一種無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

池東亮 李龍龍 束鵬飛 熊樹(shù)海

（科大智能電氣技術(shù)有限公司，合肥 230088）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科技水平不斷提高，電力設(shè)備種類(lèi)越來(lái)越豐富，尤其是高精度設(shè)備越來(lái)越多，這些設(shè)備對(duì)溫度要求非常高，不同的溫度對(duì)設(shè)備影響很大[1-4]，如變壓器觸頭，其溫度反映了用電負(fù)荷情況，如果在高負(fù)荷情況下觸頭溫度會(huì)升高，溫度升高會(huì)影響變壓器性能，甚至出現(xiàn)故障，最后導(dǎo)致停電并造成經(jīng)濟(jì)損失[5]。

傳統(tǒng)人為抄讀溫度儀表盤(pán)的方式已不能滿足當(dāng)前測(cè)溫需求。演變出來(lái)的有線式連接主機(jī)進(jìn)行測(cè)溫的方式對(duì)布線規(guī)劃、施工等要求較高。無(wú)線測(cè)溫發(fā)送方式對(duì)主站硬件要求過(guò)高且不靈活。巡檢機(jī)器人圖像識(shí)別儀表盤(pán)或者紅外相機(jī)判斷被測(cè)物體溫度的方法對(duì)被測(cè)物要求過(guò)高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀察被測(cè)物[6-7]。在新智能環(huán)境下，迫切需要一種簡(jiǎn)便有效且對(duì)主機(jī)系統(tǒng)通用的無(wú)線測(cè)溫方式。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文所提無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)包括主溫度匯集單元和若干個(gè)從溫度感知單元。系統(tǒng)使用一主多從的方式，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，從溫度感知單元與被測(cè)物體接觸來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的溫度，從溫度感知單元經(jīng)無(wú)線通信方式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元，主溫度匯集單元與主機(jī)連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機(jī)。無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。

從溫度感知單元包括溫度傳感器、溫度檢測(cè)電路、微控制單元（micro control unit, MCU）、電源管理電路、鋰電池、鋰電池電壓測(cè)量電路、看門(mén)狗電路、射頻（radio frequency, RF）無(wú)線傳輸模塊和RF天線。從溫度感知單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 從溫度感知單元硬件設(shè)計(jì)框圖

溫度傳感器安裝在被測(cè)物體上，溫度傳感器經(jīng)溫度檢測(cè)電路與MCU連接，看門(mén)狗電路與MCU輸出端連接，鋰電池經(jīng)鋰電池電壓測(cè)量電路與MCU的輸入端連接，MCU的輸出端經(jīng)RF無(wú)線傳輸模塊及RF天線與主溫度匯集單元通信。鋰電池輸出端與電源管理電路連接，電源管理電路分別與溫度檢測(cè)電路、看門(mén)狗電路、鋰電池電壓測(cè)量電路、MCU和RF無(wú)線傳輸模塊連接為其供電。

主溫度匯集單元包括通用串行總線（universal series bus, USB）接口、USB轉(zhuǎn)串口、MCU、看門(mén)狗電路、電源管理電路、RF無(wú)線傳輸模塊和RF天線。主溫度匯集單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 主溫度匯集單元硬件設(shè)計(jì)框圖

RF無(wú)線傳輸模塊與RF天線連接，RF無(wú)線傳輸模塊與MCU連接，MCU經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口及USB接口與主機(jī)進(jìn)行通信，MCU輸出與看門(mén)狗電路連接。 USB接口與電源管理電路輸入端連接，電源管理電路輸出端與MCU、看門(mén)狗電路、RF無(wú)線傳輸模塊及USB轉(zhuǎn)串口連接并為其供電。

主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類(lèi)配置更加靈活，使用更加開(kāi)放，可與包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、融合終端、巡檢機(jī)器人等擁有USB接口的主機(jī)進(jìn)行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無(wú)需外接電源，降低了使用難度。

2.2 主控芯片選型

從溫度感知單元采用鋰電池供電，為了延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間及減少?gòu)臏囟雀兄獑卧木S護(hù)工作，從溫度感知單元采用超低功耗MCU。MCU為STM8L系列的STM8L052R8[8-9]，該芯片在運(yùn)行模式下，功耗低至200μA/MHz；提供五種低功耗模式，在低功耗等待模式下，功耗僅為3μA；內(nèi)置64KB Flash，256B帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read only memory, EEPROM）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片（real time clock, RTC）、液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface, SPI）等資源。從溫度感知單元采用此超低功耗MCU，可以實(shí)現(xiàn)電池使用五年免維護(hù)。

主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8，該芯片采用32位Cortext-M3內(nèi)核架構(gòu)，工作頻率可以達(dá)到24MHz，內(nèi)置128KB Flash，8KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（static random access memory, SRAM）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter, DAC）、12 timers計(jì)時(shí)器等資源[10-11]。

2.3 無(wú)線傳輸模塊選型

無(wú)線傳輸模塊采用的型號(hào)是SX1212，SX1212是SEMTECH推出的一款超低功耗集成的單芯片無(wú)線收發(fā)芯片，頻率范圍從300MHz到510MHz。本設(shè)計(jì)采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式電流僅有3mA。

2.4 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

從溫度感知單元溫度檢測(cè)電路如圖4所示，包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開(kāi)關(guān)電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過(guò)高低電平來(lái)控制MOS管開(kāi)關(guān)電路3。由10kΩ 電阻R15、330Ω 電阻R16與負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient, NTC）熱敏電阻R17組成分壓電路。根據(jù)熱敏電阻R17外界溫度不同自身阻值不同的特性和歐姆定理將溫度的變化轉(zhuǎn)化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據(jù)功率放大器特性組成電壓跟隨電路，TEMP_AD處電壓反映熱敏電阻R17電壓。TEMP_AD連接MCU的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）引腳，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)計(jì)算可得到電壓值，根據(jù)電壓和溫度之間關(guān)系算出溫度值。MCU芯片退出睡眠模式，分別改變TEMP_ PWR和TEMPH_PWR電平導(dǎo)通MOS管開(kāi)關(guān)電路3，根據(jù)分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過(guò)TEMP_AD讀取 熱敏電阻R17兩端電壓，算出當(dāng)前溫度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同測(cè)溫精度和范圍，TEMP_ PWR溫度分辨率為0.5℃，溫度測(cè)量范圍為-40～170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃，溫度測(cè)量范圍為-20～125℃。

圖4 溫度檢測(cè)電路

2.5 看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門(mén)狗電路如圖5所示，看門(mén)狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳，RESET連接MCU的RESET引腳（復(fù)位引腳），MCU定時(shí)給WDI一個(gè)脈沖信號(hào)，看門(mén)狗芯片獲取信號(hào)，不對(duì)RESET引腳輸出脈沖信號(hào)，即不對(duì)MCU進(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無(wú)法進(jìn)行操作，當(dāng)時(shí)間超過(guò)1 600ms時(shí)，看門(mén)狗芯片會(huì)輸出脈沖信號(hào)，對(duì)MCU進(jìn)行復(fù)位以解除故障。

圖5 看門(mén)狗電路

2.6 電源管理電路設(shè)計(jì)

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的電源管理電路如圖6所示，電源管理電路包括3.3V低壓差線 性穩(wěn)壓器和2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器將電池電壓穩(wěn)定在3.3V供鋰電池電壓測(cè)量電路、看門(mén)狗電路、溫度測(cè)量電路、RF無(wú)線傳輸模塊、低功耗MCU使用。2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路供溫度測(cè)量電路和電池電壓測(cè)量電路作電壓分壓電源使用，并將基準(zhǔn)電壓輸入MCU基準(zhǔn)電壓輸入口，以提供準(zhǔn)確的ADC基準(zhǔn)電壓。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器將USB接口提供的電壓轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的3.3V電壓，供USB轉(zhuǎn)串口電路、看門(mén)狗電路、RF無(wú)線傳輸電路、MCU使用。

圖6 電源管理電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試溫度的方式包括空中匹配和主動(dòng)上報(bào)兩種模式。

3.1 空中匹配模式

空中匹配模式程序流程如圖7所示。

圖7 空中匹配模式程序流程

在從溫度感知單元中，MCU對(duì)看門(mén)狗電路進(jìn)行操作。溫度檢測(cè)電路將溫度傳感器所采集的被測(cè)物體的溫度值保存在MCU中，鋰電池電壓測(cè)量電路測(cè)量鋰電池的電壓并將電壓保存至MCU中。MCU將RF無(wú)線傳輸模塊設(shè)置為接收模式，接收主溫度匯集單元發(fā)送的讀取信息指令，根據(jù)讀取指令將鋰電池的電壓值和被測(cè)物體的溫度值數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元，發(fā)送完畢后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。從溫度感知單元在睡眠狀態(tài)無(wú)法接收主溫度匯集單元的指令，直到其睡眠周期超時(shí)后才能接收和回復(fù)，睡眠周期在1～65 535s之間可設(shè)。主溫度匯集單元將被測(cè)物體溫度值和鋰電池電壓存儲(chǔ)在MCU的Modbus表中以供主機(jī)通過(guò)USB接口使用Modbus規(guī)約讀取。

此模式適合移動(dòng)物體抄讀溫度數(shù)據(jù)，如安裝主溫度匯集單元的巡檢機(jī)器人、安裝主溫度匯集單元的手機(jī)、人為巡檢等。

3.2 主動(dòng)上報(bào)模式

主動(dòng)上報(bào)模式程序流程如圖8所示。

圖8 主動(dòng)上報(bào)模式程序流程

從溫度感知單元進(jìn)入睡眠超低功耗狀態(tài)，睡眠周期到達(dá)后，模塊轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)：①進(jìn)行看門(mén)狗喂狗操作；②溫度傳感器測(cè)量溫度；③進(jìn)行電池電壓檢測(cè)；④模塊發(fā)送采集的被測(cè)物體溫度信息和鋰電池電量信息。若發(fā)送完畢后接收到主溫度匯集單元應(yīng)答，模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。若未收到應(yīng)答，模塊繼續(xù)發(fā)送直至超過(guò)重發(fā)次數(shù)，模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。

此模式適合固定在從模塊附近不移動(dòng)主機(jī)，如安裝主溫度匯集單元的融合終端、安裝主溫度匯集單元的臺(tái)式計(jì)算機(jī)等。

從溫度感知單元與主溫度匯集單元之間采用主動(dòng)上報(bào)和空中匹配兩種工作方式進(jìn)行交互，使用靈活，可以有效降低產(chǎn)品的功耗。主機(jī)根據(jù)獲取的鋰電池的電壓信息，可判斷當(dāng)前從溫度感知單元的電量使用情況，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員根據(jù)從溫度感知單元電量情況進(jìn)行維護(hù)，如電量低時(shí)更換電池或者更換 設(shè)備。

4 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 從溫度感知單元結(jié)構(gòu)

從溫度感知單元外形設(shè)計(jì)為表帶形狀，方便現(xiàn)場(chǎng)固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線引出，在安裝時(shí)可與被測(cè)物體測(cè)溫點(diǎn)貼合更緊密，測(cè)試溫度更加準(zhǔn)確。從溫度感知單元共有三種顏色樣式，分別為黃、綠、紅三色，三種顏色搭配安裝，更容易區(qū)分且不易出錯(cuò)。從溫度感知單元實(shí)物如圖9所示。

圖9 從溫度感知單元實(shí)物

4.2 主溫度匯集單元結(jié)構(gòu)

主溫度匯集單元外形為方形盒狀結(jié)構(gòu)，天線和USB連接線通過(guò)連接器引出，在外部面板上有設(shè)備工作狀態(tài)的指示燈。主溫度匯集單元實(shí)物如圖10 所示。

圖10 主溫度匯集單元實(shí)物

5 結(jié)論

本文所提無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被測(cè)物體溫度信息和鋰電池電量信息，使電池可使用時(shí)間更長(zhǎng)；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類(lèi)配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動(dòng)上報(bào)兩種模式，保證主溫度匯 集單元與從溫度感知單元之間通信的穩(wěn)定性，且兩種工作模式可根據(jù)使用要求進(jìn)行選擇，保證低功耗運(yùn)行情況下設(shè)備的穩(wěn)定性。