CN105608862A - 基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统 - Google Patents

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赵不贿
江帅
周炜彬
王占雷
周先锋
邹冰妍
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Abstract

本发明公开了基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，属于物联网技术领域，其包括云服务器、路由器、传感器接收与发送节点和传感器采集与发送节点；云服务器为连入公网的远程云服务器，云服务器将会通过移动以及Web端将传感器接收与发送节点处理过的温湿度数据呈现给用户；路由器建立传感器接收与发送节点与云服务器之间的联系；其中，路由器通过以太网与云服务器建立通信，路由器通过无线Wi-Fi与传感器接收与发送节点建立通信；本发明通过使用基于433MHz的无线射频通信网络组成的无线传感器网络，可有效实现对设备的远程监控以及对周边环境温湿度的有效检测；利用无线的特性可减少布线复杂度；配合移动终端和Web端可实现异地远程操作。

Description

基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统。
背景技术
近年来，随着互联网产业的兴起，云平台作为一种新兴的互联网服务平台为人们提供数据的在线存储、查询、备份和处理功能。它具有成本低、存储利用率高、多应用环境以及高安全性的应用特点。因此，云平台可应用于智能家居，移动互联网，农业自动化等领域。
在嵌入式Wi-Fi技术发展之前，传统的技术手段是使用嵌入式以太网实现与外部的云服务器进行通信。虽然以太网具有通讯速率快的特点，但相比于Wi-Fi通信有如下缺点：(1)布线繁琐，以太网通信需要使用双绞线来实现通信的可靠性，大量的布置双绞线使得现场环境杂乱，造成整理不便的问题；(2)以太网模块使用复杂，嵌入式以太网模块通常使用SPI总线实现与微控制器的通信，且大都没有内嵌TCP/IP协议栈，使用者往往要自己写入协议栈，造成代码量大，调试不便的问题；(3)高成本，以太网通信需要双绞线作为通信的传递介质，而线路的铺设与维护需要人力和物力两方面的成本。
基于433MHz的无线射频通信网络组成的无线传感器网络，433MHz通讯频率由于波长较长的本质特性，相比于当前流行的基于2.4GHz的无线射频通信网络组成的无线传感器网络有如下优势：(1)通讯距离远；(2)穿透力强；(3)抗干扰能力强。因此，433MHz通信频段更适合用于复杂环境中的通信。与此同时，无线传感器网络使用星型网络拓扑结构，相比于其他自组网络拓扑结构，该网络拓扑结构具有节省电池能量；节点之间可自由通信的特点。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，使用户在任何有外网覆盖的环境下使用移动以及Web页面远程检测被测区域温湿度环境，并在超出警戒值时远程控制现场设备动作，实现真正意义上的远程实时监控；同时，也克服了传统嵌入式以太网布线繁琐、使用复杂、高成本的问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其包括云服务器、路由器、传感器接收与发送节点和传感器采集与发送节点；
所述的云服务器为连入公网的远程云服务器，云服务器将会通过移动以及Web端将传感器接收与发送节点处理过的温湿度数据呈现给用户；所述的路由器建立传感器接收与发送节点与云服务器之间的联系；其中，路由器通过以太网与云服务器建立通信，路由器通过无线Wi-Fi与传感器接收与发送节点建立通信；
所述的传感器接收与发送节点，包括一个微控制器、第一433MHz无线射频通信芯片、Wi-Fi模块、LCD显示器、TTL-DB9串口芯片、J-Link下载口和电源管理模块，电源管理模块包括电源芯片以及稳压芯片；所述的微控制器为传感器接收与发送节点的协调运作，微控制器与第一433MHz无线射频通信芯片、Wi-Fi模块和TTL-DB9串口芯片分别交互相连，微控制器控制LCD显示器；其中，所述的第一433MHz无线射频通信芯片的通信频率为433MHz，第一433MHz无线射频通信芯片与传感器采集与发送节点互相通信；所述的Wi-Fi模块与路由器互相通信；所述的LCD显示器为显示传感器采集与发送节点传输的温湿度数据；所述的TTL-DB9串口芯片建立微控制器与上位机的通信，所述的上位机通过TTL-DB9串口芯片与微控制器互相通信，上位机通过TTL-DB9串口芯片设置Wi-Fi模块参数；所述的J-Link下载口为微控制器下载C语言程序；
所述的传感器采集与发送节点，包括一个51单片机、温湿度传感器、第二433MHz无线射频通信芯片、1*4Pin下载接口和电源模块，1*4Pin下载接口包括一个外接5V电源接口、一个接地、两个直接从51单片机引出的TTL串口接口，所述的电源模块包括一个2*3.7V七号锂电池和稳压芯片；所述的51单片机控制传感器采集与发送节点的协调运作，所述的51单片机与温湿度传感器和第二433MHz无线射频通信芯片分别交互相连，上位机通过1*4Pin下载接口为传感器采集与发送节点下载C语言程序；温湿度传感器采集周围环境温湿度数据；所述的第二433MHz无线射频通信芯片的通信频率为433MHz，第二433MHz无线射频通信芯片与传感器接收与发送节点互相通信。
所述的微控制器的型号为STM32F103VET6；第一433MHz无线射频通信芯片的型号为SI4432、LCD显示器的型号为ili9431；TTL-DB9串口芯片的型号为MAX3232；电源芯片的型号为RT7272B；稳压芯片的型号为AMS1117-3.3；所述的51单片机的型号为STC12LE5A60S2、温湿度传感器的型号为AMS2302、第二433MHz无线射频通信芯片的型号为SI4432。
所述的电源管理模块为传感器接收与发送节点提供5V/3.3V标准电压，所述的电源模块为传感器采集与发送节点提供3.3V标准电压；所述的微控制器、第一433MHz无线射频通信芯片、LCD显示器和J-Link下载口需要3.3V供电；Wi-Fi模块、TTL-DB9串口芯片需要5V供电。
所述的传感器接收与发送节点控制系统通信流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：基于时分复用算法发送数据包；
S3：判断是否接收到数据包；
S4：如果S3为真则进行数据包解析；
S5：判断数据包内是否带有传感器数据；
S6：如果S5为真，则显示；然后进行信息汇总；
S7：判断Wi-Fi模块是否成功将数据发送至公网；如果为真，则进入S8；如果为假，则重启Wi-Fi模块；
S8：进入待机模式并判断时间；如果时间到则进入S2进行新一轮的发送；如果时间没到，则继续等待；
S9：如果S5为假，判断是否为带有错误命令的数据包；如果为真，则进入S2；如果为假则汇报错误；
S10：如果S3为假，进行数据包重发并判断是否重发次数超过5次且其中是否收到数据包；如果为假，则进行S3判断；如果为真，则汇报错误；
S11：判断是否为最后一个节点的；如果为真，则进入S8；如果为假，则对下一个节点进行S2；
所述的传感器采集与发送节点通信流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：接收主机命令包；
S3：判断是否接收到命令包；
S4：如果S3为真，则解析命令包；如果S3为假则进入S2；
S5：判断是否为错误命令包；
S6：如果S5为真，则发送错误命令应答包；如果S5为假则进入传感器数据工作；
S7：发送传感器数据包；
S8：进入S2。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，通过使用基于433MHz的无线射频通信网络组成的无线传感器网络，可有效实现对设备的远程监控以及对周边环境温湿度的有效检测，及时发现危险并排除，为安全生产提供可靠的解决方案；利用无线的特性可减少布线复杂度，降低布线成本；配合移动终端和Web端可实现异地远程操作；克服了传统方案的局限性，全程实现检测与控制的自动化。
附图说明
图1为传感器接收与发送节点控制系统结构图；
图2为传感器采集与发送节点控制系统结构图；
图3为传感器接收与发送节点控制系统通信流程图；
图4为传感器采集与发送节点控制系统通信流程图；
图5为基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统结构图。
具体实施例
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，该系统包括云服务器、路由器、传感器接收与发送节点和传感器采集与发送节点。
云服务器为连入公网的远程云服务器，由云服务器供应商提供；云服务器主要功能为云计算功能，其中包括对数据的在线处理及在线存储；最终，云服务器将会通过移动以及Web端将传感器接收与发送节点处理过的温湿度数据呈现给用户。
路由器为普通的TP-Link路由器，路由器在系统中的主要功能为建立传感器接收与发送节点与云服务器之间的联系；其中，路由器通过以太网与云服务器建立通信；路由器通过无线Wi-Fi与传感器接收与发送节点建立通信。
如图1所示，基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统的传感器接收与发送节点，包括一个微控制器1(型号为STM32F103VET6)、第一433MHz无线射频通信芯片2(型号为SI4432)、Wi-Fi模块3、LCD显示器4(型号为ili9431)、TTL-DB9串口芯片5(型号为MAX3232)、J-Link下载口6和电源管理模块7，电源管理模块包括电源芯片(型号为RT7272B)以及稳压芯片(型号为AMS1117-3.3)；其中微控制器1为控制整个系统的协调运作；第一433MHz无线射频通信芯片2为建立图1与图2所示系统的通信网络，第一433MHz无线射频通信芯片2的通信频率为433MHz，第一433MHz无线射频通信芯片2与图2所示传感器采集与发送节点互相通信；Wi-Fi模块3为建立与外接路由器的连接，Wi-Fi模块3与外界路由器互相通信；LCD显示器4为显示图2传输的温湿度数据；TTL-DB9串口芯片5为建立微控制器1与上位机的通信以及对Wi-Fi模块3的参数配置，上位机通过TTL-DB9串口芯片5与微控制器1互相通信，上位机通过TTL-DB9串口芯片5设置Wi-Fi模块3参数；J-Link下载口6为微控制器1下载C语言程序；电源管理模块7为图1所示系统提供5V/3.3V标准电压，其中微控制器1、第一433MHz无线射频通信芯片2、LCD显示器4、J-Link下载口6需要3.3V供电；Wi-Fi模块3、TTL-DB9串口芯片5需要5V供电。
如图2所示，基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统的传感器采集与发送节点，包括一个51单片机8(型号为STC12LE5A60S2)、温湿度传感器9(型号为AMS2302)、第二433MHz无线射频通信芯片10(型号为SI4432)、1*4Pin下载接口11，1*4Pin下载接口包括一个外接5V电源接口、一个接地、两个直接从51单片机8引出的TTL串口接口、电源模块12，电源模块12包括一个2*3.7V七号可充电锂电池以及稳压芯片(型号为AMS1117-3.3)；其中51单片机8为控制整个系统的协调运作；温湿度传感器9为采集周围环境温湿度数据；第二433MHz无线射频通信芯片10为建立图2与图1所示系统的通信网络，第二433MHz无线射频通信芯片10的通信频率为433MHz，第二433MHz无线射频通信芯片10与图1所示系统互相通信；上位机可通过1*4Pin下载接口11为图2所示系统下载C语言程序；图2所示系统未上电池时上位机通过1*4Pin下载接口为整个系统提供电源；电源模块12为整个系统提供3.3V标准电压。
如图3所示，基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统的传感器接收与发送节点控制系统通信流程图，其主要流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：基于时分复用算法发送数据包；
S3：判断是否接收到数据包；
S4：如果S3为真则进行数据包解析；
S5：判断数据包内是否带有传感器数据；
S6：如果S5为真，则显示；然后进行信息汇总；
S7：判断Wi-Fi模块是否成功将数据发送至公网；如果为真，则进入S8；如果为假，则重启Wi-Fi模块；
S8：进入待机模式并判断时间；如果时间到则进入S2进行新一轮的发送；如果时间没到，则继续等待；
S9：如果S5为假，判断是否为带有错误命令的数据包；如果为真，则进入S2；如果为假则汇报错误；
S10：如果S3为假，进行数据包重发并判断是否重发次数超过5次且其中是否收到数据包；如果为假，则进行S3判断；如果为真，则汇报错误；
S11：判断是否为最后一个节点的；如果为真，则进入S8；如果为假，则对下一个节点进行S2。
如图4所示，基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统的传感器采集与发送节点通信流程图，其主要流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：接收主机命令包；
S3：判断是否接收到命令包；
S4：如果S3为真，则解析命令包；如果S3为假则进入S2；
S5：判断是否为错误命令包；
S6：如果S5为真，则发送错误命令应答包；如果S5为假则进入传感器数据工作；
S7：发送传感器数据包；
S8：进入S2。
如图5所示，基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统的系统结构图；图中展示了传感器网络星型网络拓扑结构、传感器接收与发送节点与云服务器通信流程以及用户层的远程访问方式；其中，传感器接收与发送节点通过自定义8位十六进制地址来区分传感器采集与发送节点，并通过时分复用原则与每一个独立的传感器采集与发送节点互相通信，以此来构成星型通信网络；采取图3，图4的通信算法，这片区域内的唯一一个传感器接收与发送节点可将通信时间段分为一个个小时间段与每一个独立的传感器采集与发送节点发送带有命令字的数据包，每一个独立的传感器采集与发送节点可在属于自己的通信时段内向传感器接收与发送节点发送错误字、传感器数据包；传感器接收与发送节点通过无线Wi-Fi网络与图中路由器通信，路由器通过以太网与云服务器通信，当遇到传感器接收与发送节点与云服务器通信错误的情况时，首先采取Wi-Fi模块重启的方式，重启完毕后重新建立通信；在传感器接收与发送节点的C程序中，根据HTTP协议格式写入相应的C语言HTTP协议通信程序，该通信程序能够使传感器接收与发送节点与外界云服务器稳定地通信；云服务器的用户层的远程访问方式分为移动用户访问和Web端访问；其中移动用户访问通过Android和IOS设备对云服务器实现远程监控和控制，Web端访问通过电脑Web网页访问云服务器，以此来实现远程监控和控制。
基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其工作流程为：传感器采集与发送节点可采集周围环境的温湿度数据，并通过433MHz无线射频芯片发送至传感器接收与发送节点，传感器接收与发送节点再通过Wi-Fi模块与路由器通信并连入公网，最终实现传感器接收与发送节点与云服务器的远程通信；在该系统中，若干传感器采集与发送节点与一个传感器接收与发送节点凭借433MHz无线射频通信芯片为通信媒介，组成传感器网络，该传感器网络以星型网络拓扑结构为主要的网络结构；远程云服务器可通过以太网与路由器通信，路由器再通过无线Wi-Fi网络与传感器接收与发送节点通信，这样云服务器就能够间接地远程监控目标区域环境温湿度，并通过移动和Web端将数据显示给用户以及对用户发出超出阈值警报。

Claims (4)

1.基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其特征在于：其包括云服务器、路由器、传感器接收与发送节点和传感器采集与发送节点；
所述的云服务器为连入公网的远程云服务器，云服务器将会通过移动以及Web端将传感器接收与发送节点处理过的温湿度数据呈现给用户；所述的路由器建立传感器接收与发送节点与云服务器之间的联系；其中，路由器通过以太网与云服务器建立通信，路由器通过无线Wi-Fi与传感器接收与发送节点建立通信；
所述的传感器接收与发送节点，包括一个微控制器(1)、第一433MHz无线射频通信芯片(2)、Wi-Fi模块(3)、LCD显示器(4)、TTL-DB9串口芯片(5)、J-Link下载口(6)和电源管理模块(7)，电源管理模块(7)包括电源芯片以及稳压芯片；所述的微控制器(1)为传感器接收与发送节点的协调运作，微控制器(1)与第一433MHz无线射频通信芯片(2)、Wi-Fi模块(3)和TTL-DB9串口芯片(5)分别交互相连，微控制器(1)控制LCD显示器(4)；其中，所述的第一433MHz无线射频通信芯片(2)的通信频率为433MHz，第一433MHz无线射频通信芯片(2)与传感器采集与发送节点互相通信；所述的Wi-Fi模块(3)与路由器互相通信；所述的LCD显示器(4)为显示传感器采集与发送节点传输的温湿度数据；所述的TTL-DB9串口芯片(5)建立微控制器(1)与上位机的通信，所述的上位机通过TTL-DB9串口芯片(5)与微控制器(1)互相通信，上位机通过TTL-DB9串口芯片(5)设置Wi-Fi模块(3)参数；所述的J-Link下载口(6)为微控制器(1)下载C语言程序；
所述的传感器采集与发送节点，包括一个51单片机(8)、温湿度传感器(9)、第二433MHz无线射频通信芯片(10)、1*4Pin下载接口(11)和电源模块(12)，1*4Pin下载接口包括一个外接5V电源接口、一个接地、两个直接从51单片机(8)引出的TTL串口接口，所述的电源模块(12)包括一个2*3.7V七号锂电池和稳压芯片；所述的51单片机(8)控制传感器采集与发送节点的协调运作，所述的51单片机(8)与温湿度传感器(9)和第二433MHz无线射频通信芯片(10)分别交互相连，上位机通过1*4Pin下载接口(11)为传感器采集与发送节点下载C语言程序；温湿度传感器(9)采集周围环境温湿度数据；所述的第二433MHz无线射频通信芯片(10)的通信频率为433MHz，第二433MHz无线射频通信芯片(10)与传感器接收与发送节点互相通信。
2.根据权利要求1所述的所述的基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其特征在于：所述的微控制器(1)的型号为STM32F103VET6；第一433MHz无线射频通信芯片(2)的型号为SI4432、LCD显示器(4)的型号为ili9431；TTL-DB9串口芯片(5)的型号为MAX3232；电源芯片的型号为RT7272B；稳压芯片的型号为AMS1117-3.3；所述的51单片机(8)的型号为STC12LE5A60S2、温湿度传感器(9)的型号为AMS2302、第二433MHz无线射频通信芯片(10)的型号为SI4432。
3.根据权利要求1所述的所述的基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其特征在于：所述的电源管理模块(7)为传感器接收与发送节点提供5V/3.3V标准电压，所述的电源模块(12)为传感器采集与发送节点提供3.3V标准电压；所述的微控制器(1)、第一433MHz无线射频通信芯片(2)、LCD显示器(4)和J-Link下载口(6)需要3.3V供电；Wi-Fi模块(3)、TTL-DB9串口芯片(5)需要5V供电。
4.根据权利要求1所述的所述的基于Wi-Fi和无线射频通信的远程温湿度云检测系统，其特征在于：所述的传感器接收与发送节点控制系统通信流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：基于时分复用算法发送数据包；
S3：判断是否接收到数据包；
S4：如果S3为真则进行数据包解析；
S5：判断数据包内是否带有传感器数据；
S6：如果S5为真，则显示；然后进行信息汇总；
S7：判断Wi-Fi模块是否成功将数据发送至公网；如果为真，则进入S8；如果为假，则重启Wi-Fi模块；
S8：进入待机模式并判断时间；如果时间到则进入S2进行新一轮的发送；如果时间没到，则继续等待；
S9：如果S5为假，判断是否为带有错误命令的数据包；如果为真，则进入S2；如果为假则汇报错误；
S10：如果S3为假，进行数据包重发并判断是否重发次数超过5次且其中是否收到数据包；如果为假，则进行S3判断；如果为真，则汇报错误；
S11：判断是否为最后一个节点的；如果为真，则进入S8；如果为假，则对下一个节点进行S2；
所述的传感器采集与发送节点通信流程为：
S1：首先进行硬件初始化；
S2：接收主机命令包；
S3：判断是否接收到命令包；
S4：如果S3为真，则解析命令包；如果S3为假则进入S2；
S5：判断是否为错误命令包；
S6：如果S5为真，则发送错误命令应答包；如果S5为假则进入传感器数据工作；
S7：发送传感器数据包；
S8：进入S2。
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