一個(gè)基于CC1310的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竺懌晨 楊翱翔 袁懷杰 王飛 孫玉昕

的重要一環(huán)，傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)存在測(cè)量周期長(zhǎng)、安裝復(fù)雜、不易管理維護(hù)等問(wèn)題。對(duì)此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于CC1310射頻芯片的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。采用 CC1310平臺(tái)搭建了無(wú)線傳感器測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)后發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，其通過(guò)串口連接至計(jì)算機(jī)查看數(shù)據(jù)。在硬件方面，傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，并使用周期性睡眠偵聽(tīng)的工作方式來(lái)降低能量消耗，延長(zhǎng)使用壽命。

關(guān)鍵詞：CC1310;傳感器;溫度測(cè)量;無(wú)線傳輸;傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）15-0099-03

1 引言

在我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展的進(jìn)程中，我國(guó)電力系統(tǒng)是發(fā)展較快的一個(gè)領(lǐng)域。電力系統(tǒng)的自動(dòng)化，人工電力系統(tǒng)管理工作容錯(cuò)率較低，采用無(wú)線傳感裝置，相較于過(guò)去的監(jiān)控管理裝置而言具有較多的優(yōu)點(diǎn)，其中較為明顯的優(yōu)點(diǎn)便是減少了線路的復(fù)雜性。在電力系統(tǒng)中，特別是高壓輸電線，如果線路較為復(fù)雜，在進(jìn)行管理維護(hù)的過(guò)程中，會(huì)增加工作難度，而且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。相較于傳統(tǒng)的感應(yīng)裝置，無(wú)線傳感裝置受損的可能性較小，而且傳輸數(shù)據(jù)也更加具有精確性。

社會(huì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行是人民正常生活的保障，設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。眾多企業(yè)提倡對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，而溫度是預(yù)防性維護(hù)中最重要的監(jiān)控參數(shù)，溫度的過(guò)高或過(guò)低均意味著故障產(chǎn)生的可能性。實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段[1]。

同時(shí)無(wú)線傳感器自身電壓值的穩(wěn)定也是十分重要的，自身電壓過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)導(dǎo)致傳感器測(cè)量的不確定性，影響結(jié)果的正確性[2]。

基于此現(xiàn)狀本文實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線溫度檢測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量高壓帶電物體表面或接點(diǎn)處的溫度，如高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的裸露觸點(diǎn)、母線連接處、戶外刀閘及變壓器等的運(yùn)行溫度[3]，同時(shí)也能實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器自身的供電電壓值。其中傳感器模塊是由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)制放大電路、邏輯控制電路、無(wú)線調(diào)制接口等組成。傳感器將采集到的溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到管理終端。管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以掌握設(shè)備情況。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的本質(zhì)就是傳感器檢測(cè)電纜溫度并周期性傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)，并提供高溫預(yù)警功能。系統(tǒng)主要由以下三個(gè)模塊構(gòu)成：信息采集傳輸模塊、信息接收處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊。

其中信息采集傳輸模塊是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的部件，也就是節(jié)點(diǎn)，需將其放置在合適的位置，比如綁在電纜上。其包含溫度傳感器、控制單元、射頻單元、電源，負(fù)責(zé)收集電纜溫度信息，信息在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理后通過(guò)無(wú)線射頻方式發(fā)送。

信息接收處理模塊就是一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收其網(wǎng)絡(luò)下所屬節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后通過(guò)串口將信息傳輸至主機(jī)?？紤]到長(zhǎng)距離的無(wú)線信息傳輸和低功耗的要求，在此采用CC1310作為核心芯片，使用長(zhǎng)距離低速率模式，通信距離可達(dá)20 km[4]。其433MHz的低頻通信穿透力強(qiáng)，功耗低，雖然速率較低，但是系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少，恰好符合本系統(tǒng)要求。

數(shù)據(jù)顯示模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)強(qiáng)弱、電纜溫度、節(jié)點(diǎn)剩余電量等信息顯示在屏幕上。

基于CC1310的無(wú)線傳感系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要工作流程如下：在系統(tǒng)啟動(dòng)后各個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?jié)點(diǎn)收集信息，在經(jīng)過(guò)ADC后通過(guò)射頻方式將信息傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送至主機(jī)，主機(jī)通過(guò)安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼從而顯示在屏幕上。

3 硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)的分析，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)，本系統(tǒng)硬件部分主要由無(wú)線溫度傳感器和外嵌接收模塊兩部分組成，另設(shè)數(shù)據(jù)顯示模塊方面調(diào)試和使用。結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

如上圖所示，首先由無(wú)線溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取被測(cè)部位的當(dāng)前溫度和傳感器自身的供電電壓值，并將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)全部通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到外嵌接收模塊。然后由外嵌接收模塊的傳感器控制模塊接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在電腦上。

3.1 無(wú)線溫度傳感器

本系統(tǒng)使用的溫度傳感器有三種。

有源式無(wú)線溫度傳感器，通過(guò)USB接口供電。其溫度測(cè)量范圍為-25～+125℃，測(cè)量精度為±1℃，溫度采樣頻率為5分鐘（默認(rèn)），無(wú)線頻率為2.4GHz/433MHz，無(wú)線傳輸距離為≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），電池使用壽命為8年。

無(wú)源式無(wú)線溫度傳感。其傳感器結(jié)構(gòu)分為：硅膠表帶（模塊主體）、取電合金片（用于感應(yīng)取電）、傳感器溫度探頭（貼緊被測(cè)溫部位，檢測(cè)測(cè)溫部位溫度）。其溫度測(cè)量范圍為-25～+125℃，測(cè)量精度為±1℃，溫度采樣頻率為10秒（默認(rèn)），無(wú)線頻率為2.4GHz/433MHz，無(wú)線傳輸距離為≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），工作電源為感應(yīng)取電，啟動(dòng)電流須>8A。

表帶式微型無(wú)源無(wú)線溫度傳感器。其傳感器結(jié)構(gòu)分為：硅膠表帶（模塊主體）、后蓋片（感應(yīng)溫度）、取電合金片（用于感應(yīng)取電）。其溫度測(cè)量范圍為-25～+125℃，測(cè)量精度為±1℃，溫度采樣頻率為20秒（默認(rèn)），無(wú)線頻率為2.4G/433MHz，無(wú)線傳輸距離為≤10米（2.4GHz）/≤200米（433MHz），工作電源為感應(yīng)取電，啟動(dòng)電流須>5A。

3.2 外嵌接收模塊

外嵌接收模塊采用的是德州儀器公司生產(chǎn)的 CC1310器件。該器件包括主CPU，射頻核心，傳感控制器和通用外圍組件。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

其中主CPU是搭載性能強(qiáng)大的ARM?Cortex?-M3處理器，超低功耗射頻收發(fā)器搭載ARM?Cortex?-M0處理器，具有出色的接收器靈敏度。另外，該器件的傳感控制器（SC）是CC1310獨(dú)有的一個(gè)部分， SC可通過(guò)單獨(dú)編程利用傳感閾值數(shù)據(jù)喚醒主控制器進(jìn)行工作，非常適合低功耗傳感系統(tǒng)的應(yīng)用[5]。

根據(jù)德州儀器公司官方給出的 433MHz下的CC1310芯片射頻收發(fā)線路推薦匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊主要采用了CH340E芯片，它是一個(gè)支持USB2.0協(xié)議的USB轉(zhuǎn)UART串口芯片，內(nèi)置時(shí)鐘晶振，外圍電路簡(jiǎn)單，相比于同型號(hào)的其他封裝類(lèi)型更省體積。為使電腦能識(shí)別該芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，電腦需安裝CH340驅(qū)動(dòng)。配合使用相應(yīng)軟件即可顯示溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)。該部分電路圖如圖5所示。

3.4 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)溫度傳感器和外嵌接收模塊的供電，溫度傳感器和外嵌接收模塊是兩個(gè)獨(dú)立器件，其中數(shù)據(jù)顯示模塊內(nèi)嵌在外嵌接收模塊中。

在日常生活中，常見(jiàn)的低壓供電方式大多為5V，而在本次設(shè)計(jì)中芯片工作電壓大都在5V以下。如CH340E工作電壓為3.3V/5V，CC1310工作電壓為1.8 至 3.8V。對(duì)此需使用低壓降穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定的直流電壓電源，在此選擇了德州儀器的TPS73663超低壓降穩(wěn)壓器，其具有反向電流保護(hù)功能和使能功能、精度高、穩(wěn)定性好、安全性強(qiáng)、功耗低（關(guān)機(jī)模式電流低于1 μA）。降壓電路如圖6所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)收集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和射頻處理模塊等。如圖7所示，軟件基于TI-RTOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。TI-RTOS是一種旨在為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序過(guò)程數(shù)據(jù)提供服務(wù)的操作系統(tǒng)，通常沒(méi)有緩沖延遲[6]。

本系統(tǒng)的主要流程如圖8所示，分為電壓檢測(cè)，溫度檢測(cè)和射頻任務(wù)三個(gè)部分。

如上圖所示，首先系統(tǒng)初始化，然后執(zhí)行電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)和射頻任務(wù)。只有當(dāng)供電電壓符合要求時(shí)才會(huì)進(jìn)行溫度檢測(cè)，否則睡眠進(jìn)行等待;當(dāng)進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，電腦上會(huì)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，然后由CC1310的傳感器控制模塊進(jìn)行溫度檢測(cè)，低于報(bào)警溫度時(shí)，繼續(xù)溫度檢測(cè)，否則觸發(fā)射頻任務(wù);當(dāng)進(jìn)行射頻任務(wù)時(shí)，會(huì)首先喚醒主CPU，并將RF Core初始化，然后主CPU向RF Core發(fā)送命令，RF Core處理完數(shù)據(jù)后將其返回給主CPU，然后觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，完成報(bào)警后便關(guān)閉RF Core，繼續(xù)進(jìn)行溫度檢測(cè)，以達(dá)到低功耗的目的。

5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

最終成品如圖9所示，左側(cè)為外嵌接收模塊，右側(cè)為傳感器及射頻電路。

本系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果如圖10所示。

收到5個(gè)字節(jié)，其中第1，2 個(gè)字節(jié)為傳感器地址，第3，4個(gè)字節(jié)為溫度數(shù)據(jù) ，第5字節(jié)為無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI，例如其中接收到的數(shù)據(jù)為FA 57 20 10 DF，則FA 57 為傳感器地址，0x2010 為溫度，十進(jìn)制表示為8208，每攝氏度的刻度為256，所以用十進(jìn)制的攝氏度表示為8208/256 =32.0625°C，信號(hào)強(qiáng)度為DF，為有符號(hào)數(shù)，換算成10進(jìn)制就是-33，含義為接收射頻信號(hào)強(qiáng)度-33dbm。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種基于CC1310的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，論述了溫度測(cè)量及無(wú)線傳輸?shù)能浻布桨冈O(shè)計(jì)。硬件部分包括溫度傳感器，接收模塊和顯示模塊;軟件部分包括數(shù)據(jù)的收集處理和芯片上的運(yùn)行邏輯。搭建了測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠采集到溫度信息，并有著1℃的精確度和較低的傳輸時(shí)延。本系統(tǒng)還具有一定的擴(kuò)展能力，最大能夠支持255節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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