基于物聯網的無線測溫模塊設計

宋守金++吳云韜++鄭更生

摘要：溫度是在很多生產生活場合中具有重要意義的一個參數。比如高壓變電站中，由于觸頭的松動導致設備溫度升高，可能引起火災，造成大量電力設備燒毀，影響日常生產生活；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，對這些場合實行溫度的實時檢測就得尤為必要。設計了一套既適用于變電站等電磁輻射干擾強的特殊場合，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，并已在武漢工程大學附近的一處變電站進行了現場測試并已投入使用，達到了理想效果。該系統的成功開發極大方便了平時的生活生產，具有重大的現實意義。

關鍵詞：物聯網；無線測溫；MSP430；nRF905

DOIDOI：10.11907/rjdk.161742

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009011903

基金項目基金項目：湖北省自然科學基金面上項目（2014CBF791）

作者簡介作者簡介：宋守金（1981-），男，河南固始人，武漢工程大學計算機科學與工程學院碩士研究生，研究方向為嵌入式系統；吳云韜（1973-），男，湖北利川人，博士后，武漢工程大學計算機科學與工程學院教授、碩士生導師，研究方向為信號處理；鄭更生（1971-），男，湖北武漢人，博士，武漢工程大學計算機學院副教授、碩士生導師，研究方向為計算機網絡、嵌入式系統。

0引言

溫度是許多生產生活環境中具有重大意義的一個參數，這些場合中溫度的高低狀況都會影響生產的質量和產量以及設備的正常運行，所以要保證這些場合中生產生活的正常運行，就必須對這些場合中的溫度進行實時檢測。但過去人們采用的傳統測溫方法，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度大、效率低及準確性差等諸多不足，因此研發出一套無線溫度數據采集系統意義重大。比如在儲存一些容易變質的農產品時，需要將溫度控制在適宜范圍中以防止其腐爛變質[1]。再者，隨著近年來經濟及社會的發展，日常生產生活對電能的需求量日益增大，電能就逐漸成為現代社會中最重要的能源之一，也是國民經濟的命脈，對人們生產生活及國民經濟起著至關重要的作用。因此，確保電力系統安全可靠地運行是電力管理部門的首要任務。變電站中設備運行狀態的好壞是影響變電站的安全運行及整個電力系統穩定的一個重要指標，根據歷史上發生電力系統故障的數據統計，發現大部分故障發生前期及正在發生時都會伴隨著設備溫度的升高，這種溫度的升高會傳導到設備的外殼上，而且發生這些故障時通常很難人為發現，故可以通過測溫的方法來檢測電氣設備的運行狀態，以避免電網事故的發生及設備損壞[24]，但是過去人們常用的測溫方法不僅不能及時地發現故障，而且還容易發生漏報情況，并且這些傳統方法不容易實現對密封狀態下的設備或處于障礙物下的設備進行測溫，再者磁場輻射對長期處在強磁場環境下的監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來替代之前采用的那些傳統方法。近年來，物聯網[57]技術的誕生及飛速發展為無線測溫系統的實現提供了可能。

物聯網這個概念是美國在1999年提出，當時稱為傳感網，其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。

本文基于物聯網技術研發出了一種可以既適用于蔬菜大棚等農業場所又適用于變電站等工業場所的無線測溫系統。該系統以低功耗微處理器MSP430、溫度傳感器DS18B20和無線射頻芯片nRF905為核心部件，聯合電源模塊組成溫度采集通信模塊，設計了一種超低功耗無線通信協議。該系統具有便于攜帶、安裝方便、準確度高、抗干擾能力強等特點，有效地解決了傳統測溫方式存在的布線復雜、效率低、成本高、維修難等問題，具有重大的工程意義。

1系統總體設計

整個系統由數據采集端和數據接收端兩部分組成[8]，其中數據采集端由MSP430、DS18B20及無線模塊組成，數字信號通過傳感器轉換后被發送到無線模塊，再經過調制后發出；數據接收端由MSP430、主機及無線模塊組成。接收端接收到采集端發來的數據后，按照通信協議解調，還原其中的有效信息和數據后再通過串口發送給計算機，最后由電腦對數據進行處理分析。系統總體結構框架如圖1所示。

按照物聯網技術的概念，又可將此系統分為3層，即感知層、網絡層和應用層[9]。其中，感知層以傳感器為主體，網絡層以接收設備與傳輸設備為主體，應用層以監控后臺與用戶終端為主體。

2系統具體設計方案

根據系統方案，設計了硬件電路，該系統硬件結構如圖2所示。

該系統主要由數據采集端和數據接收端兩部分組成，兩者之間的溫度數據信息傳遞通過無線信道實現。其中信息發送端由單只nRF905無線收發模塊與多只溫度傳感器DS18B20組成，信息接收端由單只nRF905無線收發模塊與SPI口相連，再聯合計算機構成。

2.1感知層設計方案

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

2.1.1單片機MSP430

MSP430[1011]單片機是TI公司的一個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、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富、方便高效的開發環境等特點。另外，MSP430單片機具有5種低功耗模式，可以通過控制片內時鐘，使其進入不同的低功耗模式，以適應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、精度高等特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝后可應用于多種場合。工作電壓為3.0～5.5V，溫度轉換時的延時時間為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器，有如下特點：輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，非常適合于低功耗、低成本的系統設計。

2.1.4感知層相關程序流程

MSP430單片機負責對DS18B20進行溫度采集初始化脈沖方面的工作。主機操作DS18B20按照初始化操作、ROM操作、內存操作、數據處理4個步驟進行，其中溫度采集部分流程如圖3所示。

2.2網絡層設計方案

2.2.1網絡層相關協議設計

通信協議的好壞是影響物聯網無線傳感器網絡性能的一個重要參數，設計一個合適的通信協議對網絡的可靠性、節能性、健壯性都起到很大作用。針對本系統的實際需求，采用星型網絡拓撲結構，該結構簡單、穩定性高、效率高、實現簡單，能滿足系統的基本要求。

2.2.2網絡層相關硬件設計

網絡層的相關硬件主要由數據服務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。

當無線通信模塊將無線傳感器DS18B20的溫度數據接收進來后，由主控芯片MSP430對其進行包裝，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度比較小的場合。為了使本系統同時也適用于輻射干擾強度大的場合，比如變電站等場所，本系統采用了屏蔽技術。屏蔽技術就是在普通非屏蔽布線系統的外面加上金屬屏蔽層，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應實現防止電磁干擾及電磁輻射功能的技術。屏蔽技術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。本系統采用了導電導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，使電磁場從屏蔽體的一面傳到另一面時有了很大的衰減，所以本測溫模塊在變電站等電磁強度大的場合下使用時，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磁場場合下正常工作。

無線溫度接收儀主要負責對數據的接收與轉發功能，而數據服務器接收來自無線溫度接收儀轉發過來的溫度數據，然后將這些數據按照需求存儲起來，以備用戶的調用及訪問。其程序流程如圖4所示。

2.3應用層設計方案

應用層是一個后臺軟件，設計時既要遵循功能操作實用、界面友好、版面美觀的原則，還應該實現系統設備的建檔和配置工作、實時召喚及數據顯示、歷史數據查詢及顯示、溫度超限報警及多方式提醒、無線溫度傳感器定位、能通過公共網絡進行訪問等功能。

3結語

本文提出的基于物聯網的無線溫度檢測模塊可以實現遠程無線溫度測量及數據傳輸，通過恰當的硬件電路設計及合理的軟件編程設計使溫度數據得以安全可靠地傳輸和遠程監控，保證了蔬菜大棚、變電站等工農業生產生活環境中各設備的安全生產與運行。本系統在日常的生產生活中有著良好的應用前景，具有重大的現實意義。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）