基于微信平台的多点温度采集系统手机wifi通信设计大学论文.docx
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基于微信平台的多点温度采集系统手机wifi通信设计大学论文
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年月日
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作者签名：
年月日
导师签名：
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摘要
随着计算机技术与网络技术飞速发展，计算机已日渐趋于小、微型化，这为远程智能化的环境监控系统的出现提供了可能性。
远程智能化监控系统不同于传统的人工监控，其有无需值守、成本低廉、监控准确的优势必将在未来得到广泛应用。
该系统可以适用于工业生产、农业大棚、智能家居等诸多领域。
本文对该智能环境监控系统的无线通信展开研究。
目的是设计一种简单易用、传输可靠、速率较高的通信方式。
不仅能够时间无线局域网内的通信，将各节点的数据汇聚到根节点，还可以与互联网上的终端通信，将本地采集的数据发送至云服务器。
论文首先分析了课题研究的背景、意义和现状，分析了几种常见无线通信方式的特点及适用场景，并确定了Wi-Fi作为该系统的无线通信方式。
接着介绍了Wi-Fi网络的拓扑结构、基本服务和简单的安全问题。
根据Wi-Fi网络的特性设计出了智能环境监控系统的整体结构，各节点采用SAMD21单片机作为主控芯片，采用ESP8266作为Wi-Fi模块，最终实现微信公众号对环境温度的监控功能。
对Wi-Fi模块控制程序的开发使用的是AT指令，并实现了Wi-Fi网络的多对一连接和温度数据的自动记录、存储。
关键词：
Wi-Fi通信；监测；UART；嵌入式技术
Abstract
Withtherapiddevelopmentofcomputertechnologyandnetworktechnology，
Computersarebecomingsmallerandsmaller.
Thisprovidesthepossibilityfortheemergenceoftheremoteintelligentenvironmentalmonitoringsystem.
Remoteintelligentmonitoringsystemisdifferentfromthetraditionalmanualmonitoringsystem,Ithastheadvantagesofnoneedtobeonduty,lowcost,accuratemonitoringwillbewidelyusedinthefuture.
Thissystemcanbeappliedtoindustrialproduction,agriculturalgreenhouse,smarthome,andmanyotherfields.
Inthispaper,thewirelesscommunicationoftheintelligentenvironmentalmonitoringsystemisstudied.Thepurposeistodesignasimpleandeasytouse,reliabletransmission,highrateofcommunication.NotonlycanachievewirelessLANcommunication,whichcantransmiteachnode’sdatatotherootnode,
butalsocancommuicatewithterminalontheinternet,transmitlocaldatatocloudserver.
Atfirst,thebackground,significanceandcurrentsituationoftheresearchareanalyzed.Thecharacteristicsandapplicationscenariosofseveralcommonwirelesscommunicationmodesareanalyzed,anddeterminetheWi-Fiasthesystemofwirelesscommunication.
Then,thetopologystructure,basicserviceandsimplesecurityofWi-Finetworkareintroduced.AccordingtothecharacteristicofWi-Finetwork,thewholestructureofintelligentenvironmentmonitoringsystemisdesigned,EachnodeusesSAMD21microcontrollerasthemaincontrolchip,usingESP8266astheWi-Fimodule.FinallyrealizedthemonitoringfunctionofthepublicnumberofWeChattotheenvironmenttemperature.usingtheATcommandsforthedevelopmentofthecontrolprogramofWiFimodule.Beside,TheautomaticrecordingandstorageofthetemperaturedataandWi-Finetwork'smultitooneconnectionisrealize
KeyWords：
Wi-Fi;Monitoring;UART;Embeddedtechnology
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1绪论1
1.1课题研究背景与意义1
1.2课题研究现状1
1.3无线通信方式的选择2
1.4Wi-Fi通信及其发展趋势2
1.5本论文主要内容4
2相关技术介绍6
2.1Wi-Fi网络基本拓扑结构6
2.2Wi-Fi的基本服务介绍8
2.3Wi-Fi安全技术的发展9
2.4本章小结10
3远程多点温度采集系统总体设计 11
3.1系统功能需求11
3.2系统架构分析12
3.3硬件模块选型13
3.4Wi-Fi模块的串口工作模式17
3.5本章小结19
4基于SAMD21的Wi-Fi控制程序开发 21
4.1MCU与Wi-Fi通信接口选择21
4.2Wi-Fi模块通信接口协议22
4.3Wi-Fi模块控制程序设计23
4.4Wi-Fi网络的多连接与历史数据的存储27
4.5本章小结31
5系统测试 32
5.1Wi-Fi网络连接测试32
5.2微信终端获取数据测试33
6总结与展望35
6.1总结35
6.2展望36
致谢37
参考文献38
1绪论
1.1课题研究与意义
随着电子技术与计算机技术的快速发展，电路集成度迅速增加，计算机的发展越来越具有小、微型化的趋势，微型计算机已日益成为智能机器人、工业控制和智能管理系统中必不可缺的智能部件。
在工业、农业等监控系统中，常常需要使用数台单片机作为监控终端，PC或者智能手机作为监控源，构成一种多点测控系统。
温度是人们日常生产生活中一个重要的环境量，比如大型粮仓、工业生产现场、蔬菜大棚等场所的温度测控。
如果这种大型的生产场所由人工监控，不但不准确，而且还会耗费大量的人力物力，监控成本较高。
此外，随着无线网络的快速发展，建立网络化监控系统已经渐渐成为一种趋势，温度监控系统将逐渐走向智能控制和无线网络控制。
Wi-Fi是一种允许电子设备接入到一个无线局域网（WLAN）的技术，Wi-Fi无线网络便捷与高速的特点使其得以快速普及，最近几年来，Wi-Fi技术日趋成熟，在人们生活中的应用也日趋普遍。
Wi-Fi具有信息交互速度快、有效通信范围广、使用门槛和成本低等优势。
在网络技术空前发展的今天，Wi-Fi正以其特有的优势适用于生产、生活的方方面面，为人们提供着高效的移动连接。
此外，Wi-Fi作为无线通信方式无需布线，可以不受空间区域的限制，市场发展潜力很大。
本课题研究的是智能温度监测系统的设计，实现了能够对被监测对象进行现场或远程监控的功能，用户可以再任何地方用手机、电脑通过网络进行监测。
同时也是对物联网技术的一种应用，实现了物体之间的智能连接。
1.2课题研究现状
随着互联网技术与通信技术的快速发展，无处不在的网络终端、智能化的移动云计算以及便捷的无线接入、无线互联等概念已逐渐融入了人们的工作和生活的方方面面。
随之而来的便携式终端和各种无线通信技术发展速度也迅速提升。
并且在我们的生产生活中得到了广泛应用，目前常用的无线通信技术有GPRS/GSM/CDMA、蓝牙、Home.RF、ZigBee、UWB、WLAN、IrDA等。
基于GPRS/GSM/CDMA无线通信网络的数据传输技术是一种十分常用的无线数据传输技术，在手机终端十分常用，该技术依托于GPRS/GSM/CDMA无线通信网络实现无线数据收发；蓝牙是一种支持设备短距离无线通信的技术，通常有效通信范围在10米之内。
蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz频带，带宽为1Mb/s；IrDA是红外连接技术，因为红外线特有的直射特性，这要求设备之间只能进行视距通信，不能有任何间隔。
此外，通信终端的位置也相对不容易改变，不适合移动设备的移动数据传输；HomeRF也称为家庭射频，其设计初衷就是为了实现家用电器设备之间的通信。
其传输距离较长，传输速度较快，适合各种影音数据的传输。
1.3无线通信方式的选择
在智能温度检测系统中，可以考虑使用的无线通信方式主要有Wi-Fi、蓝牙、及红外通信。
其中蓝牙技术的有效通信半径是10米左右，在很多场合通信范围偏小，但是Wi-Fi的有效通信半径可达100米符合绝大多数应用场景。
红外通信技术因为红外线的直射特性，不适合在障碍较多的地方使用，无法应用于复杂的工业、农业监控环境。
所以，Wi-Fi以其无需布线，成本低廉，传输速率高等优点是本课题中智能温度检测系统最合适的无线通信方式。
1.4Wi-Fi通信及其发展趋势
Wi-Fi是一种可以让电子设备接入无线局域网（WLAN）的技术，主要工作在2.4Ghz到5Ghz频段，其安全性较有线连接和蓝牙较差，但其高速率、无需布线的优点使其得到了广泛应用[1]。
Wi-Fi主要应用于构建无线网络环境，在该环境下的各部分互相作用以实现无线网络服务的功能，主要由以下几个部分构成[2]：
（1）站点（Station，STA），是无线网络中的终端，任何带网络接口的终端设备都可以是站点，比如手机、计算机等电子设备，STA通过无线链路接入AP。
（2）基本服务单元（BasicServiceSet,BSS），是网络中最基本的服务单元，最少可以由两个站点构成，所有站点可以与同一基本服务单元内的站点相互通信。
（3）分配系统（DistributionSystem,DS），分配系统可以连接不同的BSS，通过连接多个基本服务单元可以组成覆盖范围更广的扩展服务单元。
（4）接入点（AccessPoint,AP）,作为基本服务单元中的基站，既可以接入普通站点，又可以接入分配系统。
AP和STA均为可以寻址的实体。
（5）扩展服务单元（ESS），由基本服务单元和分配系统构成.多个基本服务单元连接以组成覆盖面更广的网络，以提供更宽广的服务区域。
（6）关口（Portal），是一种逻辑成分，主要用于将无线局域网和有线局域网或其他网络组合，是无线网络接入互联网的必要部分。
图1-1Wi-Fi网络原理图
在传输速率和带宽上传统的WLAN通信存在很多不足，比如IEEE802.11-1997最高传输速率只有1～2Mbit/s，而802.11b将这一速率提高到了11Mbit/s,802.11a和802.11g达到了54Mbit/s，802.11n最高速率则达到了300～600Mbit/s。
IEEE802.11-1997可以采用IR方式、DSSS方式、FHSS方式，IEEE802.11b采用DSSS方式，兼容IEEE802.11-1997。
新一代Wi-Fi技术主要有两种，工作于5Ghz频段的IEEE802.11ac标准，其最高传输速率可达1.3Gbit/s；还有工作于60Ghz频段的IEEE802.11ad，最高传输速率可以达到7Gbit/s。
此外还有全面兼容现有Wi-Fi的WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess），即全球微波互联接入，WiMAX以IEEE802.16的系列宽频无线标准为基础，拥有更宽的频段、更远的传输距离、更快的传输速度，其普及之后将会提供更优于Wi-Fi的无线网络服务[3]。
1.5本论文主要内容
本文中基于微信平台的多点温度采集系统主要硬件采集系统、服务器和微信平台三部分组成。
硬件采集系统主要由SAMD21单片机、LM35温度传感器、LCD液晶显示屏、ESP8266Wi-Fi模块构成。
Wi-Fi模块将单片机串口信号转为Wi-Fi信号并发送出去，完成单片机与服务器间的有效通信。
单片机采集信息并将采集到的A/D转换后通过UART接口发送。
根据以上内容，本文共分为六章，具体结构安排如下：
第1章绪论。
主要论述了课题的来源于研究意义。
也介绍了本课题当前研究现状和未来发展前景。
第2章相关技术介绍。
包括Wi-Fi网络拓扑结构，Wi-Fi提供的基本服务以及Wi-Fi组网方式。
第3章系统总体设计。
包括系统需求与架构分析，并详细介绍了单片机、Wi-Fi模块和温度传感器的选型。
第4章基于AtemlSAMD21的Wi-Fi模块控制程序的开发，介绍了Wi-Fi模块控制流程、通信接口的选择以及通信结构。
第5章系统测试，测试基于微信平台的多点温度采集系统是否正确可用，以及通信是否快速有效。
第6章结论与展望，对本课题中的研究项目进行总结。
并对课题研究中的一些不足和未来扩展方向进行分析。
2相关技术介绍
2.1Wi-Fi网络基本拓扑结构
802.11采用2.4Ghz和5Ghz两个ISM频段，2.4Ghz的ISM频段被世界上绝大多数国家所采用，物理层使用了红外、直接序列扩频（DSSS）或跳频扩频（FSSS）技术，最大传输速率可以达到2Mbps。
对于多路访问控制在媒介访问控制子层（MAC）采用的是碰撞回避协议（CA）。
基本服务集（BSS）分为IndependentBSS和InfrastructureBss两种[4]。
作为一个独立的基本服务单元，IBSS网络中没有接入点。
所以IBSS网络也称为对等网络（PeertoPeer）或非结构组网（Ad-hoc）。
在这种网络中，各节点的地位是平等的，没有控制节点。
这种网络有着各节点地位平等、通信灵活、结构灵活和可靠性高的优点。
因此，该网络中任意两节点可以不经过认证就直接通信。
但两者之间的距离必须在可以直接通信的范围内。
网络中的节点既有普通移动终端的基本功能也有报文转发能力。
图2-1IBSS网络拓扑结构
另一种基本服务集被称为基础结构模式。
有接入点参与其中的既是基础结构模式，反之则是上述IBSS网络。
在这种拓扑结构中，网络中的所有通信都要经过接入点。
接入点相当于网络中的基站。
图2-2基础结构模式拓扑结构
BSS的覆盖范围一般比较小，一般仅仅有一个或数个房间大小。
不过802.11标准可以允许将几个BSS串联为扩展服务集（ExtendedServiceSet，ESS）。
扩展服务集是无线网络覆盖区域扩大了的基本服务集。
扩展服务集利用骨干网络将几个基本服务集整合在一起，其通常由多个接入点组成，接入点覆盖小区之间部分重叠以实现客户端的无缝漫游，重叠区域保持在15%～20%以上为佳。
同一个ESS中接入点使用的服务及标识相同。
基本服务集网络是扩展服务集网络的最小单元。
基本服务集网络的接入点通过有线连接的方式连入扩展服务集网络。
图2-3拓展服务集拓扑结构
2.2Wi-Fi的基本服务
在IEEE802.11b体系结构中并没有严格规定分布式系统的实现细节，而是规定了一系列在MAC层使用的网络服务。
主要有两类服务：
一种是STA服务（SS）。
STA服务主要包含加密（Privacy）、媒介访问控制单元交付（MSDUdelivery），认证（Authentieation）、解除认证（Deauthentieation）；DS服务包含分离（Disassoeiation）、分发（Distribution）、联合（Integration）、关联（Assoeiation）和重新关联（Reassociation）[5]。
加密服务可以有效提升无线局域网的安全性，确保数据传输的可靠性。
比如使用有线等效加密协议（WEP），对数据帧进行加密；媒介访问控制单元交付服务负责把数据正确传输到正确的位置。
该服务给出了一种收发数据的方法。
但是IEEE802.11的传输过程实际上是一种不可靠的交付，可能会有差错。
更高层负责提供检错和纠错服务；认证服务是IEEE802.11提供的一种网络访问控制方式，其作用是确定通信对象站点的身份。
在发送和接收数据之前必须先确定该站点的身份；解除认证服务用于断开当前连接的验证关系。
解除认证不需要发送请求，只需发送解除的通知。
收到解除认证后工作站会立即断开连接。
分离服务可以将工作站从网络中移除，从而终结现存的关联关系。
所以，网络中的工作站如果要关闭或者离开应先使用分离服务断开连接。
分离服务同样不是请求而是一个通知，不能被拒绝；分发服务是最主要的服务之一，工作站在发送每个数据时都需要使用分发服务。
分发服务提供了数据帧的路由信息，对于本地的数据帧则直接发送在本地无线网络内，否则需要通过有线网络发送；整合服务可以将帧转发到目标网络，翻译帧格式，实现使用不同编址方案的网络间的可靠通信；关联服务可以建立接入点和工作站之间的映射关系。
通过这种建立的映射关系可以完成分发服务；重新关联服务可以重新建立工作站与接入点之间的映射关系。
如工作站在一个扩展服务集（ESS）内的多个基本服务集（BSS）之间移动时会根据距离自动选择接入点。
重新关联服务也可以用来改变已有关联的属性。
2.3Wi-Fi安全技术的发展
在无线局域网（WLAN）发展尚未成熟时，常用的安全技术有：
MAC地址过滤和SSID匹配。
即物理地址过滤和服务器表识符匹配。
物理地址过滤是通过保存一组允许访问的MAC列表，禁止表外的MAC访问。
服务区标识符匹配则通过设置密码（SSID），只有工作站输入的SSID与之匹配才可以访问。
虽然这种机制较为简单，但却确保了一定的安全性。
有限等效保密协议（WEP）。
WEP采用了RC4堆成加密算法，主要在数据链路层起作用。
WEP使用多种格式的密钥，40位、64位、128位都有所采用。
WPA2是WPA的第二代标准，在原有的基础上又有了更多的提升。
WPA2与IEEE802.11i很相似，在安全验证上他们都选择了预验证。
在连接开始前的很短时间内完成验证并连接。
使用VPN来进行无线网络连接也是一种行之有效的安全策略。
VPN采用DES和3DES等技术来保障数据传输的安全。
VPN的典型代表有IPSecVPN和SSLVPN。
IPSec在网络层工作，负责站点之间通信的数据安全。
其认证机制与预定义的安全关系极大地保护了客户通信的安全性。
SSLVPN则需要提前安装到浏览器中。
因为其无客户机的特性，可以极大地节约运行开支。
若用户对无线网络安全性要求较高可以选择将VPN于其他无线网络安全策略结合，以获取最大程度的无线互联网通信安全[6]。
2.4本章小结
本章首先研究了Wi-Fi网络的基本拓扑结构，介绍了两种基本服务集（BSS）的结构以及多个基本服务集组成扩展服务集（ESS）的方法。
其次介绍了Wi-Fi网络的两类基本服务STA服务和DS服务。
最后介绍了Wi-Fi网络的安全问题，详细说明了Wi-Fi安全策略的发展过程以及一种无线局域网的安全解决方案。
3远程多点温度采集系统总体设计
3.1系统功能需求
该系统最终的目的是实现用手机在微信客户端远程监控多个采集点的当前温度信息，并回顾历史温度记录数据。
包括SAMD21单片机，LCD液晶显示屏，ESP8266芯片，LM35模拟温度传感器，云服务器，Socket网络编程，微信公众平台的开发在该系统中被使用。
用户可以在任何时间、任何地点在可以连入互联网的手机或者电脑端通过关注微信公众号来获取温度信息。
终端用户可以通过微信公众号的反馈来获知采集系统是否在工作以及被测点温度是否正常。
系统的具体要点如下：
（1）系统的无线网络信号由一个接入互联网的接入点（AP）发起，各测量点的单片机分别作为独立的站点（STA）接入AP，实现了Wi-Fi的多对一连接模式以及TCP连接的多对一连接模式。
（2）为了保证系统的安全性，对Wi-Fi接入点进行了加密处理，对Wi-Fi模块配置时输入接入点的SSID和密码，从而保证了系统数据的安全可靠。
（3）微信公众平台同一时间只接收一个客户端的数据，从而避免了数据信息的紊乱，接收数据完成后公众平台自动断开TCP连接。
（4）单片机通过Wi-Fi模块不断向云服务器发送数据信息，服务器转发并每隔一段时间采样一组数据保存到文件，从而用户可以回看短时间内的数据记录。
数据记录带有保存时的时间信息，用户可以清晰的获知何时被测点的温度超出了合理范围。
（5）系统的信息交互建立在互联网连接上，微信平台的连入云服务器，单片机连入云服务器都需要接入互联网，接入点AP通过登录云服务器完成数据的发送。
（6）微信公众平台可以通过菜单、文字、语音的方式获取采集到的温度信息，并且与硬件平台保持高度同步性，可以正确的反应硬件平台的工作状态。
系统整体信息交互具有稳定可靠性。
3.2系统架构分析
系统总体分三个部分，分为：
硬件采集平台，服务器端，以及微信公众号。
系统完成的功能是采集当前多个采集点环境温度的信号，在A/D转换后，简单处理并发送。
通过SAMD21单片机驱动Wi-Fi模块连入互联网，将数据上传到云服务器。
在服务器端建立TCP服务器，其它单片机和微信平台都作为TCP连接客户端接入服务器，服务器保持Socket软件监听，负责将收到的信息转发。
最终在微信公众号平台将采集到的温度数据显示出来。
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