基于物联网的无线测温模块设计

宋守金++吴云韬++郑更生

摘要：温度是在很多生产生活场合中具有重要意义的一个参数。比如高压变电站中，由于触头的松动导致设备温度升高，可能引起火灾，造成大量电力设备烧毁，影响日常生产生活；仓库中温度的高低会影响粮食的储存周期；大棚中温度的变化对植物的生长状况有很大影响等。因此，对这些场合实行温度的实时检测就得尤为必要。设计了一套既适用于变电站等电磁辐射干扰强的特殊场合，又适用于蔬菜大棚等电磁辐射干扰弱的普通场合的无线测温系统，并已在武汉工程大学附近的一处变电站进行了现场测试并已投入使用，达到了理想效果。该系统的成功开发极大方便了平时的生活生产，具有重大的现实意义。

关键词：物联网；无线测温；MSP430；nRF905

DOIDOI：10.11907/rjdk.161742

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）009011903

基金项目基金项目：湖北省自然科学基金面上项目（2014CBF791）

作者简介作者简介：宋守金（1981-），男，河南固始人，武汉工程大学计算机科学与工程学院硕士研究生，研究方向为嵌入式系统；吴云韬（1973-），男，湖北利川人，博士后，武汉工程大学计算机科学与工程学院教授、硕士生导师，研究方向为信号处理；郑更生（1971-），男，湖北武汉人，博士，武汉工程大学计算机学院副教授、硕士生导师，研究方向为计算机网络、嵌入式系统。

0引言

温度是许多生产生活环境中具有重大意义的一个参数，这些场合中温度的高低状况都会影响生产的质量和产量以及设备的正常运行，所以要保证这些场合中生产生活的正常运行，就必须对这些场合中的温度进行实时检测。但过去人们采用的传统测温方法，比如人工巡视法、红外探测法及有线测温法等都存在劳动强度大、效率低及准确性差等诸多不足，因此研发出一套无线温度数据采集系统意义重大。比如在储存一些容易变质的农产品时，需要将温度控制在适宜范围中以防止其腐烂变质[1]。再者，随着近年来经济及社会的发展，日常生产生活对电能的需求量日益增大，电能就逐渐成为现代社会中最重要的能源之一，也是国民经济的命脉，对人们生产生活及国民经济起着至关重要的作用。因此，确保电力系统安全可靠地运行是电力管理部门的首要任务。变电站中设备运行状态的好坏是影响变电站的安全运行及整个电力系统稳定的一个重要指标，根据历史上发生电力系统故障的数据统计，发现大部分故障发生前期及正在发生时都会伴随着设备温度的升高，这种温度的升高会传导到设备的外壳上，而且发生这些故障时通常很难人为发现，故可以通过测温的方法来检测电气设备的运行状态，以避免电网事故的发生及设备损坏[24]，但是过去人们常用的测温方法不仅不能及时地发现故障，而且还容易发生漏报情况，并且这些传统方法不容易实现对密封状态下的设备或处于障碍物下的设备进行测温，再者磁场辐射对长期处在强磁场环境下的监测人员的身体健康也有很大影响。为了解决这些难题，人们迫切需要采用一种新的技术来替代之前采用的那些传统方法。近年来，物联网[57]技术的诞生及飞速发展为无线测温系统的实现提供了可能。

物联网这个概念是美国在1999年提出，当时称为传感网，其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

本文基于物联网技术研发出了一种可以既适用于蔬菜大棚等农业场所又适用于变电站等工业场所的无线测温系统。该系统以低功耗微处理器MSP430、温度传感器DS18B20和无线射频芯片nRF905为核心部件，联合电源模块组成温度采集通信模块，设计了一种超低功耗无线通信协议。该系统具有便于携带、安装方便、准确度高、抗干扰能力强等特点，有效地解决了传统测温方式存在的布线复杂、效率低、成本高、维修难等问题，具有重大的工程意义。

1系统总体设计

整个系统由数据采集端和数据接收端两部分组成[8]，其中数据采集端由MSP430、DS18B20及无线模块组成，数字信号通过传感器转换后被发送到无线模块，再经过调制后发出；数据接收端由MSP430、主机及无线模块组成。接收端接收到采集端发来的数据后，按照通信协议解调，还原其中的有效信息和数据后再通过串口发送给计算机，最后由电脑对数据进行处理分析。系统总体结构框架如图1所示。

按照物联网技术的概念，又可将此系统分为3层，即感知层、网络层和应用层[9]。其中，感知层以传感器为主体，网络层以接收设备与传输设备为主体，应用层以监控后台与用户终端为主体。

2系统具体设计方案

根据系统方案，设计了硬件电路，该系统硬件结构如图2所示。

该系统主要由数据采集端和数据接收端两部分组成，两者之间的温度数据信息传递通过无线信道实现。其中信息发送端由单只nRF905无线收发模块与多只温度传感器DS18B20组成，信息接收端由单只nRF905无线收发模块与SPI口相连，再联合计算机构成。

2.1感知层设计方案

感知层相关硬件部分由MSP430单片机和多只DS18B20温度传感器及无线射频芯片 nRF905组成。

2.1.1单片机MSP430

MSP430[1011]单片机是TI公司的一个具有超低功耗和精简指令集的混合信号处理器，特别适合运用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。电源电压为1.8V～3.6V低电压，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点。另外，MSP430单片机具有5种低功耗模式，可以通过控制片内时钟，使其进入不同的低功耗模式，以适应不同场合的低功耗需求。

2.1.2温度传感器DS18B20

DS18B20[12]是一种常用的温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装后可应用于多种场合。工作电压为3.0～5.5V，温度转换时的延时时间为750ms，测温范围为-55～+125℃ ，固有测温误差为±1℃。

2.1.3无线射频芯片 nRF905

nRF905[13] 芯片是由 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，有如下特点：输出功率和通信频道可通过程序进行配置，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，非常适合于低功耗、低成本的系统设计。

2.1.4感知层相关程序流程

MSP430单片机负责对DS18B20进行温度采集初始化脉冲方面的工作。主机操作DS18B20按照初始化操作、ROM操作、内存操作、数据处理4个步骤进行，其中温度采集部分流程如图3所示。

2.2网络层设计方案

2.2.1网络层相关协议设计

通信协议的好坏是影响物联网无线传感器网络性能的一个重要参数，设计一个合适的通信协议对网络的可靠性、节能性、健壮性都起到很大作用。针对本系统的实际需求，采用星型网络拓扑结构，该结构简单、稳定性高、效率高、实现简单，能满足系统的基本要求。

2.2.2网络层相关硬件设计

网络层的相关硬件主要由数据服务器及无线温度接收仪（主控芯片MSP430、无线通信模块及RS485模块）组成。

当无线通信模块将无线传感器DS18B20的温度数据接收进来后，由主控芯片MSP430对其进行包装，然后通信模块再通过RS485媒介将其送到主站。就目前而言，RS485是比较常见的通讯模式，通常用于辐射干扰强度比较小的场合。为了使本系统同时也适用于辐射干扰强度大的场合，比如变电站等场所，本系统采用了屏蔽技术。屏蔽技术就是在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层，利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射功能的技术。屏蔽技术综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用，因而具有非常好的电磁兼容特性。本系统采用了导电导磁的材料制成类似外壳之类的东西，这样可以将电磁场限制在一定的空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时有了很大的衰减，所以本测温模块在变电站等电磁强度大的场合下使用时，很大程度上减少了电磁对其正常工作的干扰，以保证其能在这种强磁场场合下正常工作。

无线温度接收仪主要负责对数据的接收与转发功能，而数据服务器接收来自无线温度接收仪转发过来的温度数据，然后将这些数据按照需求存储起来，以备用户的调用及访问。其程序流程如图4所示。

2.3应用层设计方案

应用层是一个后台软件，设计时既要遵循功能操作实用、界面友好、版面美观的原则，还应该实现系统设备的建档和配置工作、实时召唤及数据显示、历史数据查询及显示、温度超限报警及多方式提醒、无线温度传感器定位、能通过公共网络进行访问等功能。

3结语

本文提出的基于物联网的无线温度检测模块可以实现远程无线温度测量及数据传输，通过恰当的硬件电路设计及合理的软件编程设计使温度数据得以安全可靠地传输和远程监控，保证了蔬菜大棚、变电站等工农业生产生活环境中各设备的安全生产与运行。本系统在日常的生产生活中有着良好的应用前景，具有重大的现实意义。

参考文献参考文献：

[1]张剑.国内粮情测控系统的现状及发展趋势[J].工厂自动化，2001（2）：6869.

[2]程玲.电力系统设备状态监测与故障诊断[J].水电厂自动化，2008，29（3）：6768.

[3]陈卓，刘念，薄丽雅.电力设备状态监测与故障诊断[J].高电压技术，2005，31（4）：4648.

[4]杨武，丁丹，荣命哲，等.高压开关柜的在线监测和故障诊断[J].电工技术杂志，2001（3）：2025.

[5]屈军锁，高佛设.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[6]杨刚，沈沛意，郑春红，等.物联网理论与技术[M].北京：科学出版社，2010.

[7]张飞周，杨东凯，陈智.物联网技术导论[M].北京：电子工业出版社，2010.

[8]宋时光.基于物联网技术的变电站温度采集通信模块的研究[D].济南：山东大学，2013（6）：56.

[9]张欣.基于物联网技术的电力无线测温系统设计分析[J].吉林省石油化工设计研究院，2014.

[10]TEXAS INSTRUMENTS.MSP430F21X1 Mixed signal microcontroller[S].2011.

[11]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[12]RUNJING Z，HONGWEI X，GUANZHONG R.Design of temperature measurement system consisted of FPGA and DS18B20[C].2011 International Symposium on Computer Science And Society（ISCCS），2011：9093.

[13]ZHU Y，ZENG W，XIE L.Design of monitoring system for coal mine safety based on MSP430 and nRF905[C].2011 International Conference on Intelligence Science and Information Engineering（ISIE），201I：98101.

责任编辑（责任编辑：孙娟）