基于ZigBee的四线制PT100温度传感器采集节点设计

赵建凯

（内蒙古大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

引言

在人类日常生活与生产活动中，温度的监测变的越来越重要，不同应用环境对温度监测的精度要求不同，比如目前普通的家用温度监测通常具有较低的精度，而工业环境、气象系统中所使用的温度监测往往要求比较高的精度。随着科技的发展，需要用到高精度温度监测的领域越来越多，比如设施农业、温室大棚、仓储监测、厂矿监测等，传统的温度传感器包括热敏电阻、热电偶、PT100铂电阻温度传感器等，而PT100铂电阻温度传感器又分为两线制、三线制和四线制，四线制PT100铂电阻温度传感器检测精度最高，但成本也最高，通常应用于对温度监测精度有较高要求的领域，比如气象行业等。本文以气象行业普遍使用的四线制铂电阻温度传感器为敏感元件，采用ZigBee通讯网络进行检测参数无线设置与检测数据的无线传输，设计一个无线高精度温度监测节点，作为小区域温度监测网络的检测单元。

1 高精度温度检测单元硬件设计

PT100传感器测温范围在-200~850 ℃间，允许通过不高于5 mA的电流，它的非线性偏差不超过0.5 ℃。国标规定PT100铂电阻在0 ℃时阻值为100 Ω，温度系数为3.851×10-3℃-1。在采集PT100温度传感器的检测数据时，首先测量PT100的电阻值，从而依据测得的电阻值通过查询电阻温度分度表来确定温度值。

1.1 铂电阻检测电路

高精度铂电阻温度传感器通常采用四线制形式，可以最大程度地减少干扰，提高检测精度。通常在“*、G”间施加一个恒定电流激励，“+、-”端连接仪表放大器的输入端进行检测（图1）。这种测量方法有效地避免了接线电阻的干扰，提高了PT100铂电阻的检测精度。

图1 PT100接线示意图

在气象行业使用的采集器中，通常使用AD7793进行温度检测，AD7793芯片是适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、带有3 个差分模拟输入的24 位∑-Δ型模数转换控制器（Analog/Digital Controller，ADC）[1]，具有以下特点：1）转换精度高，24 位数据输出；2）芯片集成度高，内置24 位∑-Δ调制器、缓冲器、基准电压源、恒流源、仪表放大器和片内数字滤波器；3）具有3个差分模拟输入通道，可以被设置为缓冲模式或无缓冲模式；4）接口电路要求低，可以直接接收来自应变器或传感器的模拟量输入；5）分辨率高、噪声很低，因此对于前端的抗混叠滤波器的要求也大大降低，一个简单的RC低通滤波器即可；6）该芯片具有自校准、系统校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响；7）具有三线式SPI接口，通过MCU灵活控制和配置AD7793片内寄存器，实现对AD7793芯片的控制[2]。

AD7793四线制铂电阻检测电路(图2)，AD7793用于四线制铂电阻接法时，采用IOUT1端口输出恒定电流源，为了保证精度，将PT100与0.1%精度的R5高精度电阻串联，使用AD7793的AIN1端口以及REDIN端口作为电压采集端口，这样的接法可以有效地消除接线电阻产生的压降而引入的误差，并且可以通过恒定电阻的接入，能够作为参考更准确的计算PT100的电阻值，从而计算当前检测温度。

图2 AD7793四线制铂电阻检测电路原理图

1.2 ZigBee模块及硬件电路设计

应用于小区域的密集温度监测网络时，每个温度节点采用无线传输可以大大节省使用成本，提高温度监测网络布设的快捷性，本节点的通讯方式采用ZigBee无线传输方式。

ZigBee技术的应用已经比较成熟，它是一种短距离、结构简单、低功耗、低数据传输率、低成本和高可靠性的无线通信技术。该节点的ZigBee网络采用具有UART接口的DRF1609H型ZigBee模块实现，该模块以CC2630为核心器件，CC2630是双ARM核-32 位CPU芯片，Cortex-M3负责ZigBee协议的处理，Cortex-M0负责无线通信的处理。DRF1609H为3.3 V供电，工作模式可配置，波特率与通讯参数可配置，与MCU的接线（图3）。

图3 ZigBee模块电路

DRF1609H通过UART与MCU进行数据通讯，其中D1为ZigBee数据收发指示灯，D2为ZigBee模块工作状态指示灯，R1和R2需为510 Ω。

1.3 MCU选择与电路连接

该节点的MCU采用STM32系列单片机，STM32微处理器融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点，是基于工业标准的处理器。STM32采用SPI总线与AD7793进行通讯，采用UART方式与ZigBee模块进行通讯，电路(图4)[3]。

图4 MCU微处理器电路

本模块选用48 脚基于Cortex-M3内核的STM32F103CBT6作为中央处理器，它完成温度数据的采集、数据处理以及各电路模块的功能协调与控制。

2 程序设计

固件程序使用Keil开发平台进行编写，该节点上电后首先进入初始化，进行AD7793芯片的配置，其次检测是否收到总机命令，根据命令执行相应的操作。然后通过AD7793读取PT100铂电阻以及参考标准电阻的电压值，进行温度值的转换与计算，最后通过UART与DRF1609H模块进行通讯，从而实现与总机的通讯，程序流程(图5)。

图5 程序流程

3 检测结果对比

该节点完成制作后，使用检定合格的HY-T型高精度气温传感器进行试验，选用WFY-201B型恒温槽模拟温度，使用检定合格的RCY-1A型自校式铂电阻数字测温仪作为校准比对仪器[3],比对试验结果（表1）。

表1 温度测量数据比对/℃

从上表的无线测温节点与RCY-1A检测对比值可以看出，两个设备的测温误差值最大小于0.2 ℃。

4 结论

采用四线制PT100温度传感器与AD7793芯片开发的ZigBee无线温度检测节点的检测精度优于0.2 ℃，同时可以进行无线数据传输，方便组网，能够作为特定区域内温度检测网络的检测单元，具有较广的应用范围。