传感器智能采集传输控制系统的研究与设计

摘要：文中介绍了一种传感器智能采集传输控制系统的设计。该设计由基于CC2530芯片的ZigBee无线组网传输的智能变送器模块、基于STM32F103ZET6嵌入式微控制器为核心的串口设备联网模块和上位机软件组成。根据IEEE1451标准中电子数据表格(TEDS)的研究而设计的智能变送器模块，能够自动识别传感器终端结点采集到的信号(电阻、电压、频率、开关量等)。该系统支持气象要素传感器的热插拔、即插即用和自动识别等功能，具有串口联网的功能，并能够通过光纤传输对传感器设备进行远距离的控制，实现数据长距离可靠传输。

关键词：智能传感器;Zigbee;双向透明数据传输;自动识别;IEEE1451协议

传感器的智能化、网络化发展已经是智能传感器研究的趋势。如何实现传统的传感器信号更方便快捷地接入网络，实现传统的传感器网络化、智能化采集传输和控制是本文研究的重点。本文介绍了一种传感器智能采集传输控制系统设计的方案，并按照此方案实现了对常规气象要素信号的智能化采集、远距离传输和指令控制，同时也实现了智能变送器模块(STIM)的即插即用和自动识别，串口设备联网模块的以太网和串口信号(RS-232/422/485)双向透明传输，并在上位机终端显示界面实现了对传感器采集到的信号的历史存储、指令控制和实时显示。

1 系统总体方案设计

系统主要由智能变送器模块、协调器模块、串口设备联网模块和上位机终端控制软件4部分组成。如图1所示。传感器信号(电阻、电压、频率、开关等)经过智能变送器模块

(STIM)识别与处理后由Zigbee无线组网传输至协调器模块，之后由协调器模块传递至串口设备联网模块的一个串口，而后经串口设备联网模块内部移植 uCOS—II实时嵌入式操作系统实现多任务间消息地传递，将串口接收到的传感器信号传递给LwIP网络协议栈，然后通过网络协议栈与终端上位机软件之间的编写的通信协议，将信号经以太网、光纤或是无线方式(可扩展)传递到终端控制的上位机，最终在控制终端通过发送相应的指令实现对传感器信号的采集传输和控制。

 

2 系统硬件设计与原理分析

本设计的硬件系统主要分为两个部分，即智能变送器(STIM)模块的硬件电路以及串口设备联网模块的硬件电路。

2.1 STIM模块的硬件电路设计

STIM模块的硬件采用CC2530芯片作为MCU，结合常规气象要素传感器信号的高精度测量电路，实现模块的低功耗、小体积、低成本与高性能。该模块主要包含3个部分：MCU核心模块、传感器信号采集模块以及通信模块。如图2所示。

2.1.1 电源电路及CC2530最小系统电路

本系统中采用的电源均为12 V输入，通过二级降压，给整个系统各个模块进行供电。第一级降压将输入的直流电压降到+5 V;第二级降压均将+5 V降为+3. 3 V，分别作为模拟电源和数字电源。在测量模拟信号时，可以减少数字电源的杂波串扰到模拟电源中，进而提高测量精度。CC2530的最小系统主要包括MCU、JTAG下载电路、LED指示灯、拨码盘及必要的外围电路等。

2.1.2 信号调理电路

电路设计上将温度和湿度的采集放到一起，整体作为一类传感器。温度输出信号为4线制铂电阻信号，通过恒流源驱动产生与温度相对应的电压，再通过16位AD对电压进行测量;湿度信号为0到1 V的电压信号，可直接用AD测量。风速电路待测频率信号范嗣为0到1221 Hz。

雨量传感器为翻斗雨量传感器，输出信号为开关量信号，可使用MCU的外部中断进行测量。雨量信号与风速信号都通过74HC14进行脉冲整型后再送入相应的采集通道，因此采用相同的采集电路。湿度和雨量信号调理电路如图3所示。

 

2.2 通信电路设计

STIM模块的通信主要支持3种方式，即RS-232、485以及ZigBee通信。在电路设计上预留ZigBee核心板接口，通过TIL转ZigBee 的方式来实现ZigBee通信。MAX3223芯片可以支持两个UART通道，并且可以通过软件编程进入低功耗模式，在接收到数据时自动被唤醒，降低系统功耗。

2.3 串口设备联网模块的硬件电路设计

串口设备联网模块主要实现与多个STIM模块通信、其它串口设备通信以及网络传输等功能，系统的核心采用ARMCortex—M3内核的 STM32F103ZET6芯片。本系统主要包括STM32最小系统、电源电路、通信电路、下载电路等。STM32的最小系统主要包括MCU及必要的外围电路、LED指示灯、按键开关、Jtag下载电路等。在MCU的电源处添加了去耦电容，以增加系统稳定性。

2.3.1 串口通信模块电路

通过SP339芯片实现串口接入信号(RS232、422或是485)与MCU信号(LVTTL电平信号)之间的相互转换，结合MCU程序和拨码开关，可以实现对接入信号的识别和数据的双向传输。如图4所示。

 

2.3.2 网络通信模块电路

网络通信模块电路设计上采用DM9000A+RJ45接口的方式，支持10/100M自适应PHY，其物理协议层接口支持5类非屏蔽双绞线。

3 系统软件设计与流程

3. 1 STIM数据采集处理主程序设计

传感器信号采集主要实现电阻、电压、频率、开关量等气象要素传感器常见信号的采集以及对指令的响应。如图5所示。

 

3.2 串口设备联网模块服务器主进程设计

服务器的主进程主要负责LwIP协议栈初始化、端口号和地址的绑定、监听特定的服务端口、创建进程响应客户端的连接请求和关闭等任务。如图6所示。

4 系统测试结果

本系统是在研究IEEE1451协议的基础上，根据协议标准，结合我国地面气象观测特点设计而成。通过分析记录测量值与实际值的对比分析得到：风速误差<0.5 m/s，风向误差<5°，温度<0.2℃，湿度误差<5%(相对湿度在80%以上)，湿度误差<3%(相对湿度在80%以下)，雨量误差<0.4 mm，气压误差<0.3 hPa。这表明实验所得结果达到我国地面气象观测所要求的标准。

5 结束语

随着时代的进步和科技的发展，将不同种类的传感器信号按照统一的标准接入传感器智能变速器模块，实现对传感器的自动识别和即插即用;将传感器采集的信号连入以太网互联网，实现对传感器采集设备的集中管理和远程控制;以及如何对采集数据进行稳定可靠的传输与存储，进而实现传感器采集、传输和控制模块的智能化、网络化和微型化，是传感器发展的趋势。本文设计了一种符合IEEE1451标准的传感器智能采集传输控制系统。该系统实现了对传感器的数据采集、数据传输、数据处理和远程管理控制，具有很广阔的应用前景。