采用ADuCRF101的無(wú)線溫度巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

煙草廠內(nèi)的溫度情況是煙草貯存和生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要參量。在煙草烤制完畢的貯存階段，工作人員要實(shí)時(shí)地對(duì)煙草垛內(nèi)的溫度進(jìn)行測(cè)量并記錄，從而保證煙草不會(huì)產(chǎn)生霉變等問題。目前，工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的是傳統(tǒng)的采用有線傳輸方式的巡檢系統(tǒng)，這類系統(tǒng)不僅布線和維護(hù)成本高，而且長(zhǎng)線傳輸精度也得不到保證。本設(shè)計(jì)采用ADuCRF101微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一套對(duì)工廠煙草垛內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的巡檢系統(tǒng)。利用ADuCRF101微控制器特有的射頻傳輸功能，可以方便地進(jìn)行信息的遠(yuǎn)程傳輸和控制。同時(shí)，該系統(tǒng)在糧倉(cāng)、冷庫(kù)和智能建筑場(chǎng)合都可以使用，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由溫度檢測(cè)單元、運(yùn)算處理與射頻發(fā)射單元、射頻接收單元及外圍輔助單元構(gòu)成。其中溫度檢測(cè)單元采用3組共24支測(cè)溫儀表構(gòu)成檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠覆蓋倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的所有煙草垛。測(cè)溫儀表可以直接檢測(cè)到煙草垛內(nèi)部溫度變化，并輸出范圍在4～20mA的電流信號(hào)。信號(hào)經(jīng)采樣電阻采集后送AADuCRF101的差分ADC接口，轉(zhuǎn)換成可供微控制器處理的數(shù)字信號(hào)，主機(jī)微控制器處理完成后通過其內(nèi)置的射頻發(fā)送模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端控制室的接收機(jī)，接收機(jī)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)或?qū)Ξ惓?shù)據(jù)做出報(bào)警提示。

硬件單元設(shè)計(jì)

控制器及射頻收發(fā)單元

本系統(tǒng)中的控制器及射頻收發(fā)單元采用ADuCRF101微控制器。ADuCRF101是ADI公司最新開發(fā)的一款針對(duì)低功耗無(wú)線應(yīng)用的精密微控制器。該器件內(nèi)置431～464MHz和862～928MHz UHF收發(fā)器、低功耗ARM Cortex-M3內(nèi)核和Flash/EE存儲(chǔ)器，并集成了一系列片內(nèi)外設(shè)，用戶可以根據(jù)應(yīng)用需要通過微控制器軟件控制進(jìn)行配置。這些外設(shè)包括：UART、12C和SPI串行接口、6通道單端或3通道差分ADC、29引腳GPIO端口、8通道PWM、2個(gè)通用定時(shí)器、喚醒定時(shí)器及系統(tǒng)看門狗定時(shí)器。ADuCRF101可以直接采用3.6V電池供電，專門針對(duì)低功耗工作而設(shè)計(jì)，通過使用自主包處理器能最大程度地降低無(wú)線通信期間的系統(tǒng)功耗。

溫度檢測(cè)單元

本系統(tǒng)要對(duì)24個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行溫度巡檢，而ADuCRF101片內(nèi)只集成了3通道差分ADC，所以設(shè)計(jì)中采用ADI公司的ADG707多路復(fù)用器對(duì)采樣通道進(jìn)行擴(kuò)展。由于前端信號(hào)輸出為4～20mA的電流信號(hào)，所以多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻不會(huì)對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生影響。考慮到ADuCRF101內(nèi)部的參考源為1.25V，設(shè)計(jì)中采樣電阻R1～R3選擇標(biāo)稱值為49.9Ω的精密電阻，以保證不會(huì)超過量程范圍。溫度檢測(cè)單元的電路圖如圖2所示。

外圍輔助單元

外圍輔助單元主要包括日歷/時(shí)鐘電路、超限語(yǔ)音報(bào)警及液晶顯示電路，下面將分別進(jìn)行介紹。

日歷/時(shí)鐘電路

日歷/時(shí)鐘芯片選擇PCF8563芯片，該芯片采用I2C總線與ADuCRF101通信，只需一條時(shí)鐘線SCL和一條數(shù)據(jù)線SDA即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。使用時(shí)為保證數(shù)據(jù)可靠，這兩條線需通過上拉電阻連接至ADuCRF101模塊的數(shù)字高電平VDD，如圖3所示。

語(yǔ)音報(bào)警電路

語(yǔ)音報(bào)警電路能夠更加智能地向用戶報(bào)告異常溫度點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)中采用WT588D語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)了語(yǔ)音報(bào)警電路。在語(yǔ)音報(bào)警電路中，24個(gè)采樣點(diǎn)的點(diǎn)溫度值的異常情況可以被識(shí)別并對(duì)異常點(diǎn)位置進(jìn)行語(yǔ)音提示報(bào)警。只需把錄制好的語(yǔ)音文件下載到存儲(chǔ)器中，WT588D芯片便可以根據(jù)觸發(fā)信號(hào)所指引的地址找到對(duì)應(yīng)的音頻文件，對(duì)異常位置做出語(yǔ)音提示，方便用戶準(zhǔn)確判斷并及時(shí)處置。設(shè)計(jì)中根據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷應(yīng)該觸發(fā)的信號(hào)，采用三個(gè)8選1數(shù)據(jù)選擇器芯片ADG1608，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)與語(yǔ)音報(bào)警模塊的連接，即從機(jī)的輸出經(jīng)過三個(gè)ADG1608芯片發(fā)送到語(yǔ)音報(bào)警芯片的輸入端，減少了硬件資源的占用。

液晶顯示電路

液晶顯示在便攜式移動(dòng)終端中應(yīng)用廣泛。為了使用戶能夠更方便地監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中采用1602液晶作為顯示器件制作了便攜終端，使用戶不用借助上位機(jī)即可對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。1602液晶顯示電路如圖4所示。圖中采用74HCl64芯片將數(shù)據(jù)傳輸方式由并行轉(zhuǎn)換為串行，原本8條數(shù)據(jù)線由一條時(shí)鐘線和一條數(shù)據(jù)線替代，節(jié)約了硬件端口資源。

軟件程序設(shè)計(jì)

溫度巡檢系統(tǒng)采用兩片ADuCRF101以主從方式工作，其中主機(jī)負(fù)責(zé)采集溫度信號(hào)并發(fā)送，從機(jī)負(fù)責(zé)接收主機(jī)發(fā)送的溫度信號(hào)并實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警及數(shù)據(jù)上傳任務(wù)，主從機(jī)的軟件流程圖如圖5所示。下面分別介紹主從機(jī)工作流程。

主機(jī)上電后首先給從機(jī)發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。若從機(jī)產(chǎn)生應(yīng)答，說(shuō)明從機(jī)已就緒，無(wú)線傳輸系統(tǒng)可以正常工作，隨后主機(jī)通過GPIO端口控制多路復(fù)用器依次將各路溫度信號(hào)送至ADuCRF101片上的ADC端口進(jìn)行采樣。為了保證檢測(cè)精度，軟件中還使用了濾波程序，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度后，就可以通過射頻發(fā)送器向從機(jī)傳輸了。程序中設(shè)置了一段延時(shí)程序，用以保證當(dāng)從機(jī)接收數(shù)據(jù)全部完成后才開始下一個(gè)巡檢周期。

從機(jī)與主機(jī)配合工作。當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，并等待主機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，期間從機(jī)會(huì)讀取PCF8563日歷芯片數(shù)據(jù)，當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后，從機(jī)從數(shù)據(jù)幀中解碼出溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度經(jīng)驗(yàn)表判讀溫度是否異常。如果異常則先進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示，然后顯示各點(diǎn)數(shù)據(jù)，否則不報(bào)警。日期與溫度的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表如表1所示（由于地域不同，該經(jīng)驗(yàn)表會(huì)有所變化）。

實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

環(huán)境會(huì)對(duì)射頻信號(hào)的傳輸距離產(chǎn)生影響，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，實(shí)驗(yàn)選擇在陰雨天氣。煙垛距離控制室大約300米，在控制室內(nèi)觀察便攜式接收器顯示。結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)可以正常工作，顯示1號(hào)煙垛的溫度為22.5℃，所有煙垛狀態(tài)正常。

結(jié)語(yǔ)

采用ADuCRF101微控制器的無(wú)線溫度巡檢系統(tǒng)不僅節(jié)省了長(zhǎng)線傳輸?shù)匿伨€成本、降低系統(tǒng)維護(hù)難度、增強(qiáng)了傳輸?shù)木龋瑢?duì)控制室的選址和變遷也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。隨著各種無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母黝愊到y(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的發(fā)展前景，新型的無(wú)線工業(yè)巡檢系統(tǒng)值得我們進(jìn)行深入的探索和研究。

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