傳感器智能采集傳輸控制系統的研究與設計

諶 進 ， 馬尚昌 ，2， 陸 揚 ， 帥 紅

（1.成都信息工程學院 電子工程學院，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室 四川 成都 610225）

傳感器的智能化、網絡化發展已經是智能傳感器研究的趨勢。如何實現傳統的傳感器信號更方便快捷地接入網絡，實現傳統的傳感器網絡化、智能化采集傳輸和控制是本文研究的重點。本文介紹了一種傳感器智能采集傳輸控制系統設計的方案，并按照此方案實現了對常規氣象要素信號的智能化采集、遠距離傳輸和指令控制，同時也實現了智能變送器模塊（STIM）的即插即用和自動識別，串口設備聯網模塊的以太網和串口信號（RS-232/422/485）雙向透明傳輸，并在上位機終端顯示界面實現了對傳感器采集到的信號的歷史存儲、指令控制和實時顯示[1]。

1 系統總體方案設計

系統主要由智能變送器模塊、協調器模塊、串口設備聯網模塊和上位機終端控制軟件4部分組成。如圖1所示。傳感器信號（電阻、電壓、頻率、開關等）經過智能變送器模塊（STIM）識別與處理后由Zigbee無線組網傳輸至協調器模塊，之后由協調器模塊傳遞至串口設備聯網模塊的一個串口，而后經串口設備聯網模塊內部移植uCOS-II實時嵌入式操作系統實現多任務間消息地傳遞，將串口接收到的傳感器信號傳遞給LwIP網絡協議棧，然后通過網絡協議棧與終端上位機軟件之間的編寫的通信協議，將信號經以太網、光纖或是無線方式（可擴展）傳遞到終端控制的上位機，最終在控制終端通過發送相應的指令實現對傳感器信號的采集傳輸和控制[2]。

2 系統硬件設計與原理分析

本設計的硬件系統主要分為兩個部分，即智能變送器（STIM）模塊的硬件電路以及串口設備聯網模塊的硬件電路。

2.1 STIM模塊的硬件電路設計

STIM模塊的硬件采用CC2530芯片作為MCU，結合常規氣象要素傳感器信號的高精度測量電路，實現模塊的低功耗、小體積、低成本與高性能。該模塊主要包含3個部分：MCU核心模塊、傳感器信號采集模塊以及通信模塊[3]。如圖2所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

圖2 STIM模塊硬件電路示意圖Fig.2 STIM module hardware circuit diagram

2.1.1 電源電路及CC2530最小系統電路

本系統中采用的電源均為12 V輸入，通過二級降壓，給整個系統各個模塊進行供電。第一級降壓將輸入的直流電壓降到+5 V；第二級降壓均將+5 V降為+3.3 V，分別作為模擬電源和數字電源。在測量模擬信號時，可以減少數字電源的雜波串擾到模擬電源中，進而提高測量精度。CC2530的最小系統主要包括MCU、JTAG下載電路、LED指示燈、撥碼盤及必要的外圍電路等。

2.1.2 信號調理電路

電路設計上將溫度和濕度的采集放到一起，整體作為一類傳感器。溫度輸出信號為4線制鉑電阻信號，通過恒流源驅動產生與溫度相對應的電壓，再通過16位AD對電壓進行測量；濕度信號為0到1 V的電壓信號，可直接用AD測量。風速電路待測頻率信號范圍為0到1221 Hz。雨量傳感器為翻斗雨量傳感器，輸出信號為開關量信號，可使用MCU的外部中斷進行測量。雨量信號與風速信號都通過74HC14進行脈沖整型后再送入相應的采集通道，因此采用相同的采集電路[4]。濕度和雨量信號調理電路如圖3所示。

2.2 通信電路設計

STIM模塊的通信主要支持3種方式，即RS-232、485以及ZigBee通信。在電路設計上預留ZigBee核心板接口，通過TTL轉ZigBee的方式來實現ZigBee通信[5]。MAX3223芯片可以支持兩個UART通道，并且可以通過軟件編程進入低功耗模式，在接收到數據時自動被喚醒，降低系統功耗。

圖3 濕度和翻斗雨量信號調理原理圖Fig.3 Humidity and rainfall skip signal disposal principle diagram

2.3 串口設備聯網模塊的硬件電路設計

串口設備聯網模塊主要實現與多個STIM模塊通信、其它串口設備通信以及網絡傳輸等功能，系統的核心采用ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6芯片。本系統主要包括STM32最小系統、電源電路、通信電路、下載電路等。STM32的最小系統主要包括MCU及必要的外圍電路、LED指示燈、按鍵開關、Jtag下載電路等。在MCU的電源處添加了去耦電容，以增加系統穩定性。

2.3.1 串口通信模塊電路

通過 SP339芯片實現串口接入信號 （RS232、422或是485）與 MCU信號（LVTTL電平信號）之間的相互轉換，結合MCU程序和撥碼開關，可以實現對接入信號的識別和數據的雙向傳輸。如圖4所示。

2.3.2 網絡通信模塊電路

網絡通信模塊電路設計上采用DM9000A+RJ45接口的方式，支持10/100M自適應PHY，其物理協議層接口支持5類非屏蔽雙絞線。

3 系統軟件設計與流程

3.1 STIM數據采集處理主程序設計

傳感器信號采集主要實現電阻、電壓、頻率、開關量等氣象要素傳感器常見信號的采集以及對指令的響應。如圖5所示。

3.2 串口設備聯網模塊服務器主進程設計

服務器的主進程主要負責LwIP協議棧初始化、端口號和地址的綁定、監聽特定的服務端口、創建進程響應客戶端的連接請求和關閉等任務[6]。如圖6所示。

4 系統測試結果

圖4 串口通信模塊硬件設計原理圖Fig.4 Serial port communication module hardware design principle diagram

圖5 傳感器數據采集處理主程序Fig.5 Sensor data collection and processing of the main program

圖6 服務器主進程的流程圖Fig.6 Main process flow chart of server

本系統是在研究IEEE1451協議的基礎上，根據協議標準，結合我國地面氣象觀測特點設計而成。通過分析記錄測量值與實際值的對比分析得到：風速誤差＜0.5 m/s，風向誤差＜5°，溫度＜0.2 ℃，濕度誤差＜5%（相對濕度在 80%以上），濕度誤差＜3%（相對濕度在80%以下），雨量誤差＜0.4 mm，氣壓誤差＜0.3 hPa。這表明實驗所得結果達到我國地面氣象觀測所要求的標準。

5 結束語

隨著時代的進步和科技的發展，將不同種類的傳感器信號按照統一的標準接入傳感器智能變速器模塊，實現對傳感器的自動識別和即插即用；將傳感器采集的信號連入以太網互聯網，實現對傳感器采集設備的集中管理和遠程控制；以及如何對采集數據進行穩定可靠的傳輸與存儲，進而實現傳感器采集、傳輸和控制模塊的智能化、網絡化和微型化，是傳感器發展的趨勢。本文設計了一種符合IEEE1451標準的傳感器智能采集傳輸控制系統。該系統實現了對傳感器的數據采集、數據傳輸、數據處理和遠程管理控制，具有很廣闊的應用前景。

[1]戴由旺．基于ZigBee的無線智能傳感節點設計與實現[D]．大連：大連理工大學，2008．

[2]吳方鎖．基于IEEE1451標準的網絡應用處理器NCAP研究與實現[D]．上海：華東師范大學，2009．

[3]葉湘濱，牛杰，張文娜，等．IEEE 1451.2校正引擎研究[J]．傳感器與微系統，2008（4）：20-23．YEXiang-bing，NIU Jie，ZHANGWen-na，et al.IEEE 1451.2 correction engine research[J].Transducer and Microsystem Technologies，2008（4）:20-23.

[4]邵鶴帥，等．TEDS技術在傳感器智能化中的應用研究[J]．科學技術與工程，2011（3）：609-615．SHAO Heshuai.TEDStechnology in the application of intelligent sensor research[J].Science Technology and Engineering，2011（3）:609-615.

[5]中國氣象局．地面氣象觀測規范[S]．北京：氣象出版社，2003:1-151．

[6]王瑞．串口設備無線聯網服務器的研究與設計 [D]．大連：大連理工大學，2009．