一种低功耗温度检测系统设计

庄凯淋+覃馨+孙晓书+李书艳

摘 要：本文提出了一种基于超低功耗处理器MSP430的温度监测系统实现方案。传统人工记录和巡检方式对于温度数据的采集较为不便，而通过本系统可以实现自动温度记录和采集工作，对产品及周边部件影响较小，在低功耗传感器的配合下，可以完成较高精确度的温度数据采集与维护，通过集中控制网关将数据上传，便于系统和用户查询。

关键词：超低功耗；MSP430；单片机；传感器

一、引言

温湿度数据采集在现代化工业领域有着非常重要的作用，在一些行业产品的生产和储运过程中，对温湿度都有着严格要求，产品的存储要求较为严格，最佳储存温度应该保持恒定于±3℃左右，如果不能保持恒温或温度变化大，一旦超出规定范围，将会对产品造成重大影响。

传统的温湿度数据采集主要通过人工抄录方式来完成，由于人工巡检过程只能记录整个产品附近温度，无法便捷地获取每个独立物品温度，而且人工获取和记录每个酒瓶温度并将其转换为数字数据过程所耗费时间、资源和工作量过于巨大，在恶劣环境下或储运过程中难以实现人工抄录，这些都无法形成有效的独立产品的温度数据查询。针对上述不足，需探索一种可快速、便捷地使用，并可重复使用的低功耗、长时效监测装置和方法。

二、系统整体设计方案

根据待解决问题，笔者将温度监测过程中所涉及的技术原理过程分为以下内容：

（1）传感器数据采集：当前温度数据；

（2）采集到的温度数据与当前采集时间数据的存储。

系统的硬件架构设计基于待解决的问题。总体设计如图1所示。

它包括超低功耗温度传感器、超低功耗采集器MCU、长寿命铁电存储单元和用户PC端软件（或集中管理网关）。超低功耗温度传感器根据设定的温度采集时间受控检测到当前实时温度数据后，由采集器MCU根据内建数学模型进行判斷和计算，将计算的结果通过内建存储模型存储于长寿命铁电存储单元，以便用户通过PC端软件（或集中管理网关）查询和管理使用；用户PC端软件（或集中管理网关）根据用户指令向所连接的采集设备MCU发送数据获取指令，采集器MCU根据指令数据进行判断，当确认所发送指令格式及验证信息正确的情况下，将所存储的温度数据通过通信接口上传至用户PC端软件（或集中管理网关），用户PC端软件（或集中管理网关）将所获取的所有数据上传至指定的云存储平台。

低功耗温度检测系统提供了便捷的通信连接方式，可以灵活地按需配置常见的有线和无线连接方式，实现了RS232、RS485及短距离CC1101无线通信模块接口单元等多种形式的接口模块，提高了设备小型化和便携性能力，并降低了设备功耗，不对其他设备产生干扰。

三、硬件设计方案

低功耗温度检测系统能够按用户设定的采集时间自动监测并记录温度信息，实现监测的数字化、现代化、智能化，温度数据相对较为容易采集，经过温度传感器采集到的温度数据通过I2C总线将数据传送至监测点MCU，由MCU将数字数据转换为温度信息并按内建格式进行存储，以备查询。低功耗温度检测系统硬件原理框图如图2所示。

根据上述功能性设计，部分主要功能分解为四个主要的电路模块，整体电路图如图3所示。

1.温度数据采集电路

温度数据采集电路完成温度数据的定时采集。传感器的选择考虑实际的现场工况及超低功耗要求，选择具有较好的抗干扰性和超低功耗的I2C制式输出的超小型数字温度传感器，在一定范围内不受负载大小影响，抗干扰能力强，其静态电流10μA有效（最大值），1μA关断（最大值），12位数据分辨率，可达0.0625℃的精确度，具有1.4～3.6V超宽的工作电压范围。

2.数据处理与判断模块电路

微处理器采用德州仪器公司的超低功耗单片机MSP430G2553，其架构设计使其独有5种低功耗模式相结合，为便携式测量延长电池使用寿命提供了保证，其待机模式耗电仅为0.5μA，具有1.8～3.6V超宽的工作电压范围，可在不到1μs的时间里超快速地从待机模式被唤醒。

3.存储电路

为保证系统的高度可靠性和低温状态的良好运行，低功耗温度检测系统选用最新型铁电存储器（FRAM）存储温度数据和温度数据采集时间，该种存储器具有150年以上数据存储能力，具备100万亿以上次数的读写操作能力，待机模式耗电量为5μA，具有2.0～3.6V超宽的工作电压范围，可有效完成采集数据的存储。

4.数据传输通道

考虑到低功耗温度检测系统的兼容性和整机的功耗，采用串行数据收发系统完成上位机指令数据的下发和下位机采集数据的上传。

四、软件设计方案

本系统代码设计是在Windows 7 ultimate版本下，使用CCS软件来进行设计。系统程序流程图如图4所示，编程过程如图5所示。

图5 硬件程序编写过程

五、结束语

本文所述设计内容，已经完成了样机的研制，经实际4个月的连续测试，系统能够完成准确的温度检测功能。通过试制实验样机和集中采集网管，完成了所提出的所有功能，可以配合上位机软件完成所有功能数据的上传和网络数据读取。

（通讯作者：李书艳）

作者简介：庄凯淋（1994— ），女，山东安丘人，大学本科学生，电子科学与技术专业；李书艳（1974— ），女，河北青县人，硕士，讲师，主要研究方向为微电子工艺。