基于无线技术远程温度监测系统的设计

李建文，郑　义，王　跃，李峻翔，赵　玲

(1．天津理工大学自动化学院，天津　300191；2．中国人民解放军军事交通学院汽车工程系，天津　300161)

0　引言

在现代工业生产中，温度检测具有非常重要的意义，通过温度可以判定设备的运行状态，并针对具体的状况及时采取相应的处理措施，避免不必要的损失，但是传统的温度测量方式具有不可避免的缺点：例如监测点不易到达、温度极高不便于靠近等。因此提出了一种温度监测系统设计方案，能够有效解决传统温度测量所存在的问题，并且系统具有成本低，质量轻，工作稳定可靠，便于携带和安装等优点。试验中将该系统应用于发动机台架温度测试，证明该系统能够很好地对温度进行实时监控，有效地解决了台架间的环境温度恶劣，不适于人为进行检测的弊端，保障了发动机的可靠运行。

1　系统的组成

系统由2部分组成：下位机模块和上位机模块。下位机模块由前端检测模块和数据接收指示模块组成，上位机模块负责温度数据的图形化显示和温度数据的数据库存储。

下位机模块采用MSP430AFE253单片机作为系统的核心模块，MSP430AFE253单片机具有24位高精度的A/D采集模块，可用于采集电压信号(和温度对应)，并通过UART和无线模块通信，完成数据的无线发送和接收。Pt200放置于温度场中检测温度变化，前端检测模块每隔一段时间进行一次数据的采集和发送，接收模块完成对数据的接收显示，并判断是否超限，如果超限则驱动蜂鸣器报警。上位机模块接收之后对数值进行图形化的显示，同时将数值存入数据库。系统下位机设计原理如图1所示。

图1　下位机设计原理图

2　系统硬件电路的设计

2．1主控模块的设计

由于测温点位于温度场，因此一般无法提供常用的电源，只能由电池提供电源，所以要实现长期工作，对于单片机的选型应以低功耗为主。此处选用MSP430系列单片机，它具有业界最低功耗，共有6个工作模式：活动模式AM，5种低功耗模式，其中，低功耗模式LMP0～LMP4的功耗依次降低。

另外，MSP430系列单片机为16位单片机，具有强大的处理能力，且系统工作稳定，应用比较成熟，具有方便高效的IAR开发环境，选用MSP430系列单片机的MSP430AFE253作为系统的MCU，MSP430AFE253带有24位高精度A/D采集，并带有UART和SPI标准传输接口，为数据采集的准确性、数据传输的可靠性提供了可靠的硬件资源。

2．2温度采集模块

温度传感器是系统的前端检测模块，选用Pt200温度传感器，它可以测量-200～1 150 ℃的温度。另外，它采用了高温陶瓷工艺融合一体的设计。具有良好的温度线性曲线：

R(T)=R1+R0[1+AT+BT+C(T-100 ℃)T3](-200～0 ℃)

(1)

R(T)=R1+R0[1+AT+BT2](0～1 150 ℃)

(2)

式中：R1为导线以及其他不可以忽视的电阻总和，约1．1 Ω；A、B、C为温度系数为常数。

温度采集时，需要根据所检测温度的大致范围和电压VCC确定电阻R0的值，以使输出电压U0满足A/D采集的量程范围，保证温度采集的准确性，温度采集电路的设计如图2所示。

图2　温度采样电路设计

2．3无线传输模块设计

无线模块分为2个部分：发射模块和接收模块，由于发射模块和Pt200一起位于温度场侦测点，同样由电池提供电源，对于无线模块的选择也应以低功耗、高精度为主。在此无线传输模块采用SRWF-1021-50无线模块，该模块能够实现微功率发射，并且具有高抗干扰能力和低误码率。

3　硬件设计原理图

3．1数据采集模块

数据采集模块由单片机、Pt200温度传感器和SWRF-1021无线模块组成。MCU采用SD24的A0．0通道采集PT200的电压值U(t)，通过UART端口和SWRF-1021无线模块进行通讯，即分别将P1．3、P1．4端口复用为RXD、TXD，另外需特别注意无线模块需要和MCU共地才能通信。

图3　数据采集模块原理图

3．2数据接收显示模块

数据接收模块如图4所示，由单片机、SWRF-1021无线模块和LED显示模块组成。LED显示定义为：P2．0为正负号，P1．7为百位，P1．6为十位，P1．5为个位。由于温度变化频率很低，因此温度采集周期不需要太长，这样就有足够的时间采用LED闪烁指示温度，同时在数据显示过程中，需要关闭接收中断，并且闪烁完成后等待2～3 s，保证指示数值的真实性和可靠性。

图4　数据接收显示模块原理图

4　软件设计原理图

4．1数据采集发送流程图

数据采集发送流程如图5所示。

图5　数据采集发送流程图

由于温度采集模块由电池提供电源，因此需要长期持续的工作就需要考虑低功耗的问题，在软件设计中，MSP430F253完成数据的中断采集和发送以后立刻进入低功耗模式，等待下一次的中断到来。另外，为了避免发送数据的混淆，在发送之前先发送一个开始字符，发送完成再发送一个结束字符，之后发送一个整体的数据长度值，由于SD24采集为24位精度采集，所以发送数据的长度值为5。

4．2数据接收指示流程图

图6为数据接收显示流程图。接收模块依照接收数据的长度、帧头和帧尾来判定接收数据的正确性，SD24接收到的值为SD24的采集值，需要根据式(2)(当温度为零下时选用式(1))换算成对应的温度值。之后判定温度值是否超限，并进行相应的显示。

图6　数据接收显示流程图

5　上位机软件功能设计

上位机与接收模块间通过串口通信，数据通过数据库Sql Server 2008进行存储。上位机软件采用Visual Studio 2010编程，完成对接收数据的显示、存储和处理功能。其界面如图7所示。

首先，要对串口波特率、数据位、停止位、校验位进行设置，打开串口后，可以从接收模块中接收数据。上位机软件将接收的数据存储到数据库中，并显示在右侧的曲线图上。用户还可以设置报警温度，当前温度超过报警温度时，系统发出报警声，报警灯变红。

6　结束语

介绍了基于无线传输技术的远程温度场监测系统设计，并对硬件模块和软件构架进行了简单分析。试验证明：采用无线传输方式，有效地解决了远距离测量、高温环境测量和无法长期测量等问题。该系统具有成本低，体积小，质量轻，便于携带和安装等优点，如果采用组网的方式搭建网络区域，更有监测区域温度场温度分布的功能，在安全生产，工业制造等方面都有极大的作用。

图7　远程温度监测系统上位机软件

参考文献：

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