基于单片机和WiFi的无线温湿度检测节点设计

　　摘要：基于AM2303温湿度传感器、STC15F104W单片机和WiFi模块设计了一种无线温湿度检测节点。介绍了AM2303及其通信协议、WiFi模块及其组网特性等，并且给出了读取AM2303数据的软件流程。经测试，该节点通信距离远，组网灵活，可很好地应用于粮库粮情检测等实际工作环境。

　　引言

　　随着无线通信、嵌入式系统以及网络等技术的快速发展，无线传感器网络在军事和环境监测等领域得到了广泛的应用。它由部署在检测区域内的大量廉价的微型传感器网络节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，用以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

　　这是一种全新的信息获取技术，在无线传感器网络中常用的无线通信技术包括蓝牙、WiFi、ZigBee等。其中，蓝牙技术协议复杂、开发成本高;ZigBee通信距离较短。而WiFi技术具有传输速率高、覆盖范围广、组网成本低、与Internet网络无缝连接等优点，在通信距离等方面与其他无线通信技术相比具有显著的优势，这使得该技术在温湿度检测领域应用中具有明显优势。

　　本文结合无线传感器网络的设计思想，设计了一种基于WiFi技术的温湿度实时检测终端节点。

　　1 节点硬件设计

　　节点硬件电路如图1所示。硬件结构由数字温湿度传感器、WiFi通信模块和单片机三个模块组成。

　　1.1 AM2303温湿度传感器

　　本设计采用的数字温湿度传感器为广州奥松电子有限公司生产的AM2303温湿度传感器。它是一款新型单总线传感器，其内部包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件。温度测量范围为-40～+80℃，精度为±0.3℃;湿度测量范围为0～99.9%RH，精度为±2%RH(25℃)。

　　相比市场上常见的SHT1x系列温湿度传感器，AM2303具有价格低、算法简单等优点，并且具有低功耗、自动化校准、传输距离远等特点。

　　1.1.1 引脚说明

　　AM2303引出3个引脚。其中，VDD、GND为电源引脚，供电3.5～5.5 V;SDA为数据线，用于与单片机STC15F104W进行通信。SDA引脚为三态结构，用于读、写传感器数据。

　　1.1.2 通信协议

　　AM2303具体通信时序图如图2所示。采用简化的单总线通信，节点对AM2303的控制和数据交换均由数据线完成。数据线一次传送40位温湿度数据，高位先出。

　　单片机向AM2303发送一次起始信号(图中粗线所示区域)后，AM2303从休眠模式转换到高速模式并发送响应信号，从数据线SDA串行送出检测到的温湿度数据，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。具体通信协议描述如下：

　　①单片机向AM2303发送起始信号，将数据线SDA拉低一段时间(至少800μs)，然后释放数据线，侦听AM2303送出的响应信号。

　　②AM2303发出响应信号，将数据线SDA拉低80μs，再拉高80μs作为响应信号响应单片机。

　　③AM2303通过数据线SDA串行输出40位数据，高位先出，发送的数据依次为湿度高8位、湿度低8位、温度高8位、温度低8位和8位校验位。AM2303传出的湿度和温度值是实际湿度和温度值的10倍，温度最高位(位15)为符号位，置“1”表示负温度，置“0”表示正温度;温度低15位(位14～位0)表示温度值。校验位为湿度高位、湿度低位、温度高位和温度低位之和。

　　④AM2303的数据线SDA输出40位数据后，继续输出50μs低电平，然后转为输入状态。由于上拉电阻作用，数据线变为高电子。AM2303内部再次测量温湿度数据，并记录数据，等待单片机再次发送起始信号。

　　1.1.3 位数据格式

　　位数据“0”、位数据“1”格式信号如图3所示。AM2303发送完响应信号之后，由数据线SDA连续串行输出40位数据。位数据“0”的格式为50μs的低电平加26～28μs的高电平。位数据“1”的格式为50 μs的低电平加70us的高电平。

　　1.2 WiFi通信模块

　　本设计采用的WiFi通信模块为有人科技有限公司生产的超低功耗嵌入式WiFi模组(USR-WiFi232-G)。该模块提供了一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案，提供了一体化的801.11/b/g/n WiFi的低功耗解决方案。USR-WiFi232-G是一款集成了所有WiFi功能的模块，采用表贴封装，配备有内置PCB天线、外置天线连接器。采用FCC/CE标准认证，频率范围为2.412～2.484 GHz，工作电压范围为3.6～3.1 V，在-40～85℃环境内可正常工作，使用内置天线时信号传输距离可达到150m，使用外置天线时则可达400 m。

　　1.2.1 WiFi无线组网

　　USR-WiFi232-G支持无线组网功能，既可以作为无线接入点(AP)实现无线网络的中心节点功能，也可以作为无线站点(STA)实现无线网络终端功能。

　　利用USR-WiFi232-G组网有基于AP的组网和基于AP+STA共存的组网两种方式。基于AP的无线组网是一种基本的组网方式，由一个AP和多个STA组成，AP处于中心地位，多个STA之间通过AP转发完成相互通信。USR-WiFi232-G支持基于AP+STA共存的组网方式，即模块可同时支持一个AP接口和一个STA接口，如图4所示。模块的STA接口可以与路由器相连，并通过TCP连接与网络中的服务器相连，由此可通过互联网实现远程通信。同时模块上的AP接口也是可用的，智能手机或PAD等可直接连接到AP接口上，控制串口设备或模块与设备进行通信。这种无线组网模式为用户的使用提供了更大的灵活性。