超低功耗無線數字溫度感測器的研製

摘要：研製了一種低功耗、電池供電的無線數字溫度感測器。此感測器以PIC16F73單片機、數字溫度感測器DS18B20、單片射頻收發晶元nRF901為核心，工作頻率433MHz，測溫範圍-℃40℃～85℃，分辨力為0.0625℃，測溫精度0.5℃，靜態電流小於8 A，動態電流小於0.75mA，在市區環境中，可靠通信距離40m。

1 引言
    感測器在現場控制與測試系統中應用廣泛。隨著人們對感測器性能的要求越來越高，傳統感測器已經無法滿足現有需求，於是在感測器的研製中引入了以微處理器為代表的高新技術。
    在工業、科學研究以及醫療設備中，出現了大量需要進行通信的設備，這些設備通信距離較近、數據量較小、不適合布線。因此，要求其具有體積小、功耗低、成本低、使用方便等特點。基於這些需求，本文給出了一款無線數字溫度感測器的設計及實現。

2 系統硬體設計
    本文設計的無線溫度感測器主要由以下幾部分組成：溫度測量部分、發射部分、接收部分、上位機顯示及操作部分。系統結構圖如圖1所示。
 
2.1 溫度測量電路
    在溫度測量電路中採用Dallas公司生產的1-Win匯流排數字溫度感測器DS18B20。DS18B20是3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量範圍為-55℃－+125℃，可編程為9位-12位MD轉換精度，測溫解析度可達0.0625℃，被測溫度以帶符號擴展的16位數字量方式串列輸出；其工作電源既可從端腳引入，也可採用寄生電源方式產生。本系統採用從端腳引入工作電源方式。溫度測量電路如圖2所示。
 
2.2 無線收發電路
    無線收發電路如圖3所示。無線收發電路採用Nordic公司生產的nRF901單片射頻收發晶元。nRF901工作於433MHz，晶元內置數據協議和CRC檢錯，輸出功率和通信頻道可通過程序配置。晶元能耗非常低，以-10dBm的功率發射時，工作電流只有11mA，接收時工作電流只有12.5mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。
 
    nRF901的PCB一般都是雙層板，底層不放置元件，地層、頂層的空餘地方一般都敷上銅，這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF901的供電電源應通過電容隔開，這樣有利於給nRF901提供穩定的電源。在PCB中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。

3 系統軟體設計
    接收機與PC機通過RS232進行通信，並在PC機中顯示所測溫度值。
    當發射機上電后，單片機I(如圖1所示，以下簡稱DI)配置無線收發晶元I(以下簡稱NI)為接收模式，然後DI進入休眠狀態，NI處於待機狀態，等待無線收發晶元II(以下簡稱NII)發射過來的信號。當NI接收到NII發射過來的信號后，NI啟動DI的外部中斷，從而喚醒睡眠中的DI。隨後，DI配置NI為發射模式，將測到的溫度值發射出去。待全部溫度值全部發射完畢后，DI設置NI為掉電模式，然後DI進入睡眠狀態。2.3s后WDT溢出喚醒沉睡中的DI，DI配置NI為發射模式，發射數據。待全部溫度值全部發射完畢后，DI設置NI為掉電模式，然後DI進入睡眠狀態。發射機就這樣周而復始地工作。
    當接收機上電后，單片機II(以下簡稱DII)首先配置NII為發射模式，發射信號給NI，告知NI現在可以開始工作了。然後DII配置NII為接收模式，等待接收NI發送過來的溫度值。當NII接收到有效溫度值后，DII對溫度值進行數字濾波后，將正確的溫度值經過232介面傳送給Pc機，並在上位機顯示界面中進行顯示。
 
圖4 單片機軟體流程圖

4 系統性能
4.1 系統功能
    作為一款專門為低功耗系統而設計的無線數字溫度感測器，該系統具有低電平供電、低功耗的特點，供電電壓為3V。在發送狀態下，系統電流為0.75mA；在休眠狀態下，系統電流小於10 uA。通信系統處於查詢方式工作時，處於發射狀態的工作電流計算公式如下，(假設休眠時間為ts1，工作時間為tdt)，那麼平均工作電流Ip為(單位為uA)：
Ip=(ts1×5+tdt×750)/(ts1+tdt)
    本系統休眠時間為2.3s，工作時間為0.6s。這樣，5400mAh的鋰電流可以使用3年半。
4.2 通信可靠性
    通信誤碼率可以使用如下近似公式計算：
Pe≈ Ne/N
    式中，N為傳輸的二進位碼元匯流排；Ne為被傳輸錯的碼元數，理論上應有N→∞。
    在實際使用中，N足夠大時，才能夠把Pe近似為誤碼率。經過對系統的測試，在數據速率為100kbps、通信距離為30m(市區內)時，通信誤碼率為10^-2～10^-4。在數據速率提高時，通信誤碼率會增加，但是通信模塊可採用多項技術來提高通信可靠性。在物理層，模塊採用曼徹斯特編碼技術發送數據，從而保證通信中的同步問題；而在數據鏈路層，使用CRC(循環冗餘編碼)進行數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層以後的可靠性。當然，用戶在應用層還可以採取多種通信協議來進一步提高通信的可靠性。
4.3 通信距離
    在無線通信中，影響通信距離的主要性能指標有四個：一是發射機的射頻輸出功率，二是接收機的接收靈敏度，三是系統的抗干擾能力，四是發射／接收天線的類型及增益。通信距離與發射機發送信號的強度和接收機接收靈敏度有著直接關係。本模塊的發送功率為10dBm，而在數據速率為100kbps、通信二進位誤碼率為10^-2條件下，模塊的接收靈敏度為-100dBm。在市區環境中，可靠通信距離在40m。

5 結束語
    本文設計的數字化無線溫度感測器可應用到各種需要無接觸的測溫場合，實現對現場溫度的“先知先覺”。本系統完全可以擴充為一個網路系統，形成溫度採集網，以滿足現場控制及測控系統的各種需求。系統集成度高，工作穩定可靠。設計中充分利用各晶元的低功耗特性，有效地延長了電池使用壽命。無線數據傳輸方式使用方便靈活。