傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了一種傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)由基于CC2530芯片的ZigBee無線組網(wǎng)傳輸?shù)闹悄茏兯推髂K、基于STM32F103ZET6嵌入式微控制器為核心的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊和上位機(jī)軟件組成。根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)中電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)的研究而設(shè)計(jì)的智能變送器模塊，能夠自動(dòng)識(shí)別傳感器終端結(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)(電阻、電壓、頻率、開關(guān)量等)。該系統(tǒng)支持氣象要素傳感器的熱插拔、即插即用和自動(dòng)識(shí)別等功能，具有串口聯(lián)網(wǎng)的功能，并能夠通過光纖傳輸對(duì)傳感器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長距離可靠傳輸。

關(guān)鍵詞：智能傳感器;Zigbee;雙向透明數(shù)據(jù)傳輸;自動(dòng)識(shí)別;IEEE1451協(xié)議

傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展已經(jīng)是智能傳感器研究的趨勢(shì)。如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的傳感器信號(hào)更方便快捷地接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)化、智能化采集傳輸和控制是本文研究的重點(diǎn)。本文介紹了一種傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，并按照此方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)常規(guī)氣象要素信號(hào)的智能化采集、遠(yuǎn)距離傳輸和指令控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了智能變送器模塊(STIM)的即插即用和自動(dòng)識(shí)別，串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊的以太網(wǎng)和串口信號(hào)(RS-232/422/485)雙向透明傳輸，并在上位機(jī)終端顯示界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器采集到的信號(hào)的歷史存儲(chǔ)、指令控制和實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由智能變送器模塊、協(xié)調(diào)器模塊、串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊和上位機(jī)終端控制軟件4部分組成。如圖1所示。傳感器信號(hào)(電阻、電壓、頻率、開關(guān)等)經(jīng)過智能變送器模塊

(STIM)識(shí)別與處理后由Zigbee無線組網(wǎng)傳輸至協(xié)調(diào)器模塊，之后由協(xié)調(diào)器模塊傳遞至串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊的一個(gè)串口，而后經(jīng)串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊內(nèi)部移植 uCOS—II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間消息地傳遞，將串口接收到的傳感器信號(hào)傳遞給LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，然后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與終端上位機(jī)軟件之間的編寫的通信協(xié)議，將信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)、光纖或是無線方式(可擴(kuò)展)傳遞到終端控制的上位機(jī)，最終在控制終端通過發(fā)送相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集傳輸和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與原理分析

本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，即智能變送器(STIM)模塊的硬件電路以及串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊的硬件電路。

2.1 STIM模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

STIM模塊的硬件采用CC2530芯片作為MCU，結(jié)合常規(guī)氣象要素傳感器信號(hào)的高精度測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗、小體積、低成本與高性能。該模塊主要包含3個(gè)部分：MCU核心模塊、傳感器信號(hào)采集模塊以及通信模塊。如圖2所示。

2.1.1 電源電路及CC2530最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)中采用的電源均為12 V輸入，通過二級(jí)降壓，給整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電。第一級(jí)降壓將輸入的直流電壓降到+5 V;第二級(jí)降壓均將+5 V降為+3. 3 V，分別作為模擬電源和數(shù)字電源。在測(cè)量模擬信號(hào)時(shí)，可以減少數(shù)字電源的雜波串?dāng)_到模擬電源中，進(jìn)而提高測(cè)量精度。CC2530的最小系統(tǒng)主要包括MCU、JTAG下載電路、LED指示燈、撥碼盤及必要的外圍電路等。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理電路

電路設(shè)計(jì)上將溫度和濕度的采集放到一起，整體作為一類傳感器。溫度輸出信號(hào)為4線制鉑電阻信號(hào)，通過恒流源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓，再通過16位AD對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量;濕度信號(hào)為0到1 V的電壓信號(hào)，可直接用AD測(cè)量。風(fēng)速電路待測(cè)頻率信號(hào)范嗣為0到1221 Hz。

雨量傳感器為翻斗雨量傳感器，輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，可使用MCU的外部中斷進(jìn)行測(cè)量。雨量信號(hào)與風(fēng)速信號(hào)都通過74HC14進(jìn)行脈沖整型后再送入相應(yīng)的采集通道，因此采用相同的采集電路。濕度和雨量信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

STIM模塊的通信主要支持3種方式，即RS-232、485以及ZigBee通信。在電路設(shè)計(jì)上預(yù)留ZigBee核心板接口，通過TIL轉(zhuǎn)ZigBee 的方式來實(shí)現(xiàn)ZigBee通信。MAX3223芯片可以支持兩個(gè)UART通道，并且可以通過軟件編程進(jìn)入低功耗模式，在接收到數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)被喚醒，降低系統(tǒng)功耗。

2.3 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊主要實(shí)現(xiàn)與多個(gè)STIM模塊通信、其它串口設(shè)備通信以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，系統(tǒng)的核心采用ARMCortex—M3內(nèi)核的 STM32F103ZET6芯片。本系統(tǒng)主要包括STM32最小系統(tǒng)、電源電路、通信電路、下載電路等。STM32的最小系統(tǒng)主要包括MCU及必要的外圍電路、LED指示燈、按鍵開關(guān)、Jtag下載電路等。在MCU的電源處添加了去耦電容，以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3.1 串口通信模塊電路

通過SP339芯片實(shí)現(xiàn)串口接入信號(hào)(RS232、422或是485)與MCU信號(hào)(LVTTL電平信號(hào))之間的相互轉(zhuǎn)換，結(jié)合MCU程序和撥碼開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接入信號(hào)的識(shí)別和數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如圖4所示。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路

網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路設(shè)計(jì)上采用DM9000A+RJ45接口的方式，支持10/100M自適應(yīng)PHY，其物理協(xié)議層接口支持5類非屏蔽雙絞線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與流程

3. 1 STIM數(shù)據(jù)采集處理主程序設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)采集主要實(shí)現(xiàn)電阻、電壓、頻率、開關(guān)量等氣象要素傳感器常見信號(hào)的采集以及對(duì)指令的響應(yīng)。如圖5所示。

3.2 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模塊服務(wù)器主進(jìn)程設(shè)計(jì)

服務(wù)器的主進(jìn)程主要負(fù)責(zé)LwIP協(xié)議棧初始化、端口號(hào)和地址的綁定、監(jiān)聽特定的服務(wù)端口、創(chuàng)建進(jìn)程響應(yīng)客戶端的連接請(qǐng)求和關(guān)閉等任務(wù)。如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)是在研究IEEE1451協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國地面氣象觀測(cè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成。通過分析記錄測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)比分析得到：風(fēng)速誤差<0.5 m/s，風(fēng)向誤差<5°，溫度<0.2℃，濕度誤差<5%(相對(duì)濕度在80%以上)，濕度誤差<3%(相對(duì)濕度在80%以下)，雨量誤差<0.4 mm，氣壓誤差<0.3 hPa。這表明實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果達(dá)到我國地面氣象觀測(cè)所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，將不同種類的傳感器信號(hào)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接入傳感器智能變速器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的自動(dòng)識(shí)別和即插即用;將傳感器采集的信號(hào)連入以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集設(shè)備的集中管理和遠(yuǎn)程控制;以及如何對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定可靠的傳輸與存儲(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器采集、傳輸和控制模塊的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和微型化，是傳感器發(fā)展的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一種符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程管理控制，具有很廣闊的應(yīng)用前景。