超低功耗无线数字温度传感器的研制

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超低功耗无线数字温度传感器的研制

摘要:研制了一种低功耗、电池供电的无线数字温度传感器。此传感器以PIC16F73单片机、数字温度传感器DS18B20、单片射频收发芯片nRF901为核心,工作频率433MHz,测温范围-℃40℃~85℃,分辨力为0.0625℃,测温精度0.5℃,静态电流小于8 A,动态电流小于0.75mA,在市区环境中,可靠通信距离40m。

1 引言
    传感器在现场控制与测试系统中应用广泛。随着人们对传感器性能的要求越来越高,传统传感器已经无法满足现有需求,于是在传感器的研制中引入了以微处理器为代表的高新技术。
    在工业、科学研究以及医疗设备中,出现了大量需要进行通信的设备,这些设备通信距离较近、数据量较小、不适合布线。因此,要求其具有体积小、功耗低、成本低、使用方便等特点。基于这些需求,本文给出了一款无线数字温度传感器的设计及实现。

2 系统硬件设计
    本文设计的无线温度传感器主要由以下几部分组成:温度测量部分、发射部分、接收部分、上位机显示及操作部分。系统结构图如图1所示。
 
2.1 温度测量电路
    在温度测量电路中采用Dallas公司生产的1-Win总线数字温度传感器DS18B20。DS18B20是3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃-+125℃,可编程为9位-12位MD转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度以带符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可从端脚引入,也可采用寄生电源方式产生。本系统采用从端脚引入工作电源方式。温度测量电路如图2所示。
 
2.2 无线收发电路
    无线收发电路如图3所示。无线收发电路采用Nordic公司生产的nRF901单片射频收发芯片。nRF901工作于433MHz,芯片内置数据协议和CRC检错,输出功率和通信频道可通过程序配置。芯片能耗非常低,以-10dBm的功率发射时,工作电流只有11mA,接收时工作电流只有12.5mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。
 
    nRF901的EDAPCB/PCBjishu/" target="_blank" class="infotextkey">PCB一般都是双层板,底层不放置元件,地层、顶层的空余地方一般都敷上铜,这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF901的供电电源应通过电容隔开,这样有利于给nRF901提供稳定的电源。在EDAPCB/PCBjishu/" target="_blank" class="infotextkey">PCB中,尽量多打一些通孔,使顶层和底层的地能够充分接触。

3 系统软件设计
    接收机与PC机通过RS232进行通信,并在PC机中显示所测温度值。
    当发射机上电后,单片机I(如图1所示,以下简称DI)配置无线收发芯片I(以下简称NI)为接收模式,然后DI进入休眠状态,NI处于待机状态,等待无线收发芯片II(以下简称NII)发射过来的信号。当NI接收到NII发射过来的信号后,NI启动DI的外部中断,从而唤醒睡眠中的DI。随后,DI配置NI为发射模式,将测到的温度值发射出去。待全部温度值全部发射完毕后,DI设置NI为掉电模式,然后DI进入睡眠状态。2.3s后WDT溢出唤醒沉睡中的DI,DI配置NI为发射模式,发射数据。待全部温度值全部发射完毕后,DI设置NI为掉电模式,然后DI进入睡眠状态。发射机就这样周而复始地工作。
    当接收机上电后,单片机II(以下简称DII)首先配置NII为发射模式,发射信号给NI,告知NI现在可以开始工作了。然后DII配置NII为接收模式,等待接收NI发送过来的温度值。当NII接收到有效温度值后,DII对温度值进行数字滤波后,将正确的温度值经过232接口传送给Pc机,并在上位机显示界面中进行显示。
 
图4 单片机软件流程图

4 系统性能
4.1 系统功能
    作为一款专门为低功耗系统而设计的无线数字温度传感器,该系统具有低电平供电、低功耗的特点,供电电压为3V。在发送状态下,系统电流为0.75mA;在休眠状态下,系统电流小于10 uA。通信系统处于查询方式工作时,处于发射状态的工作电流计算公式如下,(假设休眠时间为ts1,工作时间为tdt),那么平均工作电流Ip为(单位为uA):
Ip=(ts1×5+tdt×750)/(ts1+tdt)
    本系统休眠时间为2.3s,工作时间为0.6s。这样,5400mAh的锂电流可以使用3年半。
4.2 通信可靠性
    通信误码率可以使用如下近似公式计算:
Pe≈ Ne/N
    式中,N为传输的二进制码元总线;Ne为被传输错的码元数,理论上应有N→∞。
    在实际使用中,N足够大时,才能够把Pe近似为误码率。经过对系统的测试,在数据速率为100kbps、通信距离为30m(市区内)时,通信误码率为10-2~10-4。在数据速率提高时,通信误码率会增加,但是通信模块可采用多项技术来提高通信可靠性。在物理层,模块采用曼彻斯特编码技术发送数据,从而保证通信中的同步问题;而在数据链路层,使用CRC(循环冗余编码)进行数据帧校验,用以保证数据到达用户应用层以后的可靠性。当然,用户在应用层还可以采取多种通信协议来进一步提高通信的可靠性。
4.3 通信距离
    在无线通信中,影响通信距离的主要性能指标有四个:一是发射机的射频输出功率,二是接收机的接收灵敏度,三是系统的抗干扰能力,四是发射/接收天线的类型及增益。通信距离与发射机发送信号的强度和接收机接收灵敏度有着直接关系。本模块的发送功率为10dBm,而在数据速率为100kbps、通信二进制误码率为10-2条件下,模块的接收灵敏度为-100dBm。在市区环境中,可靠通信距离在40m。

5 结束语
    本文设计的数字化无线温度传感器可应用到各种需要无接触的测温场合,实现对现场温度的“先知先觉”。本系统完全可以扩充为一个网络系统,形成温度采集网,以满足现场控制及测控系统的各种需求。系统集成度高,工作稳定可靠。设计中充分利用各芯片的低功耗特性,有效地延长了电池使用寿命。无线数据传输方式使用方便灵活。

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