采用AX22001微处理器与Wi-Fi模块实现无线温度传感器的设计

1.概述
随着无线传感器网络技术的不断发展,它已经被广泛应用到工业、农业、医疗、航空航天以及海洋开发和探索等各个领域中,并解决了很多工程问题。在工农业领域,无线传感器技术的一项重要应用是对环境温度的监测,本文介绍了一种基于wifi技术的无线温度传感器,描述了其工作原理、设计方案和使用情况。
2.系统结构
本系统主要由无线wi-fi传感器模块、接收计算机组成。其核心部分是wi-fi无线传输模块。无线传感器网络中的终端节点模块直接和温度传感器节点相连接,通过wi-fi把传感器的数据传输到上位机,以进行进一步的数据处理。为了更方便地处理现场数据,本系统还设计了基于labview的上位机程序。
3.硬件设计
3.1 ax22001微处理器
本设计采用ax22001微处理器,ax22001是一款带有tcp/ip和802.11 wlan mac/基带的单芯片网络芯片,具有高效双cpu架构及用于程序存储的1mb共享内存,内嵌用于主处理器(mcpu)的64k数据存储器及用于wi-fi处理器(wcpu)的32kb数据存储器,内建tcp/ip加速器,符合802.11a/b/g的规范的mac/基带,高速以太网mac及丰富的通信外围设备,可用于各类需要接入有线/无线局域网或互联网的设备。
3.2 ds18b20
ds18b20是一款支持单总线接口的数字式温度传感器,它能够直接读取被测物的温度值。可以适应不同的环境需求,其测量范围在-55℃~+125℃,最高分辨率为0.0625℃,具有很强的抗干扰能力,读取和写入仅需要一根总线。ds18b20的内部存储资源有rom只读存储器和ram数据存储器。rom 只读存储器,用于存放id编码,其共9个字节ram。第1、2个字节是温度转换后的数据信息,第3和第4字节是高温触发器和低温触发器的易失性拷贝,第5个字节为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,ds18b20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值,可以设置为9、10、11、12位分辨率。9位时最大转换时间为93.75ms,而十二位时需要750ms。
3.3 温度采集单元设计
温度采集单元主要有传感器、处理器和电源组成,传感器18b20负责区域内温度信息的采集和数据转换,将温度的传感器信息经过a/d转换,得到数字信息,供处理器ax22001进行处理。其原理图如图1所示,其中ant_sel引脚接天线,用来传送无线信号。
图1 原理图
4.软件设计
本设计采用将wi-fi模块配置成udp客户端的方式来进行数据的传输。编程步骤:
(1)初始化。从命令行参数读取ip地址,并判断ip地址是否符合要求。
(2)建立一个udp socket。
(3)建立与服务程序的连接。与tcp协议不同,udp并没有与服务程序三次握手。使用连接的udp,kernel可以直接返回错误信息给用户程序,从而避免由于没有接收到数据而导致调用recvfrom()一直等待下去。
(4)向服务程序发送数据。这里的数据直接从标准输入读取用户输入。
(5)接收服务程序发回的数据。
(6)处理接收到的数据,这里是直接输出到标准输出上。该程序流程图如图2(a)所示。
根据ds18b20的通讯协议,主机(单片机)控制ds18b20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对ds18b20进行复位操作,复位成功后发送一条rom指令,最后发送ram指令,这样才能对ds18b20进行预定的操作。该流程框图如图2(b)所示。
图2 程序流程图
5.系统测试
本系统对一个温度传感器传输的数据进行了测试,得到的结果和温度及所测的结果非常接近,但是其比温度计的灵敏度和分辨率要高很多。另外系统工作也非常稳定,环境的影响也很小。图3是测试的结果,其中20℃的时候为室温,温度升高是由于用手触摸传感器所致。
图3 测试结果
6.结论
近年来,蓝牙、zigbee技术作为比较成熟的短距离无线网络技术得到广泛的应用,但是数据传输距离短,速率低,部分地方结网困难。然而,随着wi-fi(wireless fidelity,无线保真)技术的迅速推广,在众多短距离无线组网技术中,基于wi-fi的wlan解决方案是一种必然的趋势。wi-fi具有传输速率快,不需要布线,结网方便,适合实际环境封闭、危险测量困难或者对实时温度要求比较高的的地方等优点。
该设计还具有良好的可扩展性,如测量湿度,还可以增加摄像头,实现对图象乃至视频信号的实时采集、上传。


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