高精度無線通信溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計*

程建華， 劉 萍， 于天琦

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高精度無線通信溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計*

程建華， 劉 萍， 于天琦

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對傳統(tǒng)溫度檢測系統(tǒng)向用戶終端傳輸數(shù)據(jù)時,存在布線復(fù)雜、傳輸距離有限的問題，設(shè)計了合適的高精度無線通信溫度檢測系統(tǒng)。利用鉑電阻敏感溫度變化，通過測溫電橋和高質(zhì)量運放保證溫度數(shù)據(jù)采集的精確度，使用K60單片機完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和濾波，WiFi模塊通過TCP/IP協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機終端，在WiFi模塊信號無法覆蓋的地方，可以使用短信查詢的方式通過GSM模塊隨時傳輸溫度數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)測溫精度能夠達到0.015 ℃，同時能夠有效實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。

WiFi； 溫度測量； 鉑電阻

0 引 言

在一些特殊的工業(yè)、醫(yī)學和科研領(lǐng)域，對溫度檢測系統(tǒng)的要求很高，除了高精度測量溫度以外，還需對溫度進行實時監(jiān)測，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)多配置液晶顯示屏，但溫度數(shù)據(jù)無法存儲，需要人工記錄。另外，傳統(tǒng)的串口通信傳輸布線復(fù)雜，長時間工作會出現(xiàn)線路老化導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，從而浪費大量的人力物力。文獻[1]中介紹了一種基于鉑電阻的測溫系統(tǒng)，通過液晶顯示器顯示環(huán)境溫度，雖然系統(tǒng)采用恒壓源為測溫電橋供電，保證測溫電橋輸出電壓值穩(wěn)定，但這一系統(tǒng)存在不能夠遠程傳輸數(shù)據(jù)及不能實時保存環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的問題。

本文提出了一種高精度無線通信溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法，解決了測溫精度低，遠距離傳輸溫度信號布線復(fù)雜以及不能夠全天隨時檢測溫度并保存數(shù)據(jù)的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫度檢測系統(tǒng)主要由溫度傳感器、信號處理電路、Kinetis60(下文簡稱K60)單片機最小系統(tǒng)電路、GSM模塊和WiFi模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

本設(shè)計采用多個鉑電阻器及多路信號處理電路，分別與K60單片機的不同A/D轉(zhuǎn)換接口相連的方法，實現(xiàn)同時檢測多點溫度的功能[2]。

2 高精度多點測溫方法實現(xiàn)

2.1 測溫電路設(shè)計

高精度多點測溫系統(tǒng)測溫電路包括鉑電阻器、測溫電橋電路、信號放大電路和K60單片機最小系統(tǒng)電路。

其中，利用鉑電阻的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性，來進行溫度測量[3]。本設(shè)計選擇使用三線制接法，這樣會大大減小導線電阻帶來的附加誤差。將鉑電阻接入一個不平衡電橋電路中，將電阻變化值轉(zhuǎn)換為電壓變化量，通過不平衡電橋來測量電阻阻值。該測溫方案結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛[4,5]，其原理如圖2所示。

圖2 鉑電阻測溫原理

電橋輸出電壓計算公式如下

(1)

在本系統(tǒng)中,U=5V,Rt=920Ω,R2=R3=5 100Ω。

由于電橋電壓變化較小，本文通過使用具有高精度、低功耗、高共模抑制比優(yōu)點的INA118型運算放大器，設(shè)計了差動放大電路，將電橋輸出電壓放大11倍。

放大后的電壓輸出通過一階硬件RC低通濾波器，濾除高頻噪聲，輸入給單片機。由單片機進行信號轉(zhuǎn)換、處理及解算。

本文選用的K60單片機，基于ARM內(nèi)核的處理器，運算速度快，且內(nèi)置多路16位A/D轉(zhuǎn)換模塊[6]，避免系統(tǒng)外接AD轉(zhuǎn)換器件，能夠解決系統(tǒng)不能同時測量多點溫度的問題。其內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換及解算方法及步驟如下：

1)系統(tǒng)的測溫范圍為-20～100 ℃，當t=100 ℃時，由式(1)可知U0=0.303 9，由于運算放大器將電壓放大的倍數(shù)約為11倍，因此,單片機的內(nèi)部參考電壓可以設(shè)置為3.3V。

2.2 溫度信號處理算法

由于元件誤差和導線間信號干擾等會對信號造成一定的影響，因此,對輸入給單片機的溫度數(shù)據(jù)進行了三個階段的處理：

第二階段，溫度數(shù)據(jù)的在線標定。記系統(tǒng)實測值為Tt，實際溫度值為Tr，設(shè)線性擬合表達式為Tr=kTt+b。

第三階段，溫度信號解算后濾波。在數(shù)據(jù)解算完成后，輸出的溫度數(shù)據(jù)還存在高頻噪聲，設(shè)計了一種軟件濾波器對噪聲進行濾波。由于所處理的溫度信息對相位要求較低，因此選擇IIR濾波器以減小運算量。設(shè)計過程如下：

1)通過分析溫度高頻噪聲數(shù)據(jù)，確定設(shè)計指標，通帶截止頻率為Ωp=0.04π，通帶最大衰減為Ap=3dB，阻帶截止頻率為Ωs=0.2π，阻帶最小衰減為As=40dB，采樣頻率為fs=1/3.8。

2)設(shè)計相應(yīng)的模擬濾波器，通過過程(1)中指標，使用Matlab軟件中的buttord函數(shù)設(shè)計模擬低通濾波器，并求得本系統(tǒng)為三階系統(tǒng)。

3)使用得到的模擬濾波器的性能指標，利用雙線性變化法求得模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，并作為數(shù)字濾波器的“樣本”。

4)得到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)

(2)

3 無線通信方式設(shè)計

3.1 WiFi通信實現(xiàn)

WiFi模塊主要由高通CPU、可擴展接口和存儲器三部分組成，WiFi模塊電路是一種工作在高頻環(huán)境中的線路，選用LPCC封裝的高通AR9331型CPU，極大程度地解決了在CPU高主頻運行時的信號干擾問題；模塊中加入了A3S56D40FTP芯片，用來擴大系統(tǒng)的內(nèi)存，以便傳輸更多數(shù)據(jù)；WiFi模塊中還預(yù)留了多組UART、GPIO接口，用于與處理溫度信號的核心控制器互傳數(shù)據(jù)；最后將AR9331移植入Openwrt系統(tǒng)，WiFi模塊即可正常工作，為系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

單片機通過URAT通信方式與WiFi模塊進行數(shù)據(jù)互傳；WiFi模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議以三次握手方式傳至計算機[7]，三次握手的工作方式如圖3所示，三次握手完畢后，WiFi模塊與計算機終端開始互傳數(shù)據(jù)；使用Socket套接字功能，解決WiFi模塊和計算機連接時不同操作系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)不兼容的問題。通過以上連接方式就可以實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機之間的通信，并將溫度數(shù)據(jù)上傳、顯示并保存在計算機上。

圖3 客戶端與服務(wù)器連接示意圖

3.2 GSM通信實現(xiàn)

實際中，WiFi模塊功率有限，僅使用WiFi模塊通信會使通信距離受到限制，為解決這一問題設(shè)計基于GSM的通信方式，實現(xiàn)用戶能夠遠距離時時查詢溫度信息的功能。

GSM模塊由SIM卡和TC35I手機模塊兩部分組成[8]，開機后GSM模塊首先檢測SIM卡是否安裝好，GSM模塊利用自身的串行通信接口與單片機的串行接口相連，實現(xiàn)雙向通信；GSM通信模塊與裝有固定號碼的SIM卡相連登入到GSM網(wǎng)絡(luò)。利用手機查詢終端向GSM通信模塊發(fā)送特定的溫度查詢短信息時，單片機識別此查詢信息后立刻控制GSM通信模塊將當前解算的溫度數(shù)字量以短信息的形式發(fā)送到工作人員查詢手機中，實現(xiàn)對環(huán)境溫度信息的實時、遠程監(jiān)測。

3.3 兩種無線通信方式組合方法

系統(tǒng)與用戶進行通信時，采用兩種通信方式易導致發(fā)送數(shù)據(jù)混亂的問題，同時也會增大系統(tǒng)功率，因此有必要通過合理的工作流程設(shè)計保證兩種通信方式協(xié)同工作。

首先，系統(tǒng)進行WiFi模塊和GSM模塊的初始化工作。其次，單片機檢測是否有外部設(shè)備發(fā)送GSM信號到溫度檢測系統(tǒng)，若有則出發(fā)串口2終端，并由串口2發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到GSM模塊，GSM模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到手機終端；若沒有則串口1發(fā)送數(shù)據(jù)到WiFi模塊，由WiFi模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機終端。最后，系統(tǒng)循環(huán)以上過程，以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定發(fā)送。

4 實驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)性能，將系統(tǒng)置于可變溫溫箱中進行長時間測溫實驗，圖4為實驗中一組溫度數(shù)據(jù)繪制成的曲線，其中實線為溫箱內(nèi)實際溫度變化，虛線為測溫系統(tǒng)測得溫箱內(nèi)的溫度變化。

表1為從實驗結(jié)果中選取的幾組溫度數(shù)據(jù)。雖然測溫系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)較實際數(shù)據(jù)有微小的延時和偏差，但是在10 000 s前，溫度數(shù)據(jù)誤差在0.015 ℃以內(nèi)，且在溫箱升溫后期加熱膜功率有限，溫箱內(nèi)部實際溫度會低于目標溫度，因此在測溫后期系統(tǒng)測量值較溫箱顯示值偏低。從實驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)測溫精度能夠達到0.015 ℃，同時能夠有效地實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸，設(shè)計的高精度無線溫度檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的穩(wěn)定工作。

圖4 測溫曲線

時刻/s9019803600552010803實際溫度/℃25.18031.17035.70040.39045.530測量溫度/℃25.19231.18035.69440.39045.406

5 結(jié) 論

與傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)相比，系統(tǒng)設(shè)計電路簡單，工作穩(wěn)定。理論計算和實驗結(jié)果證明：該系統(tǒng)在-20～100 ℃范圍內(nèi)具有良好的測溫效果，能夠長期穩(wěn)定工作，實現(xiàn)了全天時溫度查詢及無線溫度數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的工程應(yīng)用價值。

[1] 龔瑞昆，李靜源，張 冰.高精度鉑電阻測溫系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2008(7)：9-10.

[2] 王曉丹，孟令軍，尹維漢，等.基于ADS1148的多路高精度測溫裝置[J].創(chuàng)意與實踐，2014(12)：66-68.

[3] 朱育紅.工業(yè)鉑電阻精確測溫的方法[J].中國測試技術(shù),2007，33(4)：50-52.

[4] 羅立成.光纖陀螺精密溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計及其研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011：11-13.

[5] 程建華，羅立成，王鑫哲.高精度溫度測量系統(tǒng)的溫度補償算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(11)：36-39.

[6] 王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統(tǒng)原理與實踐—ARM Cortex—M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012:168-171.

[7] 余 軍，王彥瑜.基于MSP430單片機和DS18B20的多分支多通道溫度測量系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件設(shè)計[J].核電子學與探測技術(shù)，2009，29(1)：72-76.

[8] 李海生.基于GSM短消息的遠程監(jiān)測系統(tǒng)[D].秦皇島：燕山大學，2005:16-18.

Design of high precision temperature detection system for wireless communication*

CHENG Jian-hua, LIU Ping, YU Tian-qi

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Aiming at problems of complex wiring and limited transmission distance in traditional temperature detection system,design high precision temperature detection system for wireless communication.Platinum resistor is used to sense temperature changes,ensure accuracy of temperature acquisition data by temperature measurement bridge and high quality op-amp,the system complete data conversion and filtering by using the K60 MCU,WiFi module sent the temperature data to personal computer by TCP/IP protocol.Where the WiFi signal cannot be covered,it can query temperature by sending message through GSM module at any time.Experimental results show that the temperature measuring precision can reach 0.015 ℃,and can effectively achieve the wireless transmission of temperature data.

WiFi; temperature measurement; platinum resistor

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0091—03

2016—04—12

國家自然科學基金資助項目(61374007,61104036,62173081)；中央高校科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(HEUCFX41309)

TP 29

A

1000—9787(2017)03—0091—03

程建華(1977-)，男，工學博士，副教授，主要從事慣性導航及其系統(tǒng)技術(shù)研究工作。