基于ESP8266的自动连接无线数据传输系统设计

基于ESP8266的自动连接无线数据传输系统设计

 王圆

山东省青州市高新技术研究所

摘要：随着物联网技术及无线网络技术的发展，实现智能设备的远程无线数据传输已经成为其应用的关键。在WIFI无线网络全覆盖已经基本实现的形势下，如何充分利用WIFI无线网络实现无线数据传输，是当前物联网技术应用的研究热点。本文采用WIFI芯片ESP8266实现了无线数据远距离传输，详细介绍了系统的总体设计、硬件设计以及软件设计中的参数设置等具体过程。

关键词：Wi-Fi、ESP8266、无线数据传输

0引言

随着智慧城市建设的加快，基于WIFI的无线网络开始了实现全覆盖的进程，无线数据传输在智能家居、环境监控等领域得到了广泛的应用，融入了人们生活及生产的各个方面。在智能设备的无线远距离数据传输技术中，使用WIFI技术来实现更符合实际需要。本文介绍了如何采用通用的Wi-Fi芯片ESP8266实现上电自动连接和无线数据传输，可广泛应用在信号电缆连接复杂的测试设备中，降低电缆布局的复杂程度，改善操作环境，提高数据传输效率。

1总体设计

ESP8266系列芯片凭借其高集成度、低功耗和易用性在物联网应用领域获得了肯定，是实现基于WIFI模块无线通讯的最好选择。ESP8266WIFI模块作为可以进行无线传输的模块，集成了业内领先的Tensilica L106超低功耗，32位微型MCU，带有16位精简模式，主频可达160MHz。同时支持RTOS(Real Time Operating System)集成WIFI MAC/BB/RF/PA/LNA和IEEE802.11b/g/n协议，支持完整的TCP/IP协议栈。它有四种工作模式，分别是AP模式，Station模式，AP+Station模式和透传模式。经试验验证，在本系统中，当WIFI模块工作在透传模式下，数据传输不会丢失数据，而且数据传输速率会大大提高。

本系统采用ESP8266实现无线数据传输的基本流程是，首先有一个数据终端设备如计算机，通过WIFI接入ESP8266热点，并且通过控制终端应用程序建立Socket链接，传感器将位置数据通过WIFI发送给ESP8266芯片，ESP8266芯片把WIFI信号转换成串口信号，并通过串行口传送给单片机，单片机开始执行处理得到的指令数据，把执行结果通过WIFI再反馈给数据终端设备，实现终端设备与电路的无线通信与控制，其总体流程图如下图1所示。

图1总体流程图

2硬件设计

本系统基于ST89C51单片机作为硬件主控芯片搭建了最小系统电路。其硬件设计框图如图2所示。

图2 硬件设计框图

2.1ESP8266模块

ESP8266是一款超低功耗的UART WIFI透传模块，其低功耗、设计紧凑和较高的稳定性可以满足很多用户的需求，并专为移动设备和物联网应用设计。ESP8266模块只需通过SPI接口或UART接口即可作为WIFI适配器，应用到基于任何微控制器的设计中。ESP8266模块主要作用是连接数据终端服务器，完成串口信号和无线信号之间的转换，保证客户端和服务器之间数据的发送和接收。

本系统通过ESP8266的芯片使用AT指令进行配置，在连接建立之后，将接收到的数据传递给单片机，从而建立通信连接，实现无线通信服务。

2.2CCD传感器模块

CCD传感器又叫做电荷耦合器件图像传感器，该传感器是最早由美国科学家在20世纪70年代提出的概念，随着CCD图像传感器集成工艺的提高，阵列元素的不断增加，CCD图像传感器的图像识别、摄录功能得到了大幅的提高，在保持摄录精度的同时将数据压缩、存储。

传感器模块主要采用的是CCD探测技术，它是国际上DR产品采用的主流技术之一，环境适应能力极强，性能稳定可靠。它的主要特点：

1）反射式单CCD，大面阵设计像素矩阵4K*4K，1700万像素，极限空间分辨率可达到4.6lp/mm。

2）CCD防X射线辐射设计，图像质量长期可靠一致，使用成本大幅降低

3）具有DR图像采集及处理软件，自动升级。

2.3主控模块

主控模块采用的是ST89C51系列单片机，它的作用是通过控制电路完成对数据的处理以及通信。单片机接收数据终端服务器传来的指令，根据指令对控制模块进行控制，同时把控制模块的状态信息返回给数据终端服务器。ESP8266模块与单片机的USB转TTL电路连接，并将它的Rx、Tx端口分别与单片机的Tx、Rx端相连，分别对应单片机的P3.0和P3.1引脚，具体控制流程如图3所示。

图3 单片机工作流程图

3系统软件设计

3.1WIFI自动连接流程

目前，本系统已实现单片机上电，WIFI模块自动连接服务器，并发送数据的功能。其上电连接流程图如下图4所示，WIFI初始化程序流程图如下图5所示。将串口初始化过后，进行WIFI模块的初始化。

图5 WIFI初始化程序流程图

3.2通信协议的设置

（1）配置WIFI通信协议：

无线通讯模块我们选用ESP8266 WIFI模块，它有四种工作模式，分别是AP模式，Station模式，AP+Station模式和透传模式。经试验验证，当WIFI模块工作在透传模式下，数据传输不会丢失数据，而且数据传输速率会大大提高。

现有4块ESP8266 WIFI模块，分别安装在4套训练设备上，并编号为A、B、C、D，每套训练设备都配有一名操作手，每位操作手的编号见下表1所示。将信息设备终端作为服务器，将机构A、B、C、D作为客户端，并设其工作方式为透传模式。

表1

将信息设备终端设置为训练设备的服务器，并建立服务器监听，协议类型选择“TCP Server”，确认本机地址是否正确，一般使用8080作为本地监听端口，启动监听模式。

无线WIFI模块的透传模式指令配置：

1）首先，输入指令“AT+RST”将无线模块进行复位

2）启动单连接指令“AT+CIPMUX=0”，若格式正确且连接成功，则返回“OK”，否则返回“ERROR”

3）连接服务器，输入指令AT+CWJAP=“服务器账号”、“WIFI密码”

4）开启监听端口，AT+CIPSTART=“TCP”，“服务器的地址”，端口号

5）将当前模块的工作模式设置为透传模式，输入指令“AT+CIPMODE=1”

6）输入指令“AT+CIPSEND”，客户端可实时向服务器发送数据

（2）单片机和信息设备终端通信协议

数据是以数据帧的形式发送，一帧数据包括帧头、帧尾、数据和校验四部分。单片机将接收到的传感器探测信息数据写入发送缓冲寄存器中，并以115200的波特率通过WIFI的形式发送到信息设备终端。

4结束语

与传统的供气训练装置相比，新型的训练设备通过无线WIFI模式通信可实现数据传输速度快，数据传送完整等功能，是一个具有良好的人性化的设计。可广泛应用在信号电缆连接复杂的测试设备中，降低电缆布局的复杂程度，改善操作环境，也为无线通信技术的发展奠定了基础。

参考文献

[1]曹振民，陈年生，马强，武凌，武婧.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机，2017,30（01）：68-69

[2]沈伟.集成吊顶行业智能电器技术的设计与研究[D].浙江:浙江工业大学,2016.

[3]《探索CCD传感器在智能汽车中的应用》李帅.