無線紅外溫度傳感器的設計

嚴冬 劉宇 黃麗 龍國強

摘 要：文章介紹了一種基于MLX90614ESF-BAA的無線紅外溫度傳感器，具有非接觸、體積小、精度高，成本低等優點。文章主要給出了傳感器的硬件電路設計及節點的軟件設計。硬件設計主要包括電源電路，采集電路和無線射頻電路，軟件設計主要包括數據采集和通信協議的設計。最后對設計的傳感器節點進行了射頻性能和傳感器精度的測試驗證。

關鍵詞：紅外溫度傳感器；Modbus協議；433MHz無線通訊

引言

紅外測溫是根據被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，溫度分辨率高、響應速度快、測溫范圍廣、穩定性好等特點，近年來常被應用于高精度無接觸測量，在智能家居、智能電網、汽車電子等領域都有廣泛的應用。

本文設計的傳感器具體應用場景是配電室，用于測量線纜溫度。本設計采用MLX90614BAA紅外溫度傳感器，具有非接觸，體積小、精度高，成本低等優點。傳感器采集的數據通過工業現場總線協議——Modbus協議進行傳輸，并采用433MHz無線模塊進行數據通信。無線通信方式，避免了有線通信電纜安裝的不便，選用433MHz頻段具有較遠的通信距離和穿墻能力，適用于配電室這一特定應用場景。

1 無線頻段的選取

結合傳感器的具體應用場景的實際使用需要，綜合考慮耗電量、傳輸距離、數據速率、安全性和成本等因素，本設計的無線通信頻段選用433MHz。由于配電室環境復雜，設備裝置多，數據傳輸的路徑彎曲程度大。在相同的彎曲度路徑情況下，433MHz的無線射頻衰減率為：0.577dB/m；915Mhz的無線射頻衰減率為：0.676dB/m；2.4G的無線射頻衰減率為0.761dB/m。由此可見：無線設備工作在433MHz頻段更有利于在彎曲路徑時的通信。在芯片的選型上遵循低功耗，低成本，微型化的原則，因此本文中設計的傳感器采用CC1101芯片。

2 硬件設計

無線紅外溫度傳感器的硬件設計包含電源供電電路，數據采集電路，無線數據傳輸模塊電路幾個部分。

電源供電部分主要是把3.7V電池電壓轉換為3.3V，作為各個部分的供電電源，以及5V電源給電池充電兩個部分，使用Maxim公司的MAX8881作為3.7V轉3.3V的降壓芯片，MAX1555作為5VDC電源給電池充電的芯片。

數據采集部分采用Melesix公司的MLX90614紅外溫度傳感器。此款傳感器環境溫度范圍為-40°～+125°，物理溫度范圍-70°～+380°，電源電壓3.3v。MLX90614 是由內部狀態機控制物體溫度和環境溫度的測量和計算，進行溫度后處理，并將結果通過 PWM 或是SMBus模式輸出，本設計選用SMBus模式。

433MHz無線射頻模塊采用的STM32F103RBT6作為主控芯片，CC1101作為無線射頻芯片。主控模塊通過SPI總線通信接口拖帶無線射頻通信模塊，可以實現對無線通信模塊的寄存器的讀寫，從而完成對模塊通信參數的配置，進一步控制模塊對無線數據的收發。

3 軟件設計

軟件設計部分包含溫度數據的采集、處理，無線數據收發和Modbus通信協議幾個部分。

3.1 數據采集與處理

紅外溫度傳感器采集溫度數據傳輸時序如下圖所示，START位定義為當SCL為高時，SDA線為從高到低的轉換。STOP位定義為當SCL為高時，SDA為從低到高的轉換。每個字節包括8位，在總線上傳送的每個字節必須跟隨一個確認位，和確認關聯時鐘脈沖是由主控器產生的。讀取數據是以字節為單位進行的。每次發送一個字節，然后就判斷對方是否有應答，如果有應答，就接著發送下一個字節；如果沒有應答，多次重發該字節，直到有應答，就接著發送下一個字節，如果多次重發后，仍然沒有應答，就結束。接收數據時，每次接收一個字節，然后向對方發送一個應答信號，然后就可以繼續接收下一個字節。

本文中設計的無線紅外溫度傳感器上電初始化后，等待上位機通過集中器無線模塊發送的數據采集命令，再對數據進行采集，并將采集到的數據按照Modbus協議處理后，通過無線模塊傳輸到集中器中。

3.2 Modbus通信協議

Modbus通信協議是一種工業現場通用協議，主要規定了應用層報文傳輸的格式，使得不同生產廠商的設備可以連成網絡，集中監控。Modbus協議可分為在TCP/IP上的實現與串行鏈路上的實現，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。傳感器內部實現的是Modbus-RTU協議。Modbus協議使用的是客戶機/服務器（C/S）的通信模式，主站向從站發送請求的模式有兩種：單播和廣播，本文實現的是單播的模式。

Modbus通用幀即ADU應用數據單元分為附加地址、功能碼、數據和差錯校驗4個部分，其中功能碼和數據部分為PDU協議數據單元。傳感器接收到上層rtu幀命令后，首先進行從站地址和差錯校驗碼的判斷，若不正確直接丟棄命令幀，若正確則進行rtu幀解包獲取命令并進行溫度采集，數據采集后進行rtu幀封包，最終通過無線模塊與上層設備進行數據通信。

4 測試結果

在排除433MHz頻段其他設備干擾的情況下，對無線紅外溫度傳感器進行射頻性能的測試，每次發送1000個數據包，保證丟包率為0%的情況下，有效直線傳輸距離為120米，穿透性為兩層樓。

無線紅外溫度傳感器精度的測試，在相同環境中，使用市場上購買的手持紅外溫度儀與本文中設計的傳感器進行溫度監測數據的對比，溫度值的誤差保持在±0.5°C以內。

5 結束語

本文中設計了一種使用Modbus通信協議并通過433MHz頻段無線通信的紅外溫度傳感器，介紹了頻段及射頻芯片選擇的原則，給出了傳感器的硬件及軟件設計方案。較詳盡的介紹了MLX90614紅外溫度傳感器的數據采集時序及原理，以及本設計中應用的Modbus協議。最后對傳感器設備進行了射頻測試及精度測試，測試結果表明，該傳感器具有非接觸性，高精度，通信距離遠，穿墻能力強等優勢。

參考文獻

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