基于CC的电流及温度监测系统的设计与实现资料下载.pdf

1、系统具有检测精度高，可靠性高，成本低，使用方便等特点，可应用于工业环境的电流及温度在线监测领域 关键词 电流监测;ZigBee 技术;片上系统;无线传感器节点 中图分类号 TP274+.5 文献标志码 A 文章编号 1008 3804（2011）03 0059 05在广播发射机、电力、工业生产等领域中，存在许多工作时间长、功率大、电流大、分布范围广的设备，由于电路问题、接头松动或其它原因可能造成这些设备的工作电流过大、接头过热甚至出现烧毁设备的现象，给设备的正常工作和人身安全带来严重的威胁1 2 实时监测这些设备关键点的电流和接头温度，对预防故障，准确判断故障点，及时进行故障处理等具有重要的意

2、义 采用电流互感器检测大电流的传统方法，存在绝缘困难，成本高，体积大，重量重，测量精度不高，易受电磁干扰，输出端不能开路，突发性绝缘击穿等缺点，另外，由于这些领域中需要监测的电流点多、分布广，在实际使用时，需要在上位机与各检测点间铺设大量的通信电缆，存在成本高，安装调试不便，覆盖面受限等问题 针对这一情况，本文设计了一种利用 ZigBee 技术组建的电流及温度无线监测系统，实现对设备关键点电流及温度的实时监测1电流及温度监测系统1.1ZigBee 技术ZigBee 技术是一组基于 IEEE 802.15.4 的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，使用了抗干扰能力极强的直序扩频和动态路由数据

3、传输的通信方式，具有低功耗、低成本、低复杂度、近距离、低数据速率等特点3，工作频段为全球通用频段 2.4 GHzZigBee 网络由一个协调器、多个路由器和多个终端设备组成，协调器是整个网络的中心，负责网络的维护和协调，路由设备负责网络中数据包的路由选择，并用来扩展网络范围，终端设备是实现具体功能的单元 ZigBee 网络可以实现星型、树型和网状型拓扑结构4 1.2监测系统组成系统由上位机、协调器、路由节点和终端节点组成，系统总体结构如图 1 所示 基于 ZigBee 技术的路由节点和终端节点分布于不同的监测区域，执行电流和温度数据的采集、预处理厦门理工学院学报2011 年和发送等工作，路由节

4、点除检测电流及温度参数外，还具有路由功能，转发其他传感器节点的数据包 ZigBee 协调器将接收到的各传感器节点检测的电流温度数据通过 RS485 接口传输到上位机，上位机将收到的各传感器数据进行处理和管理，并提供实时查询和越限报警等功能 系统的协调器、路由节点和终端节点均通过 PSoC5 芯片 CC2530 实现，路由节点和终端节点具有相同的硬件结构，为了叙述的方便，在下面的硬件设计中将这两者统称为检测节点2检测节点硬件设计2.1检测节点结构检测节点是该系统的基本单元，负责获取电流、温度数据，并将数据进行预处理，传输到协调器，拥有子节点的路由节点还具有路由的功能，转发子节点的电流和温度数据

5、检测节点由 PSoC 芯片 CC2530、线性电流传感器 ACS712、单总线温度传感器 DS18B20 和电源模块组成，节点的结构示意图如图 2 所示2.2主控芯片主控芯片 CC2530 是 IT 公司推出的基于 ZigBee/IEEE 802.15.4 标准的新一代 SoC 芯片，CC2530 集成了一个高性能的 RF 收发器和一个优化的低功耗 8051 微处理器，8 kB 的 RAM，多达 256 kB 的闪存，具有强大的外设，包括 8 路 7 12 位 ADC、2 个 USART 和 21 个通用 I/O 接口等，硬件支持 CSMA/CA，6 mm6 mm 的 QFN40 封装，允许芯

6、片无线下载，支持系统编程2.3电流温度检测模块节点中电流传感器采用 Allegro 公司的线性电流传感器 ACS712ELCTR 30A T，该器件工作电压为 4.5 5.5 V，最大工作电流 11 mA 图 3 为 ACS712 30A 输出电压与检测电流关系的特性曲线，在检测范围 30 A 内，几乎不受温度的影响 图 4 为 ACS712 30A 检测灵敏度与电流关系的特性曲线，输出灵敏度约为 66 mV/A图 5 为检测节点电原理图 图中仅给出一路电流和温度传感器，C1 用于噪声管理，提高输出的精度，被检测的电流由 ACS712 芯片的 1、2 端输入，3、4 端输出 VOUT 输出模拟

7、电压，该电压在指定的检测范围内和被检测的直流或交流电流 IP成线性关系，若检测的是直流电流，则 VOUT 输出一个与被测电流成线性关系的直流电压，若检测的是交流电流，则 VOUT 将获得一个频率与被测电流相同、幅度与被测电流成线性关系的交流电压 电流传感器 ACS712 的输出信号先通过 R1、R2分压，使输入A/D转换的电压和 ADC 的参考电压匹配，后经 D1 整流和 C2 滤波处理后输入 CC2530 的 P0_0 引脚进行A/D转换，由于 CC2530 的 P0_0 至 P0_7 引脚都可用作 ADC 输入，所以一个节点最多可带 8 路电流传感器06第 3 期董建怀:基于 CC2530

8、 的电流及温度监测系统的设计与实现通过设置 CC2530 的 ADCCON2.SCH 位使节点的转换通道序列为 AIN0 AIN7、单端输入，设置ADCCON2.SREF 选择 一 个 内 部 生 成 的 电 压（1.8 V）作 为 A/D 转 换 的 正 参 考 电 压，设 置ADCCON2.SDIV 选择转换抽取率为 256（10 位有效数字），通过置位 ADCCON1.ST 开启转换，读取ADCCON1.EOC 位可判断转换是否完成，读取 ADCCON2.SCH 位，将指示转换在哪个通道上进行，通过读取 ADCH 和 ADCL 两个寄存器可获得 A/D 转换的补码形式的结果 由于 ADC

9、 采用 256 抽取率，量化单位 =1.76 mV，小于 ACS712 输出灵敏度66 mV，所以 A/D 转换不影响电流检测的精度 ADC 采用256 抽取率时，执行一个转换所需的时间 TCONV=（抽取率+16）0.25 s=68 s，满足使用要求图 5 中，DS18B20 为 Dallas 公司的 1 Wire 总线温度传感器，采用外接电源的方法供电，其它路的 DS18B20 可直接与该温度传感器并接，DS18B20 支持+3 V +5.5 V 的电压范围，温度测量范围55 +125，测量精度 0.5，最大工作电流 4 mA，静态电流3 A节点使用一个外部32MHz 振荡器 XTAL1，

10、32.768 kHz 晶振 XTAL2 主要为休眠状态和精确唤醒时间提供时钟信号2.4无线传输模块综合考虑各种天线的性能，节点设计使用鞭状天线，CC2530 的射频信号是差分输出，而天线是单端输出3，需要一个平衡 不平衡变换器，图 5 中 C8，L2，C5 和 L1 构成巴伦电路 射频部分的电路设计是节点设计的重点与难点，在射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板是降低电磁干扰和提高抗干扰能力的有效手段，本设计在布线时采用以下方法:将外围器件紧密地分布在CC2530 的四周，并使用较小的封装，以尽可能地减少串拢和分布参数的影响，CC2530 暴露的衬垫可靠接地，敷铜板上没有布线的区域用铜填

11、充并接地2.5电源模块电源模块采用 MAXIM 公司的升压型 DC DC 芯片 MAX1675，MAX1675 采用 MAX 封装，具有高达94%的转换效率，输入电压范围为0.7 5.5 V 设计中，检测节点采用锂电池供电，利用两片 MAX1675分别输出+3.3 V 和+5 V 电压，其中+3.3 V 电压为CC2530 和 DS18B20 提 供 电 源，+5 V 的 电 压 为ACS712 提供电源 图 6 为输出+3.3 V电压的原理图，电池电压通过 L3 输入 MAX1675 的 LX 引脚，FB16厦门理工学院学报2011 年引脚接 OUT 端，若将 FB 引脚接地时，在 OUT

12、端即可获得+5 V 的电压 图 6 中电池电压经 R6，R7分压后输入到内部的电压比较器，当 LBI 小于1.3 V 即电池电压小于2.05 V 时，LBO输出低电平，否则输出高电平，MAX1675 的LBO引脚接至 CC2530 的 P1_1 引脚，用于对电池电压进行监控3系统软件设计软件部分采用 TI 公司提供的基于 ZigBee 标准的 Z Stack 协议栈，它包含了 ZigBee 标准描述的各层次的功能组件模块，向开发人员提供了一系列的 API 接口，通过调用这些 API 可实现 ZigBee 标准中各层次的相应功能 模块的任务调度具体方式是为需要实现的功能建立任务，且每一个任务有不

13、同的事件 运行时系统会不间断地轮询所有任务的标志位，若标志位有效，表明该任务有事件发生，调用任务事件处理函数，并在处理函数中根据标志位判断是什么事件发生，然后系统进行对应的操作并清标志位，如果同时有几个事件发生，先判断优先级，然后逐次处理事件 当没有任务事件发生时，系统进入低功耗模式，当有事件发生时，唤醒系统进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，这种软件构架可以极大地降低系统功耗ZigBee 协调器负责网络的组建，并对其它节点加入网络请示做出响应，负责通信链路及路由的建立以及数据包协议转换等6 协调器软件流程图如图 7 所示 协调器成功组建 ZigBee 网络后，将接收到的数据包按源节点

14、地址存储，并对数据进行处理后通过 RS485 接口发送至上位机检测节点负责采集、处理和发送电流温度数据，同时还转发其他传感器节点的电流温度数据 由于采用了 CSMA/CA 技术，所以可以让终端节点定时检测电流、温度信息，并发送节点数据，终端节点大部分时间处于休眠状态，处于休眠状态时，节点关闭无线通信模块和传感器模块，只保留 CPU 内部定时器和中断，以减少功耗 路由节点仅是在终端节点的功能上增加了一个数据汇集和上传功能，当中断接收到数据后，提取路由信息，建立路由表，并转发数据 图8 为电流温度路由节点的软件流程图26第 3 期董建怀:基于 CC2530 的电流及温度监测系统的设计与实现4性能测

15、试系统在福州某中波发射台进行测试，该台有两部发射功率为 600 kW 的 DX 型中波发射机，每部发射机均有5 个分布在不同区域的天线调谐室（1 个统调室和4 个分调室）、3 个高压配电室和1 个发射机冷凝设备，每部发射机有 3 个低压整流柜和 224 块功率模块，这些设备都是长时间工作的1 测试中在各个天线调谐室、高压配电室、和发射机冷凝设备（水泵）处，各放置一个温度检测节点，在发射机的低压整流柜和多个功率模块处放置电流及温度检测节点，协调器通过 RS485 接口与上位机通信 表 1 为室外温度 20.2 时一部发射机的若干检测节点的检测值与实测值的对比情况其中，检测值是指通过电流及温度监测

16、系统检测的结果，即系统的上位机显示的数据 实测值是指用专用仪器测得的数据，数据表明系统电流误差0.1 A，温度误差0.5，检测值与实测值之间的误差主要是传感器本身的误差，满足使用要求，此外测试还表明终端节点功耗低，系统可靠稳定，抗干扰能力强，能有力地保障安全播出表 1系统测试结果（室外温度:20 2）Tab.1System test results（out temperature:202）节点位置检测部位温度 T/检测值 实测值节点位置检测部位温度 T/检测值 实测值电流 I/A检测值 实测值天线主调室馈线接头35 635 8低压整流柜输出端接头44 645 019 719 7天线南分调室 A

17、 LC 接头37 037 3PB1 机柜功率模块 1 号29 329 58 18 1天线南分调室 B 接地端接头35 335 3PB1 机柜功率模块 20 号28 028 18 08 1天线北分调室 A 接地端接头34 935 2PB2 机柜功率模块 21 号30 030 47 97 9天线北分调室 B LC 接头36 837 0PB2 机柜功率模块 35 号28 128 58 28 1高压配电室B 相电缆接头51 551 8PB3 机柜功率模块 43 号29 530 08 28 2水泵水温41 441 7PB3 机柜功率模块 60 号29 129 58 58 45结语该系统结合现场应用条件，

18、无线传感器节点以基于 ZigBee 技术的 PSoC 芯片 CC2530 为核心，采用线性电流传感器 ACS712 和温度传感器 DS18B20 获取数据，电路结构简单，检测精度高，节点功耗低，系统实现了分布式节点电流及温度的实时监测，具有工作稳定可靠，无线通信灵活，使用方便等特点，可广泛应用于工业环境的电流及温度在线监测领域 参考文献 1 赵红艳 谈 DX 系列全固态发射机 J 内蒙古广播与电视技术，2009，26（4）:57-59 2 陆贵生，蔡声镇，苏伟达，等 高压开关触头温度实时无线监测系统的设计与实现 J 现代电子技术，2009，302（15）:108-111 3 赵海，赵杰，刘铮，

19、等一种无线传感器网络节点的设计与实现 J 东北大学学报:自然科学版，2009，30（6）:809-812 4 吕治安 ZigBee 网络原理与应用开发 M 北京:北京航空航天大学出版社，2008 5 王波，杨永明，汪金刚，等 基于 PSoC 的无线传感器网络节点设计 J 传感技术学报，2009，22（3）:413-416 6 贺玲玲 ZIGBEE 传感网络 CLUSTER TREE 改进路由算法研究 J 传感技术学报，2010，23（9）:1303-1307（下转第 73 页）36第 3 期陈建福:水性聚氨酯丙烯酸酯复合乳液的合成研究Synthesis of Waterborne Polyur

20、ethane-acrylate Composite EmulsionsCHEN Jian-fu（Department of Food and Biology Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000，China）Abstract:Polyurethane-acrylate composite emulsions were synthesized by seed swelling polymerizationwith aqueous polyurethane dispersion as seed，methyl m

21、ethacrylate and butyl acrylate as vinyl monomers Theinfluences of polymerization temperature，stirring rare，the species and content of initiator and the reaction timeon the polymerization process were investigated The results showed that the suitable polymerization temperaturewas 85 and the stirring

22、rare were between the 150 250 r/min;the initiating efficiency of the water-solubleinitiator was higher，and the optimum content of potassium persulphate was 0.8%The latex particle sizedecreased and then increased with the increase of reaction time In addition the arylate was found inpolyurethane-acry

23、late emulsion by FT-IRKey words:waterborne polyurethane;acrylate;composite emulsion;synthesis（责任编辑陆英英编辑李宁檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱）（上接第 63 页）Design and Realization of Current and TemperatureMonitoring System Based on CC2530DONG Jian-huai（Information Technology Department Concord C

24、ollege，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China）Abstract:A current and temperature monitoring system based on ZigBee technology is designed to real-timely monitor the work of the equipment，which is widely distributive，quantitive，capable of working long timeand in large current The wireless senso

25、r node in this system consists of ACS712，DS18B20 and PSoC CC2530The system which is featured with high precision，high reliability，low cost，easy installation and maintenance，and could be widely used in industry for on-line current and temperature monitoringKey words:current monitoring;ZigBee;PSoC;wireless sensor node（责任编辑陆英英编辑李宁）37