无线温度传感器设计探析

无线温度传感器设计探析

林爽

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150001

摘要：所谓的无线传感器网络，实际就是在特定的检测区域当中进行海量微型传感器节点的设置，并利用无线通信的方式构建一个自组织网络，对这种网络进行应用，能够对相关领域的发展产生巨大的促进作用，对无线温度传感器网络进行设计，不仅能够提升该网络的稳定性，还能使测温精度得到显著的提升，这对于无线温度传感器网络综合效用的发挥具有非常重要的意义，因此，有必要对相关内容进行深入的研究。

关键词： 温度； 传感器； 设计  

随着计算机技术、电子技术、无线网络技术的发展，工业控制的智能化、网络化成为了目前工业发展的焦点，工业无线技术已经成为工业领域的研究热点。温度是和人类生活环境密切相关的物理量，是工业过程三大参量流量、压力、温度之一，温度测量是一个经典的话题，长久以来，在这方面已有多种测温元件和传感器得到普及，但是对于一些特殊行业或特定环境应用，传统的测量方式已不能满足其需求。因此，我们针对电力部门配电柜测温监控系统，从传统的温度传感器入手，通过结合无线收发技术，研制开发了无线温度传感器。

一、相关技术介绍

1、无线技术。工业无线技术是一种能够在恶劣的工业现场环境下使用的特殊无线传感网络。此技术采用了扩频技术、多跳通信、Mesh-star 双层结构网络等关键技术，并具有很强的抗干扰能力、高可靠、超低能耗、实时安全通信等技术特点，基本能保证在恶劣的工业现场环境中可靠地通信。与传统的有线工业测控系统相比，工业无线测控系统具有以下优势:( 1) 成本低。不需要复杂的现场布线，直接通过无线网络将传感器获取的信息状态发送到上位机控制室，降低了布线的成本和线缆出现破损、老化需要检修的费用。( 2) 易使用、灵活性高。没有线缆的约束，工厂可以更好地配置生产设备，并使现场设备的移动和安装更为灵活，方便现场设备的布设。用户可根据工业应用需求的变化，快速、灵活、方便、低成本地重构工业测控系统。( 3) 高可靠、易维护。在有线系统中，电缆间的连接器易损坏，并且线缆容易被误操作所破坏，检修起来非常不方便，增加了维护的难度和维护成本。使用无线技术以后，此类事故基本可以杜绝。

2、WIA-PA 技术。WIA-PA 是我国于 2007 年开发的具有自主知识产权的，用于工业无线网络过程自动化的监控系统的一种无线通信国际标准。WIA-PA 网络拓扑结构中的五种设备作用为:主控计算机又称上位机，是 WIA-PA 网络与用户、维护人员和管理者的交互平台; 网关设备负责 WIA-PA网络与工厂内其他网络协议转换和数据映射，实现网络互联; 路由设备是具有 WIA-PA 网络现场设备管理及数据聚合、转发等功能的设备; 现场设备是安装在工业现场，连接或者控制生产过程的设备; 手持设备负责配置网络设备和监测网络性能，以 WIA-PA 网络设备的身份加入网络。

二、无线温度传感器组成与工作原理

无线温度传感器由计算机、无线接收模块、无线采集模块以及前端处理模块 4 部分共同组成。计算机控制平台主要选用VB 编写，由单片机将所采集的数据传输到计算机中，再利用计算机来存储和显示所采集的数据。无线温度传感器的工作原理是：在计算机控制平台上设置采集的次数和采集点，并将已经设置完的参数通过串口通信传输到单片机的前端，再通过接收模块中的地址码来接收采集点数据并控制采集次数。解码芯片同外围电路一起组成了无线接收模块，从而对接收到的无线数据进行解码。无线采集模块主要起到采集数据与无线发送的作用，单片机通过前端处理模块读取温度数据后，由编码芯片的无线电路发送出去。前端处理模块是由单片机和串行通信电路共同组成的，主要工作是读入处理后的数据。

三、无线温度传感器系统硬件与软件设计

1、温度测量电路的设计。温度测量电路采用的是新型总线式数字温度传感 器DS18B20。该传感器使用的是 3 引脚的小体积封装，可测量的温度范围是 -55～125 ℃，其可编程控制器的转换精度可达 9～12 位，温度分辨率为 0.062 3 ℃。DS18B20 所测得的温度带符号拓展后，以 16 位数字的模式串行输出。该系统由端脚引入电源，传感器的内部构成主要包括温度传感器、温度报警触发器、配置寄存器以及 64 位的 ROM。

2、数据采集部分的设计。数据采集部分与无线发送部分共用 1 台 PIC 单片机。单片机在读取温度传感器采集的数据时采用的是低位字节、高位字节及 CRC 字节。其中，温度存储器的低位字节、高位字节以补码形式存放，2 个字节所对应的 16 位二进制数中，最低 4 位是温度值的小数部分，最高 5 位是符号扩展，0 表示正数，1 表示负数，其余为整数部分。CRC 发生器的逻辑电路对应的生成多项式是 X8+X5+X4+1，为避免直接算法在实际应用中计算时间长的缺点，无线温度传感器 CRC 校验设计时采用了查表算法，这不仅加快了处理速度，而且还降低了系统功耗。当检查到所接收的数据正确后，单片机将控制发射模块连续发送 3 帧数据。

3、无线发送系统的设计。无线发送系统必须要给每一个采样点编设相对应的地址码，以便对每一个采集点所获取的数据进行分类处理。编、解码器选用 PT2262 与 PT2272，对于 PT2262 的地址码 A0～A7，应设为置 0、置 1 或者是悬空状态。地址的编码在不重复的情况下是 6 561 组，也就是说，从理论上讲，无线温度传感器的无线发送系统可以安装的采集点总共为 6 561 个。但值得一提的是，本系统仅使用了 2 种状态：置 0 和置 1。因此，无线温度传感器的无线发送系统在安装采集点数时最多不会超过 256 个。本系统在传送 4 位二进制的数据时其编码信号是由 Dout 引脚输出的，经放大后由 315 MHz 的高频无线调制发送。为了解决数据上的不同步及出错问题，并保证数据的完整性，特此引入了一个起始同步码 1111，每个数据包在发送前都会有一个同步码。此系统发送的所有数据皆为 BCD 码，利用该码可对数据进行区分。

4、无线接收电路的设计。无线接收电路的工作方式有超再生式与超外差式 2 种。此次无线温度传感器的设计采用的是超再生式接收模块，内部包含解码电路和放大、整形电路，使用起来较为方便。在无线接收电路中，PT2272 的外接振荡电阻是 200 kΩ，它可与发射端 PT2262 外接的 112 MΩ 电阻相匹配，将中心频率控制到 315 MHz。在单片机的一个端口设置 PT2272 的地址码，改变地址码就可以接收不同采集点的数据。PT2272 数据解码端同单片机另一端口相连接，它可以判别数据的解码是否完毕。PT2272 的 17 脚是有效解码的输出端，解码完毕之后中断连接。无线接收电路首先判断数据的开端，然后按照顺序接收本组数据，最后再通过累加来判断该组数据的接收正确与否，以保证数据传输的正确率。

5、计算机同单片机之间的通信设计。计算机同单片机之间的通信可以由 RS2232 电平转换芯片来实现。计算机操作平台可进行数据采集点接收个数及采集次数的设置，在参数设置完毕后，串口通信应把采集点的采集次数同数字代码传送到接收模块进行识别，并处理成相应的控制接收模块循环接收次数与地址码。在完成了相应的数据采集工作之后，采集模块要把数据采集点的数字代码和数据一起传输到计算机中，然后进行下一轮的采集工作，并不断进行这样的循环，直到将所有任务完成为止。通过操作平台可以选择将相关的数据自动保存到文档中，再存放到设定的目录内。

通过对无线温度传感器网络进行设计，能够使无线温度传感器网络的性能得到进一步的优化，这对于工艺领域的发展具有至关重要的作用，因此，相关领域必须要对该项内容进行深入的研究，使其能够在现代社会发展中发挥更大的作用。

参考文献：

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［2］刘枫，戴志奇． 基于 CC2431 的 WIA-PA 网络节点设计［J］． 化工自动化与仪表，2018，2( 37) : 63 － 66．

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［4］ 张丹．基于自适应心跳协议的工业无线网络簇首冗余机制研究［D］． 重庆: 重庆西南大学，2019.

［5］张睿 , 王建中 . 基于无线温度传感网络的设计 [J]. 杭州电子科技大学学报 ,2017,15(03):87-90.