基于Modbus協(xié)議的溫濕度傳感器的設(shè)計

嚴(yán)冬　黃麗　劉宇　龍國強(qiáng)

【摘 要】本文介紹了一種使用工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議——Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅鞴?jié)點(diǎn)。主要是傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路的設(shè)計，包含數(shù)據(jù)采集和處理電路等；軟件設(shè)計，包含溫濕度數(shù)據(jù)的采集和Modbus通信協(xié)議。最后對設(shè)計的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了射頻性能和傳感器精度的測試驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】Modbus協(xié)議；溫濕度傳感器；無線傳感器

0 引言

無論是在工業(yè)現(xiàn)場還是日常生活中，我們都需要對環(huán)境的溫濕度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。傳感器節(jié)點(diǎn)作為溫濕度監(jiān)測的終端，直接接觸被測環(huán)境，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。精度高、成本低、使用時限長、安裝方便是我們在設(shè)計中需要考慮的因素[1]。

本文綜合以上各個因素設(shè)計了一款使用Modbus通信協(xié)議和433MHz無線頻段的無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)成本和精度的因素，使用瑞士Sensirionn公司生產(chǎn)的SHT10傳感器，它可以同時測量溫度和濕度，且有較高的測量精度和簡潔的外圍電路。為了便于安裝，使用433MHz無線頻段作為傳感器節(jié)點(diǎn)的通信媒介，有較遠(yuǎn)的通信距離和穿墻能力，避免了有線通信電纜安裝的不便。

1 總體結(jié)構(gòu)

溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含傳感器數(shù)據(jù)采集、電源供電、主控芯片數(shù)據(jù)處理、無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)幾個部分。傳感器數(shù)據(jù)采集負(fù)責(zé)采集環(huán)境溫濕度的值，電源供電則是為傳感器數(shù)據(jù)采集、主控和無線通信芯片提供3.3V電壓電源，主控芯片主要是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理以得到實(shí)際的溫度和濕度的值，無線通信部分實(shí)現(xiàn)的是433MHz的通信頻段。

圖1 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計包含電源供電，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)收發(fā)幾個部分。電源供電部分主要是把3.7V電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，作為各個部分的供電電源，以及5V電源給電池充電兩個部分，使用Maxim公司的MAX8881作為3.7V轉(zhuǎn)3.3V的降壓芯片，MAX1555作為5VDC電源給電池充電的芯片；數(shù)據(jù)采集主要是對環(huán)境溫濕度參數(shù)的采集，使用Sensirionn公司生產(chǎn)的SHT10傳感器；數(shù)據(jù)處理主要是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算求值等，使用ST公司的STM32F103芯片；無線數(shù)據(jù)通信則是為傳感器節(jié)點(diǎn)提供一個數(shù)據(jù)通信的通道，使用TI公司的CC1101芯片。這里主要對數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

數(shù)據(jù)采集部分使用SHT10傳感器，它傳感器把傳感元件和信號處理電路集成在了一塊微型電路板中，輸出為完全標(biāo)定的數(shù)字信號。傳感器內(nèi)部包含一個電容性聚合體測濕敏感元件，一個用能隙材料制成的測溫元件，14位的A/D轉(zhuǎn)換器，串行接口電路。由此，傳感器具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性，并且響應(yīng)速度快、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。SHT10溫濕度傳感器測量溫度的范圍在-40～+123.8°C，測量濕度的范圍在0～100%RH；測量溫度的精度典型值為±4.5%RH，測量濕度的精度典型值為±0.5°C[2]。

圖2 SHT10典型電路

溫濕度傳感器SHT10一共有4個接口，分別是地（GND），雙向串行數(shù)據(jù)接口（DATA），串行時鐘輸入口（SCK）以及電源接口（VDD）。傳感器的電源供電電壓范圍為2.4-5.5V，這里使用3.3V電源。電源和地（即VDD，GND）之間需要加一個去耦濾波的電容，電容值為100nF。傳感器的典型應(yīng)用電路如圖2所示，傳感器的外圍電路采用I2C的總線形式，數(shù)據(jù)接口DATA接一個10KΩ的上拉電阻再與主控芯片相連進(jìn)行雙向通信，時鐘輸入口的信號來自主控芯片。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分包含溫濕度數(shù)據(jù)的采集、處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)和Modbus通信協(xié)議幾個部分。這里把數(shù)據(jù)的采集、處理以及收發(fā)統(tǒng)一到數(shù)據(jù)監(jiān)測，一并進(jìn)行闡述。

3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

數(shù)據(jù)監(jiān)測的整個過程是無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)上電初始化后，等待無線部分接受數(shù)據(jù)采集命令，收到采集命令后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，最后通過無線部分轉(zhuǎn)發(fā)出去，即完成了一次數(shù)據(jù)采集，整個過程的程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測的程序流程圖

3.2 Modbus通信協(xié)議

Modbus通信協(xié)議是一種工業(yè)現(xiàn)場通用協(xié)議，主要規(guī)定了應(yīng)用層報文傳輸?shù)母袷剑沟貌煌a(chǎn)廠商的設(shè)備可以連成網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控[3]。

Modbus協(xié)議可分為在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)與串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的是Modbus-RTU協(xié)議。Modbus協(xié)議使用的是客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）的通信模式，主站向從站發(fā)送請求的模式有兩種：單播和廣播，本文實(shí)現(xiàn)的是單播的模式。

Modbus通用幀即ADU應(yīng)用數(shù)據(jù)單元分為附加地址、功能碼、數(shù)據(jù)和差錯校驗(yàn)4個部分，其中功能碼和數(shù)據(jù)部分為PDU協(xié)議數(shù)據(jù)單元。從站地址和功能碼各一個字節(jié)，數(shù)據(jù)段最多252個字節(jié)，差錯校驗(yàn)2個字節(jié)。RTU幀還應(yīng)該注意的是不同的幀與幀之間至少3.5個字符的空閑，同一幀內(nèi)兩字符之間最多1.5個字符的空閑[4]。

傳感器內(nèi)部具體的Modbus通信協(xié)議的封包解包過程如圖4所示。

圖4 Modbus協(xié)議通信過程

4 測試結(jié)果

無線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)射頻性能的測試結(jié)果如表1，每次發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，有效傳輸距離可達(dá)到120米的情況下0%的丟包率，穿越兩層樓達(dá)到0%的丟包率（注：排除433MHz頻段其他設(shè)備的干擾）。

傳感器精度的測試，在同一環(huán)境情況下，使用市場上購買的手持紅外溫度儀與本文設(shè)計的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，溫度值的誤差保持在±0.5°C以內(nèi)。例如，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測值為21.2°C，手持紅外溫度儀為21.5°C，誤差為-0.3°C。傳感器精度測試結(jié)果如表2所示。

表1 射頻性能測試結(jié)果

表2 傳感器精度性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種使用Modbus通信協(xié)議的溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，給出了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件與軟件的設(shè)計方法，詳盡的介紹了傳感器數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計和Modbus通信協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn)過程，最后進(jìn)行了傳感器設(shè)備的測試。從測試結(jié)果看，設(shè)計的該款傳感器具有較遠(yuǎn)的通信距離和穿墻能力，并且具有較低的測量值誤差。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李品，孫周.SHT10傳感器在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（9）：136-138.

[2]瑞士Sensirionn公司.SHT10數(shù)據(jù)手冊[S].

[3]互動百科[OL].Modbus.

[4]GB/T19582.2-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范第2部分：Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南[S].2008.

[責(zé)任編輯：劉帥]