一個基于CC1310的無線測溫系統的設計與實現

竺懌晨 楊翱翔 袁懷杰 王飛 孫玉昕

的重要一環，傳統的測溫系統存在測量周期長、安裝復雜、不易管理維護等問題。對此，設計并實現了一個基于CC1310射頻芯片的無線測溫系統。采用 CC1310平臺搭建了無線傳感器測溫節點和匯聚節點，測溫節點獲得數據后發送至匯聚節點，其通過串口連接至計算機查看數據。在硬件方面，傳感器節點采用模塊化設計，并使用周期性睡眠偵聽的工作方式來降低能量消耗，延長使用壽命。

關鍵詞：CC1310;傳感器;溫度測量;無線傳輸;傳感器網絡

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0099-03

1 引言

在我國自動化技術不斷發展的進程中，我國電力系統是發展較快的一個領域。電力系統的自動化，人工電力系統管理工作容錯率較低，采用無線傳感裝置，相較于過去的監控管理裝置而言具有較多的優點，其中較為明顯的優點便是減少了線路的復雜性。在電力系統中，特別是高壓輸電線，如果線路較為復雜，在進行管理維護的過程中，會增加工作難度，而且具有較高的風險。相較于傳統的感應裝置，無線傳感裝置受損的可能性較小，而且傳輸數據也更加具有精確性。

社會電氣設備的正常運行是人民正常生活的保障，設備的可靠性至關重要。眾多企業提倡對設備進行預防性維護，而溫度是預防性維護中最重要的監控參數，溫度的過高或過低均意味著故障產生的可能性。實現溫度在線監測是保證高壓設備安全運行的重要手段[1]。

同時無線傳感器自身電壓值的穩定也是十分重要的，自身電壓過高或過低，都會導致傳感器測量的不確定性，影響結果的正確性[2]。

基于此現狀本文實現了一種無線溫度檢測系統，用于實時測量高壓帶電物體表面或接點處的溫度，如高壓開關柜內的裸露觸點、母線連接處、戶外刀閘及變壓器等的運行溫度[3]，同時也能實時檢測傳感器自身的供電電壓值。其中傳感器模塊是由溫度傳感器、信號調制放大電路、邏輯控制電路、無線調制接口等組成。傳感器將采集到的溫度信號通過無線方式發送到管理終端。管理終端進行數據分析以掌握設備情況。

2 系統架構

無線測溫系統的本質就是傳感器檢測電纜溫度并周期性傳送檢測數據，并提供高溫預警功能。系統主要由以下三個模塊構成：信息采集傳輸模塊、信息接收處理模塊、數據顯示模塊。

其中信息采集傳輸模塊是一個個獨立的部件，也就是節點，需將其放置在合適的位置，比如綁在電纜上。其包含溫度傳感器、控制單元、射頻單元、電源，負責收集電纜溫度信息，信息在經過A/D轉換等數據處理后通過無線射頻方式發送。

信息接收處理模塊就是一個匯聚節點，負責接收其網絡下所屬節點所發送的信息，在進行數據融合后通過串口將信息傳輸至主機。考慮到長距離的無線信息傳輸和低功耗的要求，在此采用CC1310作為核心芯片，使用長距離低速率模式，通信距離可達20 km[4]。其433MHz的低頻通信穿透力強，功耗低，雖然速率較低，但是系統傳輸的數據較少，恰好符合本系統要求。

數據顯示模塊負責將信號強弱、電纜溫度、節點剩余電量等信息顯示在屏幕上。

基于CC1310的無線傳感系統架構如圖1所示。

系統主要工作流程如下：在系統啟動后各個節點加入網絡，形成一個連通的網絡拓撲。節點收集信息，在經過ADC后通過射頻方式將信息傳輸至匯聚節點，匯聚節點在進行數據處理后將數據通過串口傳送至主機，主機通過安裝相應驅動即可對數據進行譯碼從而顯示在屏幕上。

3 硬件設計

經過系統架構的分析，進一步簡化系統，本系統硬件部分主要由無線溫度傳感器和外嵌接收模塊兩部分組成，另設數據顯示模塊方面調試和使用。結構原理圖如圖2所示。

如上圖所示，首先由無線溫度傳感器實時獲取被測部位的當前溫度和傳感器自身的供電電壓值，并將所檢測到的數據全部通過無線網絡發送到外嵌接收模塊。然后由外嵌接收模塊的傳感器控制模塊接收數據，并通過串口通信將數據實時地顯示在電腦上。

3.1 無線溫度傳感器

本系統使用的溫度傳感器有三種。

有源式無線溫度傳感器，通過USB接口供電。其溫度測量范圍為-25～+125℃，測量精度為±1℃，溫度采樣頻率為5分鐘（默認），無線頻率為2.4GHz/433MHz，無線傳輸距離為≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），電池使用壽命為8年。

無源式無線溫度傳感。其傳感器結構分為：硅膠表帶（模塊主體）、取電合金片（用于感應取電）、傳感器溫度探頭（貼緊被測溫部位，檢測測溫部位溫度）。其溫度測量范圍為-25～+125℃，測量精度為±1℃，溫度采樣頻率為10秒（默認），無線頻率為2.4GHz/433MHz，無線傳輸距離為≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），工作電源為感應取電，啟動電流須>8A。

表帶式微型無源無線溫度傳感器。其傳感器結構分為：硅膠表帶（模塊主體）、后蓋片（感應溫度）、取電合金片（用于感應取電）。其溫度測量范圍為-25～+125℃，測量精度為±1℃，溫度采樣頻率為20秒（默認），無線頻率為2.4G/433MHz，無線傳輸距離為≤10米（2.4GHz）/≤200米（433MHz），工作電源為感應取電，啟動電流須>5A。

3.2 外嵌接收模塊

外嵌接收模塊采用的是德州儀器公司生產的 CC1310器件。該器件包括主CPU，射頻核心，傳感控制器和通用外圍組件。其結構框圖如圖3所示。

其中主CPU是搭載性能強大的ARM?Cortex?-M3處理器，超低功耗射頻收發器搭載ARM?Cortex?-M0處理器，具有出色的接收器靈敏度。另外，該器件的傳感控制器（SC）是CC1310獨有的一個部分， SC可通過單獨編程利用傳感閾值數據喚醒主控制器進行工作，非常適合低功耗傳感系統的應用[5]。

根據德州儀器公司官方給出的 433MHz下的CC1310芯片射頻收發線路推薦匹配電路進行設計，結果如圖4所示。

3.3 數據顯示模塊

數據顯示模塊主要采用了CH340E芯片，它是一個支持USB2.0協議的USB轉UART串口芯片，內置時鐘晶振，外圍電路簡單，相比于同型號的其他封裝類型更省體積。為使電腦能識別該芯片傳輸的數據，電腦需安裝CH340驅動。配合使用相應軟件即可顯示溫度傳感器收集的數據。該部分電路圖如圖5所示。

3.4 電源模塊

電源模塊負責溫度傳感器和外嵌接收模塊的供電，溫度傳感器和外嵌接收模塊是兩個獨立器件，其中數據顯示模塊內嵌在外嵌接收模塊中。

在日常生活中，常見的低壓供電方式大多為5V，而在本次設計中芯片工作電壓大都在5V以下。如CH340E工作電壓為3.3V/5V，CC1310工作電壓為1.8 至 3.8V。對此需使用低壓降穩壓器，提供穩定的直流電壓電源，在此選擇了德州儀器的TPS73663超低壓降穩壓器，其具有反向電流保護功能和使能功能、精度高、穩定性好、安全性強、功耗低（關機模式電流低于1 μA）。降壓電路如圖6所示。

4 軟件設計

本系統的軟件主要包括數據收集模塊，數據處理模塊和射頻處理模塊等。如圖7所示，軟件基于TI-RTOS操作系統實現。TI-RTOS是一種旨在為實時應用程序過程數據提供服務的操作系統，通常沒有緩沖延遲[6]。

本系統的主要流程如圖8所示，分為電壓檢測，溫度檢測和射頻任務三個部分。

如上圖所示，首先系統初始化，然后執行電壓檢測、溫度檢測和射頻任務。只有當供電電壓符合要求時才會進行溫度檢測，否則睡眠進行等待;當進行溫度檢測時，電腦上會實時顯示數據，然后由CC1310的傳感器控制模塊進行溫度檢測，低于報警溫度時，繼續溫度檢測，否則觸發射頻任務;當進行射頻任務時，會首先喚醒主CPU，并將RF Core初始化，然后主CPU向RF Core發送命令，RF Core處理完數據后將其返回給主CPU，然后觸發報警系統，完成報警后便關閉RF Core，繼續進行溫度檢測，以達到低功耗的目的。

5 實現結果

最終成品如圖9所示，左側為外嵌接收模塊，右側為傳感器及射頻電路。

本系統的運行結果如圖10所示。

收到5個字節，其中第1，2 個字節為傳感器地址，第3，4個字節為溫度數據 ，第5字節為無線信號強度RSSI，例如其中接收到的數據為FA 57 20 10 DF，則FA 57 為傳感器地址，0x2010 為溫度，十進制表示為8208，每攝氏度的刻度為256，所以用十進制的攝氏度表示為8208/256 =32.0625°C，信號強度為DF，為有符號數，換算成10進制就是-33，含義為接收射頻信號強度-33dbm。

6 結束語

本文研究了一種基于CC1310的無線測溫系統，論述了溫度測量及無線傳輸的軟硬件方案設計。硬件部分包括溫度傳感器，接收模塊和顯示模塊;軟件部分包括數據的收集處理和芯片上的運行邏輯。搭建了測試系統，結果表明系統能夠采集到溫度信息，并有著1℃的精確度和較低的傳輸時延。本系統還具有一定的擴展能力，最大能夠支持255節點的無線傳感網絡。該系統的各項技術指標均達到了相關的設計要求，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1] 覃浩.無線式溫度在線監測預警系統在電力系統中的應用[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2] 李永成，凌青，石春，等.無線傳感器網絡節點的電壓監測[J].傳感器與微系統，2012，31（6）：140-142.

[3] 薛鵬.電力系統熱故障無線監測技術的應用[J].中國設備工程，2009（11）：20-21.

[4] 王棟，王虎，姜遷里.基于6LoWPAN的低功耗長距離海洋環境監測系統[J].計算機科學，2020，47（S1）：596-598，615.

[5] 倪揚揚.基于CC1310的感應供電式電纜無線測溫系統設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2021.

[6] 胡楓林，姚駿.低功耗無線溫室環境監測儀的研究[J].工業控制計算機，2019，32（3）：83-84，87.

【通聯編輯：梁書】