無(wú)線紅外溫度傳感器的設(shè)計(jì)

嚴(yán)冬 劉宇 黃麗 龍國(guó)強(qiáng)

摘 要：文章介紹了一種基于MLX90614ESF-BAA的無(wú)線紅外溫度傳感器，具有非接觸、體積小、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。文章主要給出了傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括電源電路，采集電路和無(wú)線射頻電路，軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。最后對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了射頻性能和傳感器精度的測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：紅外溫度傳感器；Modbus協(xié)議；433MHz無(wú)線通訊

引言

紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，近年來(lái)常被應(yīng)用于高精度無(wú)接觸測(cè)量，在智能家居、智能電網(wǎng)、汽車(chē)電子等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的傳感器具體應(yīng)用場(chǎng)景是配電室，用于測(cè)量線纜溫度。本設(shè)計(jì)采用MLX90614BAA紅外溫度傳感器，具有非接觸，體積小、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議——Modbus協(xié)議進(jìn)行傳輸，并采用433MHz無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無(wú)線通信方式，避免了有線通信電纜安裝的不便，選用433MHz頻段具有較遠(yuǎn)的通信距離和穿墻能力，適用于配電室這一特定應(yīng)用場(chǎng)景。

1 無(wú)線頻段的選取

結(jié)合傳感器的具體應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際使用需要，綜合考慮耗電量、傳輸距離、數(shù)據(jù)速率、安全性和成本等因素，本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信頻段選用433MHz。由于配電室環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備裝置多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂綇澢潭却?。在相同的彎曲度路徑情況下，433MHz的無(wú)線射頻衰減率為：0.577dB/m；915Mhz的無(wú)線射頻衰減率為：0.676dB/m；2.4G的無(wú)線射頻衰減率為0.761dB/m。由此可見(jiàn)：無(wú)線設(shè)備工作在433MHz頻段更有利于在彎曲路徑時(shí)的通信。在芯片的選型上遵循低功耗，低成本，微型化的原則，因此本文中設(shè)計(jì)的傳感器采用CC1101芯片。

2 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線紅外溫度傳感器的硬件設(shè)計(jì)包含電源供電電路，數(shù)據(jù)采集電路，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路幾個(gè)部分。

電源供電部分主要是把3.7V電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，作為各個(gè)部分的供電電源，以及5V電源給電池充電兩個(gè)部分，使用Maxim公司的MAX8881作為3.7V轉(zhuǎn)3.3V的降壓芯片，MAX1555作為5VDC電源給電池充電的芯片。

數(shù)據(jù)采集部分采用Melesix公司的MLX90614紅外溫度傳感器。此款傳感器環(huán)境溫度范圍為-40°～+125°，物理溫度范圍-70°～+380°，電源電壓3.3v。MLX90614 是由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制物體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量和計(jì)算，進(jìn)行溫度后處理，并將結(jié)果通過(guò) PWM 或是SMBus模式輸出，本設(shè)計(jì)選用SMBus模式。

433MHz無(wú)線射頻模塊采用的STM32F103RBT6作為主控芯片，CC1101作為無(wú)線射頻芯片。主控模塊通過(guò)SPI總線通信接口拖帶無(wú)線射頻通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信模塊的寄存器的讀寫(xiě)，從而完成對(duì)模塊通信參數(shù)的配置，進(jìn)一步控制模塊對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包含溫度數(shù)據(jù)的采集、處理，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)和Modbus通信協(xié)議幾個(gè)部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

紅外溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如下圖所示，START位定義為當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA線為從高到低的轉(zhuǎn)換。STOP位定義為當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA為從低到高的轉(zhuǎn)換。每個(gè)字節(jié)包括8位，在總線上傳送的每個(gè)字節(jié)必須跟隨一個(gè)確認(rèn)位，和確認(rèn)關(guān)聯(lián)時(shí)鐘脈沖是由主控器產(chǎn)生的。讀取數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進(jìn)行的。每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)，然后就判斷對(duì)方是否有應(yīng)答，如果有應(yīng)答，就接著發(fā)送下一個(gè)字節(jié)；如果沒(méi)有應(yīng)答，多次重發(fā)該字節(jié)，直到有應(yīng)答，就接著發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，如果多次重發(fā)后，仍然沒(méi)有應(yīng)答，就結(jié)束。接收數(shù)據(jù)時(shí)，每次接收一個(gè)字節(jié)，然后向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，然后就可以繼續(xù)接收下一個(gè)字節(jié)。

本文中設(shè)計(jì)的無(wú)線紅外溫度傳感器上電初始化后，等待上位機(jī)通過(guò)集中器無(wú)線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)采集命令，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)按照Modbus協(xié)議處理后，通過(guò)無(wú)線模塊傳輸?shù)郊衅髦小?/p>

3.2 Modbus通信協(xié)議

Modbus通信協(xié)議是一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通用協(xié)議，主要規(guī)定了應(yīng)用層報(bào)文傳輸?shù)母袷?，使得不同生產(chǎn)廠商的設(shè)備可以連成網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控。Modbus協(xié)議可分為在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)與串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的是Modbus-RTU協(xié)議。Modbus協(xié)議使用的是客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）的通信模式，主站向從站發(fā)送請(qǐng)求的模式有兩種：?jiǎn)尾ズ蛷V播，本文實(shí)現(xiàn)的是單播的模式。

Modbus通用幀即ADU應(yīng)用數(shù)據(jù)單元分為附加地址、功能碼、數(shù)據(jù)和差錯(cuò)校驗(yàn)4個(gè)部分，其中功能碼和數(shù)據(jù)部分為PDU協(xié)議數(shù)據(jù)單元。傳感器接收到上層rtu幀命令后，首先進(jìn)行從站地址和差錯(cuò)校驗(yàn)碼的判斷，若不正確直接丟棄命令幀，若正確則進(jìn)行rtu幀解包獲取命令并進(jìn)行溫度采集，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行rtu幀封包，最終通過(guò)無(wú)線模塊與上層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 測(cè)試結(jié)果

在排除433MHz頻段其他設(shè)備干擾的情況下，對(duì)無(wú)線紅外溫度傳感器進(jìn)行射頻性能的測(cè)試，每次發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包，保證丟包率為0%的情況下，有效直線傳輸距離為120米，穿透性為兩層樓。

無(wú)線紅外溫度傳感器精度的測(cè)試，在相同環(huán)境中，使用市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的手持紅外溫度儀與本文中設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，溫度值的誤差保持在±0.5°C以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了一種使用Modbus通信協(xié)議并通過(guò)433MHz頻段無(wú)線通信的紅外溫度傳感器，介紹了頻段及射頻芯片選擇的原則，給出了傳感器的硬件及軟件設(shè)計(jì)方案。較詳盡的介紹了MLX90614紅外溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集時(shí)序及原理，以及本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的Modbus協(xié)議。最后對(duì)傳感器設(shè)備進(jìn)行了射頻測(cè)試及精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器具有非接觸性，高精度，通信距離遠(yuǎn)，穿墻能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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