傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)的研究與設計

摘要：文中介紹了一種傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)的設計。該設計由基于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備聯(lián)網(wǎng)模塊和上位機軟件組成。根據(jù)IEEE1451標準中電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)的研究而設計的智能變送器模塊，能夠自動識別傳感器終端結點采集到的信號(電阻、電壓、頻率、開關量等)。該系統(tǒng)支持氣象要素傳感器的熱插拔、即插即用和自動識別等功能，具有串口聯(lián)網(wǎng)的功能，并能夠通過光纖傳輸對傳感器設備進行遠距離的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)長距離可靠傳輸。

關鍵詞：智能傳感器;Zigbee;雙向透明數(shù)據(jù)傳輸;自動識別;IEEE1451協(xié)議

傳感器的智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展已經(jīng)是智能傳感器研究的趨勢。如何實現(xiàn)傳統(tǒng)的傳感器信號更方便快捷地接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡化、智能化采集傳輸和控制是本文研究的重點。本文介紹了一種傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)設計的方案，并按照此方案實現(xiàn)了對常規(guī)氣象要素信號的智能化采集、遠距離傳輸和指令控制，同時也實現(xiàn)了智能變送器模塊(STIM)的即插即用和自動識別，串口設備聯(lián)網(wǎng)模塊的以太網(wǎng)和串口信號(RS-232/422/485)雙向透明傳輸，并在上位機終端顯示界面實現(xiàn)了對傳感器采集到的信號的歷史存儲、指令控制和實時顯示。

1 系統(tǒng)總體方案設計

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

(STIM)識別與處理后由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備聯(lián)網(wǎng)模塊的一個串口，而后經(jīng)串口設備聯(lián)網(wǎng)模塊內(nèi)部移植 uCOS—II實時嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務間消息地傳遞，將串口接收到的傳感器信號傳遞給LwIP網(wǎng)絡協(xié)議棧，然后通過網(wǎng)絡協(xié)議棧與終端上位機軟件之間的編寫的通信協(xié)議，將信號經(jīng)以太網(wǎng)、光纖或是無線方式(可擴展)傳遞到終端控制的上位機，最終在控制終端通過發(fā)送相應的指令實現(xiàn)對傳感器信號的采集傳輸和控制。

2 系統(tǒng)硬件設計與原理分析

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

2.1 STIM模塊的硬件電路設計

STIM模塊的硬件采用CC2530芯片作為MCU，結合常規(guī)氣象要素傳感器信號的高精度測量電路，實現(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個部分：MCU核心模塊、傳感器信號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，通過二級降壓，給整個系統(tǒng)各個模塊進行供電。第一級降壓將輸入的直流電壓降到+5 V;第二級降壓均將+5 V降為+3. 3 V，分別作為模擬電源和數(shù)字電源。在測量模擬信號時，可以減少數(shù)字電源的雜波串擾到模擬電源中，進而提高測量精度。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 信號調(diào)理電路

電路設計上將溫度和濕度的采集放到一起，整體作為一類傳感器。溫度輸出信號為4線制鉑電阻信號，通過恒流源驅(qū)動產(chǎn)生與溫度相對應的電壓，再通過16位AD對電壓進行測量;濕度信號為0到1 V的電壓信號，可直接用AD測量。風速電路待測頻率信號范嗣為0到1221 Hz。

雨量傳感器為翻斗雨量傳感器，輸出信號為開關量信號，可使用MCU的外部中斷進行測量。雨量信號與風速信號都通過74HC14進行脈沖整型后再送入相應的采集通道，因此采用相同的采集電路。濕度和雨量信號調(diào)理電路如圖3所示。

2.2 通信電路設計

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

2.3 串口設備聯(lián)網(wǎng)模塊的硬件電路設計

串口設備聯(lián)網(wǎng)模塊主要實現(xiàn)與多個STIM模塊通信、其它串口設備通信以及網(wǎng)絡傳輸?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、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芯片實現(xiàn)串口接入信號(RS232、422或是485)與MCU信號(LVTTL電平信號)之間的相互轉(zhuǎn)換，結合MCU程序和撥碼開關，可以實現(xiàn)對接入信號的識別和數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如圖4所示。

2.3.2 網(wǎng)絡通信模塊電路

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

3 系統(tǒng)軟件設計與流程

3. 1 STIM數(shù)據(jù)采集處理主程序設計

傳感器信號采集主要實現(xiàn)電阻、電壓、頻率、開關量等氣象要素傳感器常見信號的采集以及對指令的響應。如圖5所示。

3.2 串口設備聯(lián)網(wǎng)模塊服務器主進程設計

服務器的主進程主要負責LwIP協(xié)議棧初始化、端口號和地址的綁定、監(jiān)聽特定的服務端口、創(chuàng)建進程響應客戶端的連接請求和關閉等任務。如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試結果

本系統(tǒng)是在研究IEEE1451協(xié)議的基礎上，根據(jù)協(xié)議標準，結合我國地面氣象觀測特點設計而成。通過分析記錄測量值與實際值的對比分析得到：風速誤差0.5 m/s，風向誤差5°，溫度0.2℃，濕度誤差5%(相對濕度在80%以上)，濕度誤差3%(相對濕度在80%以下)，雨量誤差0.4 mm，氣壓誤差0.3 hPa。這表明實驗所得結果達到我國地面氣象觀測所要求的標準。

5 結束語

隨著時代的進步和科技的發(fā)展，將不同種類的傳感器信號按照統(tǒng)一的標準接入傳感器智能變速器模塊，實現(xiàn)對傳感器的自動識別和即插即用;將傳感器采集的信號連入以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對傳感器采集設備的集中管理和遠程控制;以及如何對采集數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定可靠的傳輸與存儲，進而實現(xiàn)傳感器采集、傳輸和控制模塊的智能化、網(wǎng)絡化和微型化，是傳感器發(fā)展的趨勢。本文設計了一種符合IEEE1451標準的傳感器智能采集傳輸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和遠程管理控制，具有很廣闊的應用前景。