基于物聯(lián)網(wǎng)的無線測溫模塊設(shè)計(jì)

宋守金++吳云韜++鄭更生

摘要：溫度是在很多生產(chǎn)生活場合中具有重要意義的一個(gè)參數(shù)。比如高壓變電站中，由于觸頭的松動導(dǎo)致設(shè)備溫度升高，可能引起火災(zāi)，造成大量電力設(shè)備燒毀，影響日常生產(chǎn)生活；倉庫中溫度的高低會影響糧食的儲存周期；大棚中溫度的變化對植物的生長狀況有很大影響等。因此，對這些場合實(shí)行溫度的實(shí)時(shí)檢測就得尤為必要。設(shè)計(jì)了一套既適用于變電站等電磁輻射干擾強(qiáng)的特殊場合，又適用于蔬菜大棚等電磁輻射干擾弱的普通場合的無線測溫系統(tǒng)，并已在武漢工程大學(xué)附近的一處變電站進(jìn)行了現(xiàn)場測試并已投入使用，達(dá)到了理想效果。該系統(tǒng)的成功開發(fā)極大方便了平時(shí)的生活生產(chǎn)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線測溫；MSP430；nRF905

DOIDOI：10.11907/rjdk.161742

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009011903

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2014CBF791）

作者簡介作者簡介：宋守金（1981-），男，河南固始人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；吳云韜（1973-），男，湖北利川人，博士后，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘柼幚?；鄭更生?971-），男，湖北武漢人，博士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)。

0引言

溫度是許多生產(chǎn)生活環(huán)境中具有重大意義的一個(gè)參數(shù)，這些場合中溫度的高低狀況都會影響生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量以及設(shè)備的正常運(yùn)行，所以要保證這些場合中生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行，就必須對這些場合中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。但過去人們采用的傳統(tǒng)測溫方法，比如人工巡視法、紅外探測法及有線測溫法等都存在勞動強(qiáng)度大、效率低及準(zhǔn)確性差等諸多不足，因此研發(fā)出一套無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)意義重大。比如在儲存一些容易變質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，需要將溫度控制在適宜范圍中以防止其腐爛變質(zhì)[1]。再者，隨著近年來經(jīng)濟(jì)及社會的發(fā)展，日常生產(chǎn)生活對電能的需求量日益增大，電能就逐漸成為現(xiàn)代社會中最重要的能源之一，也是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，對人們生產(chǎn)生活及國民經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用。因此，確保電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行是電力管理部門的首要任務(wù)。變電站中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的好壞是影響變電站的安全運(yùn)行及整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)歷史上發(fā)生電力系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)大部分故障發(fā)生前期及正在發(fā)生時(shí)都會伴隨著設(shè)備溫度的升高，這種溫度的升高會傳導(dǎo)到設(shè)備的外殼上，而且發(fā)生這些故障時(shí)通常很難人為發(fā)現(xiàn)，故可以通過測溫的方法來檢測電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以避免電網(wǎng)事故的發(fā)生及設(shè)備損壞[24]，但是過去人們常用的測溫方法不僅不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障，而且還容易發(fā)生漏報(bào)情況，并且這些傳統(tǒng)方法不容易實(shí)現(xiàn)對密封狀態(tài)下的設(shè)備或處于障礙物下的設(shè)備進(jìn)行測溫，再者磁場輻射對長期處在強(qiáng)磁場環(huán)境下的監(jiān)測人員的身體健康也有很大影響。為了解決這些難題，人們迫切需要采用一種新的技術(shù)來替代之前采用的那些傳統(tǒng)方法。近年來，物聯(lián)網(wǎng)[57]技術(shù)的誕生及飛速發(fā)展為無線測溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念是美國在1999年提出，當(dāng)時(shí)稱為傳感網(wǎng)，其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)出了一種可以既適用于蔬菜大棚等農(nóng)業(yè)場所又適用于變電站等工業(yè)場所的無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗微處理器MSP430、溫度傳感器DS18B20和無線射頻芯片nRF905為核心部件，聯(lián)合電源模塊組成溫度采集通信模塊，設(shè)計(jì)了一種超低功耗無線通信協(xié)議。該系統(tǒng)具有便于攜帶、安裝方便、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)測溫方式存在的布線復(fù)雜、效率低、成本高、維修難等問題，具有重大的工程意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成[8]，其中數(shù)據(jù)采集端由MSP430、DS18B20及無線模塊組成，數(shù)字信號通過傳感器轉(zhuǎn)換后被發(fā)送到無線模塊，再經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出；數(shù)據(jù)接收端由MSP430、主機(jī)及無線模塊組成。接收端接收到采集端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議解調(diào)，還原其中的有效信息和數(shù)據(jù)后再通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，最后由電腦對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念，又可將此系統(tǒng)分為3層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[9]。其中，感知層以傳感器為主體，網(wǎng)絡(luò)層以接收設(shè)備與傳輸設(shè)備為主體，應(yīng)用層以監(jiān)控后臺與用戶終端為主體。

2系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了硬件電路，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成，兩者之間的溫度數(shù)據(jù)信息傳遞通過無線信道實(shí)現(xiàn)。其中信息發(fā)送端由單只nRF905無線收發(fā)模塊與多只溫度傳感器DS18B20組成，信息接收端由單只nRF905無線收發(fā)模塊與SPI口相連，再聯(lián)合計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

2.1感知層設(shè)計(jì)方案

感知層相關(guān)硬件部分由MSP430單片機(jī)和多只DS18B20溫度傳感器及無線射頻芯片 nRF905組成。

2.1.1單片機(jī)MSP430

MSP430[1011]單片機(jī)是TI公司的一個(gè)具有超低功耗和精簡指令集的混合信號處理器，特別適合運(yùn)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。電源電壓為1.8V～3.6V低電壓，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。另外，MSP430單片機(jī)具有5種低功耗模式，可以通過控制片內(nèi)時(shí)鐘，使其進(jìn)入不同的低功耗模式，以適應(yīng)不同場合的低功耗需求。

2.1.2溫度傳感器DS18B20

DS18B20[12]是一種常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場合。工作電壓為3.0～5.5V，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間為750ms，測溫范圍為-55～+125℃ ，固有測溫誤差為±1℃。

2.1.3無線射頻芯片 nRF905

nRF905[13] 芯片是由 Nordic VLSI 公司推出的單片射頻收發(fā)器，有如下特點(diǎn)：輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1.4感知層相關(guān)程序流程

MSP430單片機(jī)負(fù)責(zé)對DS18B20進(jìn)行溫度采集初始化脈沖方面的工作。主機(jī)操作DS18B20按照初始化操作、ROM操作、內(nèi)存操作、數(shù)據(jù)處理4個(gè)步驟進(jìn)行，其中溫度采集部分流程如圖3所示。

2.2網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)方案

2.2.1網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議的好壞是影響物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的通信協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的可靠性、節(jié)能性、健壯性都起到很大作用。針對本系統(tǒng)的實(shí)際需求，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、效率高、實(shí)現(xiàn)簡單，能滿足系統(tǒng)的基本要求。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)硬件主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器及無線溫度接收儀（主控芯片MSP430、無線通信模塊及RS485模塊）組成。

當(dāng)無線通信模塊將無線傳感器DS18B20的溫度數(shù)據(jù)接收進(jìn)來后，由主控芯片MSP430對其進(jìn)行包裝，然后通信模塊再通過RS485媒介將其送到主站。就目前而言，RS485是比較常見的通訊模式，通常用于輻射干擾強(qiáng)度比較小的場合。為了使本系統(tǒng)同時(shí)也適用于輻射干擾強(qiáng)度大的場合，比如變電站等場所，本系統(tǒng)采用了屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)就是在普通非屏蔽布線系統(tǒng)的外面加上金屬屏蔽層，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止電磁干擾及電磁輻射功能的技術(shù)。屏蔽技術(shù)綜合利用了雙絞線的平衡原理及屏蔽層的屏蔽作用，因而具有非常好的電磁兼容特性。本系統(tǒng)采用了導(dǎo)電導(dǎo)磁的材料制成類似外殼之類的東西，這樣可以將電磁場限制在一定的空間范圍內(nèi)，使電磁場從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)有了很大的衰減，所以本測溫模塊在變電站等電磁強(qiáng)度大的場合下使用時(shí)，很大程度上減少了電磁對其正常工作的干擾，以保證其能在這種強(qiáng)磁場場合下正常工作。

無線溫度接收儀主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)功能，而數(shù)據(jù)服務(wù)器接收來自無線溫度接收儀轉(zhuǎn)發(fā)過來的溫度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)按照需求存儲起來，以備用戶的調(diào)用及訪問。其程序流程如圖4所示。

2.3應(yīng)用層設(shè)計(jì)方案

應(yīng)用層是一個(gè)后臺軟件，設(shè)計(jì)時(shí)既要遵循功能操作實(shí)用、界面友好、版面美觀的原則，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的建檔和配置工作、實(shí)時(shí)召喚及數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示、溫度超限報(bào)警及多方式提醒、無線溫度傳感器定位、能通過公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問等功能。

3結(jié)語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度檢測模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線溫度測量及數(shù)據(jù)傳輸，通過恰當(dāng)?shù)挠布娐吩O(shè)計(jì)及合理的軟件編程設(shè)計(jì)使溫度數(shù)據(jù)得以安全可靠地傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了蔬菜大棚、變電站等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活環(huán)境中各設(shè)備的安全生產(chǎn)與運(yùn)行。本系統(tǒng)在日常的生產(chǎn)生活中有著良好的應(yīng)用前景，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）