隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科技水平不斷提高，電力設(shè)備種類越來越豐富，尤其是高精度設(shè)備越來越多，這些設(shè)備對溫度要求非常高，不同的溫度對設(shè)備影響很大，如變壓器觸頭，其溫度反映了用電負(fù)荷情況，如果在高負(fù)荷情況下觸頭溫度會升高，溫度升高會影響變壓器性能，甚至出現(xiàn)故障，最后導(dǎo)致停電并造成經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)人為抄讀溫度儀表盤的方式已不能滿足當(dāng)前測溫需求。演變出來的有線式連接主機(jī)進(jìn)行測溫的方式對布線規(guī)劃、施工等要求較高。無線測溫發(fā)送方式對主站硬件要求過高且不靈活。巡檢機(jī)器人圖像識別儀表盤或者紅外相機(jī)判斷被測物體溫度的方法對被測物要求過高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀察被測物。在新智能環(huán)境下，迫切需要一種簡便有效且對主機(jī)系統(tǒng)通用的無線測溫方式。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本文所提無線測溫系統(tǒng)包括主溫度匯集單元和若干個從溫度感知單元。系統(tǒng)使用一主多從的方式，可實現(xiàn)同時對多個被測設(shè)備進(jìn)行實時溫度測量，從溫度感知單元與被測物體接觸來測量被測物體的溫度，從溫度感知單元經(jīng)無線通信方式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元，主溫度匯集單元與主機(jī)連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機(jī)。無線測溫系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件整體設(shè)計

硬件系統(tǒng)包括兩個部分，即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。

圖1 無線測溫系統(tǒng)整體設(shè)計

從溫度感知單元包括溫度傳感器、溫度檢測電路、微控制單元（micro control unit, MCU）、電源管理電路、鋰電池、鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、射頻（radio frequency, RF）無線傳輸模塊和RF天線。從溫度感知單元硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 從溫度感知單元硬件設(shè)計框圖

溫度傳感器安裝在被測物體上，溫度傳感器經(jīng)溫度檢測電路與MCU連接，看門狗電路與MCU輸出端連接，鋰電池經(jīng)鋰電池電壓測量電路與MCU的輸入端連接，MCU的輸出端經(jīng)RF無線傳輸模塊及RF天線與主溫度匯集單元通信。鋰電池輸出端與電源管理電路連接，電源管理電路分別與溫度檢測電路、看門狗電路、鋰電池電壓測量電路、MCU和RF無線傳輸模塊連接為其供電。

主溫度匯集單元包括通用串行總線（universal series bus, USB）接口、USB轉(zhuǎn)串口、MCU、看門狗電路、電源管理電路、RF無線傳輸模塊和RF天線。主溫度匯集單元硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

RF無線傳輸模塊與RF天線連接，RF無線傳輸模塊與MCU連接，MCU經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口及USB接口與主機(jī)進(jìn)行通信，MCU輸出與看門狗電路連接。

圖3 主溫度匯集單元硬件設(shè)計框圖

USB接口與電源管理電路輸入端連接，電源管理電路輸出端與MCU、看門狗電路、RF無線傳輸模塊及USB轉(zhuǎn)串口連接并為其供電。

主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類配置更加靈活，使用更加開放，可與包括計算機(jī)、手機(jī)、融合終端、巡檢機(jī)器人等擁有USB接口的主機(jī)進(jìn)行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無需外接電源，降低了使用難度。

2.2 主控芯片選型

從溫度感知單元采用鋰電池供電，為了延長電池的使用時間及減少從溫度感知單元的維護(hù)工作，從溫度感知單元采用超低功耗MCU。

MCU為STM8L系列的STM8L052R8，該芯片在運(yùn)行模式下，功耗低至200μA/MHz；提供五種低功耗模式，在低功耗等待模式下，功耗僅為3μA；內(nèi)置64KB Flash，256B帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read only memory, EEPROM）、實時時鐘芯片（real time clock, RTC）、液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface, SPI）等資源。從溫度感知單元采用此超低功耗MCU，可以實現(xiàn)電池使用五年免維護(hù)。

主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8，該芯片采用32位Cortext-M3內(nèi)核架構(gòu)，工作頻率可以達(dá)到24MHz，內(nèi)置128KB Flash，8KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（static random access memory, SRAM）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter, ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter, DAC）、12 timers計時器等資源。

2.3 無線傳輸模塊選型

無線傳輸模塊采用的型號是SX1212，SX1212是SEMTECH推出的一款超低功耗集成的單芯片無線收發(fā)芯片，頻率范圍從300MHz到510MHz。本設(shè)計采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式電流僅有3mA。

2.4 溫度檢測電路設(shè)計

從溫度感知單元溫度檢測電路如圖4所示，包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開關(guān)電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過高低電平來控制MOS管開關(guān)電路3。由10k◆電阻R15、330◆電阻R16與負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient, NTC）熱敏電阻R17組成分壓電路。

根據(jù)熱敏電阻R17外界溫度不同自身阻值不同的特性和歐姆定理將溫度的變化轉(zhuǎn)化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據(jù)功率放大器特性組成電壓跟隨電路，TEMP_AD處電壓反映熱敏電阻R17電壓。

TEMP_AD連接MCU的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）引腳，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)計算可得到電壓值，根據(jù)電壓和溫度之間關(guān)系算出溫度值。MCU芯片退出睡眠模式，分別改變TEMP_ PWR和TEMPH_PWR電平導(dǎo)通MOS管開關(guān)電路3，根據(jù)分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過TEMP_AD讀取

圖4 溫度檢測電路

熱敏電阻R17兩端電壓，算出當(dāng)前溫度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同測溫精度和范圍，TEMP_ PWR溫度分辨率為0.5℃，溫度測量范圍為-40～170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃，溫度測量范圍為-20～125℃。

2.5 看門狗電路設(shè)計

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門狗電路如圖5所示，看門狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳，RESET連接MCU的RESET引腳（復(fù)位引腳），MCU定時給WDI一個脈沖信號，看門狗芯片獲取信號，不對RESET引腳輸出脈沖信號，即不對MCU進(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無法進(jìn)行操作，當(dāng)時間超過1600ms時，看門狗芯片會輸出脈沖信號，對MCU進(jìn)行復(fù)位以解除故障。

圖5 看門狗電路

2.6 電源管理電路設(shè)計

從溫度感知單元與主溫度匯集單元的電源管理電路如圖6所示，電源管理電路包括3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器和2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器將電池電壓穩(wěn)定在3.3V供鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、溫度測量電路、RF無線傳輸模塊、低功耗MCU使用。

2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路供溫度測量電路和電池電壓測量電路作電壓分壓電源使用，并將基準(zhǔn)電壓輸入MCU基準(zhǔn)電壓輸入口，以提供準(zhǔn)確的ADC基準(zhǔn)電壓。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器將USB接口提供的電壓轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的3.3V電壓，供USB轉(zhuǎn)串口電路、看門狗電路、RF無線傳輸電路、MCU使用。

圖6 電源管理電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)測試溫度的方式包括空中匹配和主動上報兩種模式。

3.1 空中匹配模式

空中匹配模式程序流程如圖7所示。

圖7 空中匹配模式程序流程

在從溫度感知單元中，MCU對看門狗電路進(jìn)行操作。溫度檢測電路將溫度傳感器所采集的被測物體的溫度值保存在MCU中，鋰電池電壓測量電路測量鋰電池的電壓并將電壓保存至MCU中。MCU將RF無線傳輸模塊設(shè)置為接收模式，接收主溫度匯集單元發(fā)送的讀取信息指令，根據(jù)讀取指令將鋰電池的電壓值和被測物體的溫度值數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元，發(fā)送完畢后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

從溫度感知單元在睡眠狀態(tài)無法接收主溫度匯集單元的指令，直到其睡眠周期超時后才能接收和回復(fù)，睡眠周期在1～65535s之間可設(shè)。主溫度匯集單元將被測物體溫度值和鋰電池電壓存儲在MCU的Modbus表中以供主機(jī)通過USB接口使用Modbus規(guī)約讀取。

此模式適合移動物體抄讀溫度數(shù)據(jù)，如安裝主溫度匯集單元的巡檢機(jī)器人、安裝主溫度匯集單元的手機(jī)、人為巡檢等。

3.2 主動上報模式

主動上報模式程序流程如圖8所示。

圖8 主動上報模式程序流程

從溫度感知單元進(jìn)入睡眠超低功耗狀態(tài)，睡眠周期到達(dá)后，模塊轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)：①進(jìn)行看門狗喂狗操作；②溫度傳感器測量溫度；③進(jìn)行電池電壓檢測；④模塊發(fā)送采集的被測物體溫度信息和鋰電池電量信息。若發(fā)送完畢后接收到主溫度匯集單元應(yīng)答，模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。若未收到應(yīng)答，模塊繼續(xù)發(fā)送直至超過重發(fā)次數(shù)，模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。

此模式適合固定在從模塊附近不移動主機(jī)，如安裝主溫度匯集單元的融合終端、安裝主溫度匯集單元的臺式計算機(jī)等。

從溫度感知單元與主溫度匯集單元之間采用主動上報和空中匹配兩種工作方式進(jìn)行交互，使用靈活，可以有效降低產(chǎn)品的功耗。主機(jī)根據(jù)獲取的鋰電池的電壓信息，可判斷當(dāng)前從溫度感知單元的電量使用情況，現(xiàn)場運(yùn)維人員根據(jù)從溫度感知單元電量情況進(jìn)行維護(hù)，如電量低時更換電池或者更換設(shè)備。

4 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 從溫度感知單元結(jié)構(gòu)

從溫度感知單元外形設(shè)計為表帶形狀，方便現(xiàn)場固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線引出，在安裝時可與被測物體測溫點貼合更緊密，測試溫度更加準(zhǔn)確。從溫度感知單元共有三種顏色樣式，分別為黃、綠、紅三色，三種顏色搭配安裝，更容易區(qū)分且不易出錯。從溫度感知單元實物如圖9所示。

圖9 從溫度感知單元實物

4.2 主溫度匯集單元結(jié)構(gòu)

主溫度匯集單元外形為方形盒狀結(jié)構(gòu)，天線和USB連接線通過連接器引出，在外部面板上有設(shè)備工作狀態(tài)的指示燈。主溫度匯集單元實物如圖10所示。

圖10 主溫度匯集單元實物

5 結(jié)論

本文所提無線測溫系統(tǒng)中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現(xiàn)場安裝方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被測物體溫度信息和鋰電池電量信息，使電池可使用時間更長；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類配置更加靈活。

主從模塊通信具備空中匹配和主動上報兩種模式，保證主溫度匯集單元與從溫度感知單元之間通信的穩(wěn)定性，且兩種工作模式可根據(jù)使用要求進(jìn)行選擇，保證低功耗運(yùn)行情況下設(shè)備的穩(wěn)定性。

本文編自2021年第6期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為池東亮、李龍龍、束鵬飛、熊樹海。