基于WiFi和LabVIEW技术的无线数据传输与监测设计
方案。现场温湿度数据由DHT11温湿度传感器和STC89C52RC单片机构成的检测单元采集，获取的温湿度数据通过单片机串口经专用WiFi无线传输模块发送；远程主机数据管理采用虚拟仪器软件LabVIEW开发，通过TCP/IP协议与WiFi模块实现数据通信并进行数据处理和人机界面编制。经测试，设计方案能准确、可靠的实现数据传输与监测管理。本设计提供了在WiFi网络覆盖场所实现无线数据传输与监测的一种经济可行的方法。
关键词：单片机；温湿度测量；WiFi无线通信；LabVIEW；TCP/IP协议
中图分类号：TP274；TP273；TP31；TP319 文献标识码：B 文章编号：2095-1302（2017）06-00-02
0 引 言
温湿度是生产生活中的重要参数，对生产生活活动的正常有效进行具有重要作用。很多情况下我们需要知晓特定区域地点的温湿度参数，以便对其实施有效观测与控制。
随着计算机、通信技术的不断发展和单片机技术的广泛应用，与无线数据传输技术如无线局域网（Wireless Fidelity，WiFi）、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）、ZigBee通信和基于虚拟仪器的仪器仪表技术的普及发展，为实现各种大小区域范围的温湿度等参数测量、传输与监测提供了新的方式方法。当今WiFi网络日益普及，可有效利用该网络为中小范围区域的温湿度数据测量、传输与监测提供便捷途径。因此，本文提出了基于单片机、WiFi和虚拟仪器软件LabVIEW技术的无线温湿度数据传输与监测方案，实现了温湿度数据测量、无线传输和远程监视与管理，为中小区域范围工农业生产生活场所的关键环境参数传输与监测提供了成本较低且方便扩展的新模式。
1 系统总体结构设计
无线温湿度传输与监测系统总体结构如图1所示。
系统由现场STC89C52RC单片机温湿度测量单元、WiFi无线数据传输模块、基于LabVIEW的监测主机界面管理部分组成。分布在观测点的测量单元将获取的温湿度数据通过单片机串口经WiFi模块发送，远程控制室监控主机通过传输控制协议/网络协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）与WiFi模块通信，利用LabVIEW软件设计监测管理界面，实现远程温湿度数据的无线传输与管理等功能。
2 无线数据传输设计
数据传输分为无线和有线两种模式。有线数据传输稳定性高且传输速率比无线高。但随着IEEE 802.11ac的出现，可提供最高1 Gb/s带宽，相对于有线网络传输带宽相差无几。在中小区域范围下，IEEE 802.11b/g/n这种通信标准已足够。无论在设备维护方面还是基于成本的考虑，无线网络数据传输都比有线数据传输性价比高。
当前先进的无线通信技术主要有长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术、WiFi技术。两者最大的差别在于适用场合与传输距离不同。LTE技术数据传输距离远，作为数据的发送端，需要许多额外无线传输成本，存在公网租用、用户身份识别卡（Subscriber Identity Module，SIM）等成本，不适合作为大规模监控网络的传输方式。而在中小区域范围，WiFi网络配置越来越普及，只需要把WiFi设备带入生产生活区域，此区域内几乎所有的地方都能收到设备发出的WiFi信号。因此可以采用WiFi无线传输模式作为数据监控网络传输方式。
2.1 单片机数据传输设计
单片机通过串口与WiFi模块相连，将待传输数据发送至串口，再经由WiFi模块转换实现无线传输。
本文采用的WiFi模块型号为USR-WIFI232-602，WiFi串口服务器提供串口转WiFi功能，可将RS-232串口转换为TCP/IP网络协议接口，实现 RS-232串口的WiFi数据双向透明传输。USR-WIFI232-602模块有接入点（Access Point，AP）、Station和AP与Station组合三种网络模式，透明传输、串口指令、HTTPD Client三种工作模式。文中选用AP网络模式、透明传输工作模式作为无线AP装置，监控主机作为TCP Server与单片机单元进行无线通信。单片机工作在串行通信方式1下，波特率为9 600 b/s。在单片机发送数据过程中，将要发送的数据分成字节逐個发送出去，接收端收到数据后获得一个字符串，即传递的内容[1-3]。
2.2 LabVIEW TCP通信
TCP/IP作为网络通信的标准，是当今使用最多的协议。TCP采用网络服务器与客户端的方式通信。服务器应用程序负责向客户端发送数据或从客户端读取数据，客户端应用程序同样可以从服务器应用程序中获取数据或向服务器发送请求，无论是服务器还是客户端，都可以进行双向发送与接收。两者的主要区别在于服务器一方可以向多个客户端提供服务。在LabVIEW中，TCP通信的过程如下：
（1）服务器端通过主机名或IP地址与端口号建立侦听，等待客户端连接。
（2）客户端根据主机的IP地址和端口号发送连接请求，待服务器与客户端建立连接后，通过读写函数就可以进行TCP数据通信。TCP通信方式分为两种，即以字节流数据包的方式发送和接收数据与发送和接收字符串，这种通信方式与串口通信相似，也是最常被使用的通信方式。
温湿度远程数据通信是基于TCP/IP协议的数据传输，TCP通信采用发送和接收字符串的通信方式。单片机单元处理的温湿度数据经串口通过WiFi模块发送，WiFi模块采用AP+CLIENT工作模式。在AP模式下，WiFi模块每次发送的IP地址都会随机变化，不能直接监听其IP地址，但其端口号不变，因此可通过端口函数监听获取其IP地址。获取地址后， 从单片机发送的字符串就可以通过读取TCP函数获得，为后续的数据处理做好准备。关键的地址监听与数据获取LabVIEW框图程序如图2所示。
3 主机LabVIEW监测管理设计
基于LabVIEW的上位机监测程序主要实现如下功能：
（1）无线数据接收：通过TCP/IP协议接收经WiFi模块传输的温湿度测量数据。
（2）温湿度显示：识别并提取温湿度测量值，分别由温湿度显示框和波形图显示。
（3）温湿度超限报警：当温湿度测量值超限时，以不同颜色点亮报警灯警示。
（4）温湿度报警阈值设置：设置温湿度报警限值。
（5）历史数据和故障数据记录存储。
在准确获取WiFi模块传输的温湿度数据后，便可进行数据分析处理和管理。主机监测前面板界面如图3所示。界面监测管理具有监测启停控制、温湿度数据自动采集和显示、温湿度限值参数设置、历史温湿度曲线实时显示及主动记录温湿度历史数据到Excel表格和自动记录越限温湿度报警数据与报警时间到Excel表格文件以备查询等功能。
主机监测部分的数据处理LabVIEW框图程序如图4所示。即在此基础上实现数据管理，如采集控制、数据显示、故障报警、历史数据、故障数据的存储记录查询等[4-9]。
4 结 语
本文提出了一种基于WiFi和LabVIEW技术的无线数据传输与监测方案，以温湿度测量与监测为例，实现中短距离范围内的信息采集和传输管理。该方案将本地单片机单元的采集测量数据经串口由WiFi模块发送进行无线传输，主机采用LabVIEW技术通过TCP/IP协议与单片机通信，实现数据接收。实验结果表明，系统能准确、可靠的实现温湿度数据的无线传输及处理、管理，是一种经济可行的中短距离无线数据传输和监测方案。
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