始字节为：02H，结束字符为03H和校验。

（1）开始符、结束符：这里采用ASCII码的传输方式，根据表1，协议里起始符采用02H，结束符采用03H。当然这只是实验阶段的协议，实际可以采用更复杂的开始符和结束符，比如，两个字节的开始结束符。

表1 开始符-结束符

（2）设备地址：起始符后面紧接着用两个字节来装设备的地址，可以表示从01号到FF号共255个设备，即可以添加255个主控制器。注意这里的两个字节存储以ASCII码形式，如设备地址是FA，则实际存在里面的两个字节是：46H 41H。

（3）功能代码：设备地址后面用2个字节来存储功能代码，当然，如果要执行的功能较多，也可以扩展更多个字节。第一个字节表示功能，如查询用31H，设置用32H 。第二个字节表示对象，如温度用31H，温度用32H。则查询温度的功能代码即为：31H 31H。

（4）数据及校验：功能代码之后就是要传输的具体数据，数据的长短可根据具体返回的参数进行设置。

数据之后就是校验码。校验码对于传输来说十分重要，它关系到传输的速度和精确度。对于校验方法的设计可以多种多样。下面举例说明。

例1：校验字节需1个字节，产生方式：将设备地址、功能代码、数据的所有字节（不包含起始符和结束符字节）求和，取和的低 8 位（最后1个字节），然后：先取反，再循环左移1位。最后，将上述计算得到的数只保留低 4 位（半字节）的十六进制的ASCII码作为校验字节（例如：假设上述计算得到的数是“5AH”，只保留低 4 位的十六进制表示为“A”，其ASCII码为“41H”，则校验字节为：“41H”）。

5 上位机软件

要实现整个系统的运行，除了对数据采集控制器进行编程外，还需要设计配合使用的上位机软件。如果采用PC作为上位机，可以用VB或VC来编程实现。如果采用平板或手机，则要开发相应的App。

6 结语

本设计方案简单、组网方便快捷、成本低廉，并且可根据具体情况随时增加或减少接入终端数量。可以应用到农业、工业、医疗等生产生活的各个领域。例如：对智能温室各个温室的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等参数的采集和数据传输。对于医院病房中各床位病人的输液进度、心率、脉搏等实时数据的监控和测量。本系统有较好的应用性和可移植性，有一定的理论和应用价值。

[1]马增炜，马锦儒，李亚敏.基于WiFi的智能温室监控系统设计[J].农机化研究，2011（2）：154-157.

[2]李山，杨波.基于WiFi的环境监测系统设计[J].软件，2011（1）：42-45.

Design of wireless data acquisition system based on WiFi

Zhang Xiaoguang
（Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yongan 366000, China）

This design uses the WiFi technology to carry on bidirectional transmission of data and commands. It mainly includes data acquisition controller, router, and the host computer. The controller uses 51 Series MCU, connected through a variety of interfaces and the sensor and actuator, to complete the acquisition and display of various environmental parameters, at the same time it can query the parameters set by keyboard. And a plurality of data acquisition controller connected to a router, as PC computer or mobile phone connected. This constitutes a multi point wireless data acquisition and transmission system, which can be used for intelligent greenhouse, medicine hospital ward and other places, with no wiring, low construction costs, the terminal can be mobile and so on.

WiFi; single chip microcomputer; data acquisition controller; wireless data acquisition

张晓光（1980— ），男，吉林梅河口，讲师；研究方向：电子信息工程，自动化，单片机与嵌入式系统。