基于CC的电流及温度监测系统的设计与实现_精品文档.pdf

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第19卷第3期厦门理工学院学报Vol19No32011年9月JournalofXiamenUniversityofTechnologySep2011收稿日期20110517修回日期20110628基金项目福建省教育厅B类科技项目（JB09092）作者简介董建怀（1971），男，讲师，硕士，从事电子自动化与通信研究E-mail:

djhgzssohucom基于CC2530的电流及温度监测系统的设计与实现董建怀（福建师范大学协和学院信息技术系，福建福州350007）摘要为了实时监控分布广、数量多、工作时间长和工作电流大的设备的工作情况，设计了由线性电流传感器ACS712、温度传感器DS18B20以及片上系统CC2530组成的无线传感器节点，利用ZigBee技术组建的电流及温度无线监测系统实验表明:

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10083804（2011）03005905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12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IEEE802.15.4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2.4GHzZigBee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41.2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/IEEE802.15.4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，8kB的RAM，多达256kB的闪存，具有强大的外设，包括8路712位ADC、2个USART和21个通用I/O接口等，硬件支持CSMA/CA，6mm6mm的QFN40封装，允许芯片无线下载，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ACS712ELCTR30AT，该器件工作电压为4.55.5V，最大工作电流11mA图3为ACS71230A输出电压与检测电流关系的特性曲线，在检测范围30A内，几乎不受温度的影响图4为ACS71230A检测灵敏度与电流关系的特性曲线，输出灵敏度约为66mV/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AIN0AIN7、单端输入，设置ADCCON2.SREF选择一个内部生成的电压（1.8V）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采用256抽取率，量化单位=1.76mV，小于ACS712输出灵敏度66mV，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）0.25s=68s，满足使用要求图5中，DS18B20为Dallas公司的1Wire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+3V+5.5V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4mA，静态电流3A节点使用一个外部32MHz振荡器XTAL1，32.768kHz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充并接地2.5电源模块电源模块采用MAXIM公司的升压型DCDC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0.75.5V设计中，检测节点采用锂电池供电，利用两片MAX1675分别输出+3.3V和+5V电压，其中+3.3V电压为CC2530和DS18B20提供电源，+5V的电压为ACS712提供电源图6为输出+3.3V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端即可获得+5V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1.3V即电池电压小于2.05V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ZStack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600kW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0.1A，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