一種無線測溫系統的設計與實現

池東亮 李龍龍 束鵬飛 熊樹海

（科大智能電氣技術有限公司，合肥 230088）

0 引言

隨著我國經濟快速發展和科技水平不斷提高，電力設備種類越來越豐富，尤其是高精度設備越來越多，這些設備對溫度要求非常高，不同的溫度對設備影響很大[1-4]，如變壓器觸頭，其溫度反映了用電負荷情況，如果在高負荷情況下觸頭溫度會升高，溫度升高會影響變壓器性能，甚至出現故障，最后導致停電并造成經濟損失[5]。

傳統人為抄讀溫度儀表盤的方式已不能滿足當前測溫需求。演變出來的有線式連接主機進行測溫的方式對布線規劃、施工等要求較高。無線測溫發送方式對主站硬件要求過高且不靈活。巡檢機器人圖像識別儀表盤或者紅外相機判斷被測物體溫度的方法對被測物要求過高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀察被測物[6-7]。在新智能環境下，迫切需要一種簡便有效且對主機系統通用的無線測溫方式。

1 系統整體方案設計

本文所提無線測溫系統包括主溫度匯集單元和若干個從溫度感知單元。系統使用一主多從的方式，可實現同時對多個被測設備進行實時溫度測量，從溫度感知單元與被測物體接觸來測量被測物體的溫度，從溫度感知單元經無線通信方式將采集到的溫度數據發送至主溫度匯集單元，主溫度匯集單元與主機連接將匯集的溫度信息發送至主機。無線測溫系統整體設計如圖1所示。

圖1 無線測溫系統整體設計

2 硬件設計

2.1 硬件整體設計

硬件系統包括兩個部分，即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。

從溫度感知單元包括溫度傳感器、溫度檢測電路、微控制單元（micro control unit, MCU）、電源管理電路、鋰電池、鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、射頻（radio frequency, RF）無線傳輸模塊和RF天線。從溫度感知單元硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 從溫度感知單元硬件設計框圖

溫度傳感器安裝在被測物體上，溫度傳感器經溫度檢測電路與MCU連接，看門狗電路與MCU輸出端連接，鋰電池經鋰電池電壓測量電路與MCU的輸入端連接，MCU的輸出端經RF無線傳輸模塊及RF天線與主溫度匯集單元通信。鋰電池輸出端與電源管理電路連接，電源管理電路分別與溫度檢測電路、看門狗電路、鋰電池電壓測量電路、MCU和RF無線傳輸模塊連接為其供電。

主溫度匯集單元包括通用串行總線（universal series bus, USB）接口、USB轉串口、MCU、看門狗電路、電源管理電路、RF無線傳輸模塊和RF天線。主溫度匯集單元硬件設計框圖如圖3所示。

圖3 主溫度匯集單元硬件設計框圖

RF無線傳輸模塊與RF天線連接，RF無線傳輸模塊與MCU連接，MCU經USB轉串口及USB接口與主機進行通信，MCU輸出與看門狗電路連接。 USB接口與電源管理電路輸入端連接，電源管理電路輸出端與MCU、看門狗電路、RF無線傳輸模塊及USB轉串口連接并為其供電。

主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類配置更加靈活，使用更加開放，可與包括計算機、手機、融合終端、巡檢機器人等擁有USB接口的主機進行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無需外接電源，降低了使用難度。

2.2 主控芯片選型

從溫度感知單元采用鋰電池供電，為了延長電池的使用時間及減少從溫度感知單元的維護工作，從溫度感知單元采用超低功耗MCU。MCU為STM8L系列的STM8L052R8[8-9]，該芯片在運行模式下，功耗低至200μA/MHz；提供五種低功耗模式，在低功耗等待模式下，功耗僅為3μA；內置64KB Flash，256B帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read only memory, EEPROM）、實時時鐘芯片（real time clock, RTC）、液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、串行外設接口（serial peripheral interface, SPI）等資源。從溫度感知單元采用此超低功耗MCU，可以實現電池使用五年免維護。

主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8，該芯片采用32位Cortext-M3內核架構，工作頻率可以達到24MHz，內置128KB Flash，8KB靜態隨機存取存儲器（static random access memory, SRAM）、模擬數字轉換器（analog to digital converter, ADC）、數字模擬轉換器（digital to analog converter, DAC）、12 timers計時器等資源[10-11]。

2.3 無線傳輸模塊選型

無線傳輸模塊采用的型號是SX1212，SX1212是SEMTECH推出的一款超低功耗集成的單芯片無線收發芯片，頻率范圍從300MHz到510MHz。本設計采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式電流僅有3mA。

2.4 溫度檢測電路設計

從溫度感知單元溫度檢測電路如圖4所示，包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開關電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過高低電平來控制MOS管開關電路3。由10kΩ 電阻R15、330Ω 電阻R16與負溫度系數（negative temperature coefficient, NTC）熱敏電阻R17組成分壓電路。根據熱敏電阻R17外界溫度不同自身阻值不同的特性和歐姆定理將溫度的變化轉化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據功率放大器特性組成電壓跟隨電路，TEMP_AD處電壓反映熱敏電阻R17電壓。TEMP_AD連接MCU的模擬數字轉換器（ADC）引腳，通過數模轉換，經計算可得到電壓值，根據電壓和溫度之間關系算出溫度值。MCU芯片退出睡眠模式，分別改變TEMP_ PWR和TEMPH_PWR電平導通MOS管開關電路3，根據分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過TEMP_AD讀取 熱敏電阻R17兩端電壓，算出當前溫度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同測溫精度和范圍，TEMP_ PWR溫度分辨率為0.5℃，溫度測量范圍為-40～170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃，溫度測量范圍為-20～125℃。

圖4 溫度檢測電路

2.5 看門狗電路設計

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門狗電路如圖5所示，看門狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳，RESET連接MCU的RESET引腳（復位引腳），MCU定時給WDI一個脈沖信號，看門狗芯片獲取信號，不對RESET引腳輸出脈沖信號，即不對MCU進行復位。如果MCU故障無法進行操作，當時間超過1 600ms時，看門狗芯片會輸出脈沖信號，對MCU進行復位以解除故障。

圖5 看門狗電路

2.6 電源管理電路設計

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的電源管理電路如圖6所示，電源管理電路包括3.3V低壓差線 性穩壓器和2.5V基準穩壓電路。電源管理電路3.3V低壓差線性穩壓器將電池電壓穩定在3.3V供鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、溫度測量電路、RF無線傳輸模塊、低功耗MCU使用。2.5V基準穩壓電路供溫度測量電路和電池電壓測量電路作電壓分壓電源使用，并將基準電壓輸入MCU基準電壓輸入口，以提供準確的ADC基準電壓。電源管理電路3.3V低壓差線性穩壓器將USB接口提供的電壓轉化成穩定的3.3V電壓，供USB轉串口電路、看門狗電路、RF無線傳輸電路、MCU使用。

圖6 電源管理電路

3 軟件設計

系統測試溫度的方式包括空中匹配和主動上報兩種模式。

3.1 空中匹配模式

空中匹配模式程序流程如圖7所示。

圖7 空中匹配模式程序流程

在從溫度感知單元中，MCU對看門狗電路進行操作。溫度檢測電路將溫度傳感器所采集的被測物體的溫度值保存在MCU中，鋰電池電壓測量電路測量鋰電池的電壓并將電壓保存至MCU中。MCU將RF無線傳輸模塊設置為接收模式，接收主溫度匯集單元發送的讀取信息指令，根據讀取指令將鋰電池的電壓值和被測物體的溫度值數據發送至主溫度匯集單元，發送完畢后進入睡眠狀態。從溫度感知單元在睡眠狀態無法接收主溫度匯集單元的指令，直到其睡眠周期超時后才能接收和回復，睡眠周期在1～65 535s之間可設。主溫度匯集單元將被測物體溫度值和鋰電池電壓存儲在MCU的Modbus表中以供主機通過USB接口使用Modbus規約讀取。

此模式適合移動物體抄讀溫度數據，如安裝主溫度匯集單元的巡檢機器人、安裝主溫度匯集單元的手機、人為巡檢等。

3.2 主動上報模式

主動上報模式程序流程如圖8所示。

圖8 主動上報模式程序流程

從溫度感知單元進入睡眠超低功耗狀態，睡眠周期到達后，模塊轉為工作狀態：①進行看門狗喂狗操作；②溫度傳感器測量溫度；③進行電池電壓檢測；④模塊發送采集的被測物體溫度信息和鋰電池電量信息。若發送完畢后接收到主溫度匯集單元應答，模塊進入低功耗睡眠模式。若未收到應答，模塊繼續發送直至超過重發次數，模塊進入低功耗睡眠模式。

此模式適合固定在從模塊附近不移動主機，如安裝主溫度匯集單元的融合終端、安裝主溫度匯集單元的臺式計算機等。

從溫度感知單元與主溫度匯集單元之間采用主動上報和空中匹配兩種工作方式進行交互，使用靈活，可以有效降低產品的功耗。主機根據獲取的鋰電池的電壓信息，可判斷當前從溫度感知單元的電量使用情況，現場運維人員根據從溫度感知單元電量情況進行維護，如電量低時更換電池或者更換 設備。

4 產品外形結構設計

4.1 從溫度感知單元結構

從溫度感知單元外形設計為表帶形狀，方便現場固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線引出，在安裝時可與被測物體測溫點貼合更緊密，測試溫度更加準確。從溫度感知單元共有三種顏色樣式，分別為黃、綠、紅三色，三種顏色搭配安裝，更容易區分且不易出錯。從溫度感知單元實物如圖9所示。

圖9 從溫度感知單元實物

4.2 主溫度匯集單元結構

主溫度匯集單元外形為方形盒狀結構，天線和USB連接線通過連接器引出，在外部面板上有設備工作狀態的指示燈。主溫度匯集單元實物如圖10 所示。

圖10 主溫度匯集單元實物

5 結論

本文所提無線測溫系統中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現場安裝方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被測物體溫度信息和鋰電池電量信息，使電池可使用時間更長；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動上報兩種模式，保證主溫度匯 集單元與從溫度感知單元之間通信的穩定性，且兩種工作模式可根據使用要求進行選擇，保證低功耗運行情況下設備的穩定性。