【文章內(nèi)容簡介】 可以通過菜單、文字、語音的方式獲取采集到的溫度信息，并且與硬件平臺保持高度同步性，可以正確的反應(yīng)硬件平臺的工作狀態(tài)。系統(tǒng)整體信息交互具有穩(wěn)定可靠性。 系統(tǒng)架構(gòu)分析單片機001 溫度采集系統(tǒng)總體分三個部分，分為：硬件采集平臺，服務(wù)器端，以及微信公眾號。系統(tǒng)完成的功能是采集當(dāng)前多個采集點環(huán)境溫度的信號，在A/D轉(zhuǎn)換后，簡單處理并發(fā)送。通過SAM D21單片機驅(qū)動WiFi模塊連入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。在服務(wù)器端建立TCP服務(wù)器，其它單片機和微信平臺都作為TCP連接客戶端接入服務(wù)器，服務(wù)器保持Socket軟件監(jiān)聽，負(fù)責(zé)將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)。最終在微信公眾號平臺將采集到的溫度數(shù)據(jù)顯示出來。單片機xxx 溫度采集 A/D轉(zhuǎn)換........................單片機xxx 溫度采集 A/D轉(zhuǎn)換單片機xxx 溫度采集WiFi模塊收發(fā) A/D轉(zhuǎn)換云服務(wù)器 A/D轉(zhuǎn)換單片機001 溫度采集WiFi模塊收發(fā)單片機001 溫度采集 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換 圖31 系統(tǒng)總體框圖 從上圖可以看出，基于微信平臺的多點溫度采集系統(tǒng)由SAMD21單片機硬件平臺、云服務(wù)器、微信公眾號平臺三部分組成，各部分的具體功能如下：（1） 硬件采集平臺：主要由SAM D21單片機、ESP8266 WiFi芯片、溫度傳感器以及LCD液晶顯示屏。SAM D21單片機作為系統(tǒng)終端的控制設(shè)備，主要功能有模擬溫度采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、通過UART口收發(fā)串口數(shù)據(jù)。WiFi模塊按照WiFi協(xié)議將串口信號轉(zhuǎn)為WiFi信號或?qū)iFi信號轉(zhuǎn)換為串口信號。多個WiFi模塊分別作為站點STA接入無線網(wǎng)絡(luò)接入點AP。當(dāng)SAM D21單片機LCD液晶顯示屏上顯示的溫度數(shù)據(jù)與AP接收到的溫度數(shù)據(jù)一致時則說明單片機WiFi通信準(zhǔn)確無誤。（2） 云服務(wù)器：因兩臺PC之間不能直接建立TCP連接，需通過多級路由轉(zhuǎn)接。所以在本課題中使用了云服務(wù)器，任何接入互聯(lián)網(wǎng)的PC都可以直接與其建立TCP連接。在云服務(wù)器上開啟TCP服務(wù)器，云服務(wù)器作為TCP服務(wù)器，單片機以及微信公眾號作為TCP客戶端接入服務(wù)器。云服務(wù)器僅其轉(zhuǎn)發(fā)的作用，將單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至公眾號，而將公眾號發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至單片機。（3） 微信公眾號：微信公眾號作為溫度最終顯示的界面，可以通過語音、文字、按鍵等方式向單片機發(fā)送取數(shù)據(jù)的指令并正確獲取溫度數(shù)據(jù)。 硬件模塊選型Atmel SAM D21是基于32位ARM Cortex M0+的低功耗控制器，具有32~64個引腳且其FLASH多達(dá)256KB、SRAM提升到了32KB。SAM 。Atmel SAM D21具有以下關(guān)鍵特性：（1） 低功耗。采用了Atmel獨特的省電技術(shù)與事件系統(tǒng)，各外設(shè)之間可以直接通信而無需CPU的干涉。同時為了進(jìn)一步降低功耗，外設(shè)只有在發(fā)生特定事件時才喚醒CPU，平時CPU保持睡眠狀態(tài)。（2） 外設(shè)的靈活性。SAM D21使用了串行通信模塊SERCOM。每一個串行通信模塊都可以在軟件中進(jìn)行配置，可以分別處理I2C、UART/USART和SPI的通信需求。通過多個串行通信模塊的組合可以解決用戶的具體通信需求。此外，SAM 。（3） DMA。SAM D21配有12通道直接存儲器控制器。支持存儲器和外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸。（4） 全速USB。SAM D21 USB有兩種工作模式，可以作USB嵌入式主機，也可以作USB設(shè)備模式。（5） AtmelQTouch外設(shè)觸摸控制器。主要用于為按鈕、滾輪、滑條等外設(shè)提供內(nèi)置硬件支持。它有著較高的靈敏度、高信噪比和自校準(zhǔn)功能等優(yōu)點。支持互電容式和自電容式觸摸。（6）可擴(kuò)展性。內(nèi)存范圍從8KB到256KB。封裝引腳從14管腳到64管腳可供選擇，用戶可以選擇最符合要求的設(shè)備。圖32 SAM D21系統(tǒng)框圖Flash可以通過SWD接口進(jìn)行在線編程。SWD接口在可以不下載程序的芯片上調(diào)試。也可以直接應(yīng)用加載程序直接通過任意通信接口在閃存上直接下載和升級應(yīng)用程序。Atmel SAM D21還提供了一個完成的程序和系統(tǒng)開發(fā)軟件，即是Atmel Stdio，其中包含數(shù)百個實驗歷程，可以大大縮短用戶的開發(fā)時間。WiFi模塊工作于傳輸層，其作用是將串口（RS232/RS485）信號轉(zhuǎn)換為WiFi信號。本課題應(yīng)選擇一種嵌入式WiFi模塊，其一般為32位MCU。內(nèi)置WiFi驅(qū)動和協(xié)議，包含TCP/IP協(xié)議棧。其接口一般為單片機接口，如UART口等。根據(jù)系統(tǒng)的要求，有以下三個較為符合的WiFi模塊可用：WFU09T、USRWiFi232B和ESP8266。WFU09T可靠傳輸距離為50m，工作溫度在10℃～70℃，250mA～300mA功耗電流；USRWiFi232B可靠傳輸距離在300m～400m,工作溫度20℃～80℃，170mA～300mA功耗電流；ESP8266可靠傳輸距離為300m,工作溫度40℃～125℃，80mA功耗電流。由上可看出ESP8266具有低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點，并且ESP8266價格更為低廉，所以是本課題最佳選擇的嵌入式WiFi模塊。 表31 三款WiFi性能對比表技術(shù)特性WFU09TUSRWiFi232BESP8266無線標(biāo)準(zhǔn)功耗電流250mA～300mA170mA～300mA80mA工作電壓接收靈敏度68dBm89dBm～71dBm91dBm～72dBm發(fā)射功率12dBm15dBm～20dBm14dBm～20dBm工作溫度10℃～70℃20℃～80℃40℃～125℃?zhèn)鬏斁嚯x50m300m～400m300mESP8266是一塊非常實用的WiFi模塊。既可以加載在其他主機或者單片機上運行，也可以獨立運行。當(dāng)ESP8266獨立運行時，可以從外部Flash啟動。除此之外，芯片內(nèi)部還配備了高速緩沖存儲器能夠有效地提升芯片性能。進(jìn)一步減輕了芯片的負(fù)擔(dān)；當(dāng)ESP8266作為其他計算機或單片機的WiFi模塊時，可以通過計算機對其進(jìn)行設(shè)置。只要通過適當(dāng)?shù)腟ERCOM接口使用AT指令對其進(jìn)行初始化和配置即可[8]。ESP8266芯片有著較大的存儲空間和快速的計算能力。可以根據(jù)需要配合其他傳感器使用，只需將其他傳感器搭載在空置的GPIO口上，無需其他MCU控制器。這種設(shè)計方法最大程度的節(jié)省了開發(fā)所占的系統(tǒng)資源。ESP8266芯片集成度極高，內(nèi)部包含很多部分。包括無線開關(guān)、電源管理轉(zhuǎn)換部件。其外部電路很少，在實際開發(fā)中占用的空間也相對較少。 圖33 ESP8266結(jié)構(gòu)圖按照輸出信號的形式，溫度傳感器可以分為三類：數(shù)字式、模擬式、邏輯輸出型。其中數(shù)字、模擬溫度傳感器應(yīng)用較為廣泛。數(shù)字式溫度傳感器使用集成芯片，采用單總線技術(shù)。這對它提高測量精度，減少外界的干擾有很大幫助。此外，數(shù)字溫度傳感器接口簡單，可以直接將測量的溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供計算機處理，無需A/D轉(zhuǎn)換。通過集成部分測量電路，是整體電路更加簡便，開發(fā)難度大大降低。這使得開發(fā)人員在硬件電路開發(fā)與調(diào)試時更加簡便，便于設(shè)計開發(fā)。常用的數(shù)字溫度傳感器有DS18B20，DHT11等。模擬溫度傳感器大多使用熱敏電阻，其可測量的溫度范圍在40℃～90℃。其特點是價格低廉、溫差小、占用空間小、功率損耗少等。在本課題中，考慮到多點溫度采集系統(tǒng)的便攜性需要其保持較低的功耗，故采用模擬溫度傳感器。LM35是一種最常用的模擬溫度傳感器，其采用了內(nèi)部補償。測量溫度可以低至0℃。所以，LM35是本課題的理想溫度傳感器。 WiFi模塊的串口工作模式WiFi模塊的通信包含兩部分。一部分是WiFi模塊和SAM D21單片機通過UART串口進(jìn)行通信。另一部分是WiFi模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)接入點進(jìn)行通信。UART是單片機的串口，又稱通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)[10]。本課題使用的波特率為115200，不使用校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。AT就是Attention。AT指令集是AT指令的集合。通常是由終端設(shè)備發(fā)出，由終端適配器接收的指令集合。ESP8266通過AT指令對其配置。常用的AT指令有以下幾條： 表32 常見AT指令A(yù)T測試AT啟動AT+RST重啟模塊AT+GMR查看版本信息AT+UART設(shè)置串口配置AT+RESTORE恢復(fù)出廠設(shè)置AT+CWMODE 選擇 WIFI 應(yīng)用模式AT+CWJAP加入 APAT+CIPSTA設(shè)置 STA 的 IP 地址 AT+CIPAP設(shè)置 AP 的 IP 地址AT+ CIPSTATUS獲得連接狀態(tài)AT+CIPSTART 建立 TCP 連接或注冊 UDP 端口號 AT+CIPSEND 發(fā)送數(shù)據(jù) AT+CIPCLOSE關(guān)閉 TCP 或 UDPAT+CIFSR 獲取本地 IP 地址 AT+CIPMUX 啟動多連接 AT+CIPSERVER配置為服務(wù)器AT+CIPMODE設(shè)置模塊傳輸模式在WiFi正常供電之后，由SAM D21單片機UART發(fā)送AT指令對WiFi模塊進(jìn)行配置。通過AT指令使WiFi模塊作為站點加入已開啟的無線網(wǎng)絡(luò)接入點，組成一個無線網(wǎng)絡(luò)。先發(fā)送AT指令測試模塊是否正常工作，待返回OK后發(fā)送AT+UART對串口進(jìn)行配置、發(fā)送AT+CWMODE=3選擇STA和AP共存的方式；同樣，待返回OK后發(fā)送AT+CWJAP=“SSID”,“PASSWORD”連入已開啟的無線路由器。具體流程圖如下 ：圖34 AT指令配置流程圖 本章小結(jié)本章主要論述了基于微信平臺的多點溫度采集系統(tǒng)整體設(shè)計。首先，分析了系統(tǒng)的具體需求和實現(xiàn)過程中幾個基本的要點。然后，根據(jù)系統(tǒng)的需求確定了分工不同的多個系統(tǒng)模塊，將整個系統(tǒng)劃分為了三個部分然后分別進(jìn)行開發(fā)。最后，確定了硬件各部分的選型，詳細(xì)分析了單片機，WiFi模塊，溫度傳感器選型的合理性。介紹了SAM D21單片機、ESP8266芯片和LM35的基本情況和特性。了解了硬件模塊的