一个基于CC1310的无线测温系统的设计与实现

竺怿晨 杨翱翔 袁怀杰 王飞 孙玉昕

的重要一环，传统的测温系统存在测量周期长、安装复杂、不易管理维护等问题。对此，设计并实现了一个基于CC1310射频芯片的无线测温系统。采用 CC1310平台搭建了无线传感器测温节点和汇聚节点，测温节点获得数据后发送至汇聚节点，其通过串口连接至计算机查看数据。在硬件方面，传感器节点采用模块化设计，并使用周期性睡眠侦听的工作方式来降低能量消耗，延长使用寿命。

关键词：CC1310;传感器;温度测量;无线传输;传感器网络

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）15-0099-03

1 引言

在我国自动化技术不断发展的进程中，我国电力系统是发展较快的一个领域。电力系统的自动化，人工电力系统管理工作容错率较低，采用无线传感装置，相较于过去的监控管理装置而言具有较多的优点，其中较为明显的优点便是减少了线路的复杂性。在电力系统中，特别是高压输电线，如果线路较为复杂，在进行管理维护的过程中，会增加工作难度，而且具有较高的风险。相较于传统的感应装置，无线传感装置受损的可能性较小，而且传输数据也更加具有精确性。

社会电气设备的正常运行是人民正常生活的保障，设备的可靠性至关重要。众多企业提倡对设备进行预防性维护，而温度是预防性维护中最重要的监控参数，温度的过高或过低均意味着故障产生的可能性。实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段[1]。

同时无线传感器自身电压值的稳定也是十分重要的，自身电压过高或过低，都会导致传感器测量的不确定性，影响结果的正确性[2]。

基于此现状本文实现了一种无线温度检测系统，用于实时测量高压带电物体表面或接点处的温度，如高压开关柜内的裸露触点、母线连接处、户外刀闸及变压器等的运行温度[3]，同时也能实时检测传感器自身的供电电压值。其中传感器模块是由温度传感器、信号调制放大电路、逻辑控制电路、无线调制接口等组成。传感器将采集到的温度信号通过无线方式发送到管理终端。管理终端进行数据分析以掌握设备情况。

2 系统架构

无线测温系统的本质就是传感器检测电缆温度并周期性传送检测数据，并提供高温预警功能。系统主要由以下三个模块构成：信息采集传输模块、信息接收处理模块、数据显示模块。

其中信息采集传输模块是一个个独立的部件，也就是節点，需将其放置在合适的位置，比如绑在电缆上。其包含温度传感器、控制单元、射频单元、电源，负责收集电缆温度信息，信息在经过A/D转换等数据处理后通过无线射频方式发送。

信息接收处理模块就是一个汇聚节点，负责接收其网络下所属节点所发送的信息，在进行数据融合后通过串口将信息传输至主机。考虑到长距离的无线信息传输和低功耗的要求，在此采用CC1310作为核心芯片，使用长距离低速率模式，通信距离可达20 km[4]。其433MHz的低频通信穿透力强，功耗低，虽然速率较低，但是系统传输的数据较少，恰好符合本系统要求。

数据显示模块负责将信号强弱、电缆温度、节点剩余电量等信息显示在屏幕上。

基于CC1310的无线传感系统架构如图1所示。

系统主要工作流程如下：在系统启动后各个节点加入网络，形成一个连通的网络拓扑。节点收集信息，在经过ADC后通过射频方式将信息传输至汇聚节点，汇聚节点在进行数据处理后将数据通过串口传送至主机，主机通过安装相应驱动即可对数据进行译码从而显示在屏幕上。

3 硬件设计

经过系统架构的分析，进一步简化系统，本系统硬件部分主要由无线温度传感器和外嵌接收模块两部分组成，另设数据显示模块方面调试和使用。结构原理图如图2所示。

如上图所示，首先由无线温度传感器实时获取被测部位的当前温度和传感器自身的供电电压值，并将所检测到的数据全部通过无线网络发送到外嵌接收模块。然后由外嵌接收模块的传感器控制模块接收数据，并通过串口通信将数据实时地显示在电脑上。

3.1 无线温度传感器

本系统使用的温度传感器有三种。

有源式无线温度传感器，通过USB接口供电。其温度测量范围为-25～+125℃，测量精度为±1℃，温度采样频率为5分钟（默认），无线频率为2.4GHz/433MHz，无线传输距离为≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），电池使用寿命为8年。

无源式无线温度传感。其传感器结构分为：硅胶表带（模块主体）、取电合金片（用于感应取电）、传感器温度探头（贴紧被测温部位，检测测温部位温度）。其温度测量范围为-25～+125℃，测量精度为±1℃，温度采样频率为10秒（默认），无线频率为2.4GHz/433MHz，无线传输距离为≤10 米（2.4GHz）/≤200 米（433MHz），工作电源为感应取电，启动电流须>8A。

表带式微型无源无线温度传感器。其传感器结构分为：硅胶表带（模块主体）、后盖片（感应温度）、取电合金片（用于感应取电）。其温度测量范围为-25～+125℃，测量精度为±1℃，温度采样频率为20秒（默认），无线频率为2.4G/433MHz，无线传输距离为≤10米（2.4GHz）/≤200米（433MHz），工作电源为感应取电，启动电流须>5A。

3.2 外嵌接收模块

外嵌接收模块采用的是德州仪器公司生产的 CC1310器件。该器件包括主CPU，射频核心，传感控制器和通用外围组件。其结构框图如图3所示。

其中主CPU是搭载性能强大的ARM®Cortex®-M3处理器，超低功耗射频收发器搭载ARM®Cortex®-M0处理器，具有出色的接收器灵敏度。另外，该器件的传感控制器（SC）是CC1310独有的一个部分， SC可通过单独编程利用传感阈值数据唤醒主控制器进行工作，非常适合低功耗传感系统的应用[5]。

根据德州仪器公司官方给出的 433MHz下的CC1310芯片射频收发线路推荐匹配电路进行设计，结果如图4所示。

3.3 数据显示模块

数据显示模块主要采用了CH340E芯片，它是一个支持USB2.0协议的USB转UART串口芯片，内置时钟晶振，外围电路简单，相比于同型号的其他封装类型更省体积。为使电脑能识别该芯片传输的数据，电脑需安装CH340驱动。配合使用相应软件即可显示温度传感器收集的数据。该部分电路图如图5所示。

3.4 电源模块

电源模块负责温度传感器和外嵌接收模块的供电，温度传感器和外嵌接收模块是两个独立器件，其中数据显示模块内嵌在外嵌接收模块中。

在日常生活中，常见的低压供电方式大多为5V，而在本次设计中芯片工作电压大都在5V以下。如CH340E工作电压为3.3V/5V，CC1310工作电压为1.8 至 3.8V。对此需使用低压降稳压器，提供稳定的直流电压电源，在此选择了德州仪器的TPS73663超低压降稳压器，其具有反向电流保护功能和使能功能、精度高、稳定性好、安全性强、功耗低（关机模式电流低于1 μA）。降压电路如图6所示。

4 软件设计

本系统的软件主要包括数据收集模块，数据处理模块和射频处理模块等。如图7所示，软件基于TI-RTOS操作系统实现。TI-RTOS是一种旨在为实时应用程序过程数据提供服务的操作系统，通常没有缓冲延迟[6]。

本系统的主要流程如图8所示，分为电压检测，温度检测和射频任务三个部分。

如上图所示，首先系统初始化，然后执行电压检测、温度检测和射频任务。只有当供电电压符合要求时才会进行温度检测，否则睡眠进行等待;当进行温度检测时，电脑上会实时显示数据，然后由CC1310的传感器控制模块进行温度检测，低于报警温度时，继续温度检测，否则触发射频任务;当进行射频任务时，会首先唤醒主CPU，并将RF Core初始化，然后主CPU向RF Core发送命令，RF Core处理完数据后将其返回给主CPU，然后触发报警系统，完成报警后便关闭RF Core，继续进行温度检测，以达到低功耗的目的。

5 实现结果

最终成品如图9所示，左侧为外嵌接收模块，右侧为传感器及射频电路。

本系统的运行结果如图10所示。

收到5个字节，其中第1，2 个字节为传感器地址，第3，4个字节为温度数据 ，第5字节为无线信号强度RSSI，例如其中接收到的数据为FA 57 20 10 DF，则FA 57 为传感器地址，0x2010 为温度，十进制表示为8208，每攝氏度的刻度为256，所以用十进制的摄氏度表示为8208/256 =32.0625°C，信号强度为DF，为有符号数，换算成10进制就是-33，含义为接收射频信号强度-33dbm。

6 结束语

本文研究了一种基于CC1310的无线测温系统，论述了温度测量及无线传输的软硬件方案设计。硬件部分包括温度传感器，接收模块和显示模块;软件部分包括数据的收集处理和芯片上的运行逻辑。搭建了测试系统，结果表明系统能够采集到温度信息，并有着1℃的精确度和较低的传输时延。本系统还具有一定的扩展能力，最大能够支持255节点的无线传感网络。该系统的各项技术指标均达到了相关的设计要求，具有较高的应用价值。

参考文献：

[1] 覃浩.无线式温度在线监测预警系统在电力系统中的应用[D].广州：华南理工大学，2012.

[2] 李永成，凌青，石春，等.无线传感器网络节点的电压监测[J].传感器与微系统，2012，31（6）：140-142.

[3] 薛鹏.电力系统热故障无线监测技术的应用[J].中国设备工程，2009（11）：20-21.

[4] 王栋，王虎，姜迁里.基于6LoWPAN的低功耗长距离海洋环境监测系统[J].计算机科学，2020，47（S1）：596-598，615.

[5] 倪扬扬.基于CC1310的感应供电式电缆无线测温系统设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2021.

[6] 胡枫林，姚骏.低功耗无线温室环境监测仪的研究[J].工业控制计算机，2019，32（3）：83-84，87.

【通联编辑：梁书】