一種低功耗高精度的NB-IoT溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

呂 衛(wèi),趙佳麗

(天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,天津 300072)

溫度傳感器廣泛應(yīng)用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)[1-2],用電設(shè)備以及電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控[3-5],養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)[6-7],倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)控[8-9],醫(yī)療[10]和氣象預(yù)測(cè)[11]等領(lǐng)域。目前溫度監(jiān)測(cè)主要有3種方式,一是人工監(jiān)測(cè)方式,此方式通常要求工作人員手持測(cè)溫器件定期的查看并記錄溫度值,耗時(shí)費(fèi)力,誤差較大,不能對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;二是采用有線傳輸?shù)臏囟缺O(jiān)控系統(tǒng),此方式一般布線較為繁瑣,移動(dòng)不方便,在測(cè)量環(huán)境惡劣時(shí)精度較差;三是采用無(wú)線溫度傳感器系統(tǒng),此方法具有放置靈活、移動(dòng)方便、可實(shí)時(shí)監(jiān)控等諸多優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,許多溫度采集的環(huán)境十分復(fù)雜,比如高壓帶電體的溫度測(cè)量[5]、野外、物體內(nèi)部[12]或高溫[13]等,需要采用電池供電的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)。

自2010年我國(guó)將物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以來(lái),物聯(lián)網(wǎng)得到了迅猛的發(fā)展。目前低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)LPWAN(Low Power Wide Area Network)的新型接入設(shè)備主要有兩大類,一類是Semtech主導(dǎo)的主要工作在1 GHz以下非授權(quán)頻段的LoRa(Long Range)技術(shù),另一類是華為主導(dǎo)的主要工作在1 GHz以下授權(quán)頻段的基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)[14]。本設(shè)計(jì)采用基于NB-IoT 技術(shù)的BC95-B5無(wú)線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量,使用具有高精度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)的PT100鉑電阻為溫度傳感器。雖然鉑電阻本身的誤差已經(jīng)很小,但只有結(jié)合高精度采集系統(tǒng)才能獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)[15],所以本設(shè)計(jì)中使用具有高精度、低功耗、抑制噪聲的24位AD7794為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,使用具有高穩(wěn)定性、低功耗的8位的PIC18F24K22為核心控制器,模數(shù)轉(zhuǎn)換器件通過(guò)SPI總線與控制器連接,具有較好的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)的溫度精度高于0.04 ℃,在高精度需求的溫度采集中有較好的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線通信模塊和中央處理器構(gòu)成。系統(tǒng)使用內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集,并將處理好的數(shù)據(jù)按照固定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器中,每隔1 h中央處理器使用BC95-B5模塊將數(shù)據(jù)按照事先定義好的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到指定的服務(wù)器。系統(tǒng)采用電池供電,供電電壓為3.3 V,由于在實(shí)際應(yīng)用中不能頻繁的更換電池,所以系統(tǒng)要做到低功耗。

圖1 系統(tǒng)框圖

PT100溫度傳感器模塊,主要完成環(huán)境溫度的采集。PT100是RTD(Resistance Temperature Detector)的一種,測(cè)溫范圍在-200 ℃至650 ℃[16],PT100鉑電阻具有高穩(wěn)定性、線性度較好和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。PT100是使用電阻值測(cè)溫的,其電阻值會(huì)隨著被測(cè)物溫度的變化而變化,使用已知大小的恒定電流通過(guò)PT100可在其兩端產(chǎn)生壓降,通過(guò)測(cè)量PT100兩端的壓降就可以得到PT100此時(shí)的電阻值,再根據(jù)PT100電阻與溫度的關(guān)系就可以推斷出被測(cè)物的溫度。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是,將PT100兩端的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并為鉑電阻和精密參考電阻(5.11 kΩ,0.1%的精度)電路提供高精度恒流源激勵(lì)。AD7794是24位6通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有低功耗、高精度、抑制噪聲等優(yōu)點(diǎn)。AD7794的工作環(huán)境溫度范圍為-40 ℃到+125 ℃,可采用2.7 V至 5.25 V 的單電源供電,正常工作時(shí)的全功耗電流只有400 μA,省電模式下的功耗電流低于1 μA,因此AD7794適用于低功耗的測(cè)量系統(tǒng)。AD7794內(nèi)置兩個(gè)電流大小可調(diào)的恒流源,可為外部接入器件提供激勵(lì)電流。AD7794內(nèi)部集成了低溫漂、低噪聲、放大倍數(shù)可調(diào)的儀表放大器,在輸出更新速率為4.7 Hz時(shí)噪聲為40 nV,因此可以直接處理輸入的小信號(hào)。

中央處理單元PIC18F24K22主要用于完成溫度信號(hào)的采集和處理,并將處理好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部的存儲(chǔ)模塊,PIC18F24K22控制器通過(guò)BC95-B5模塊發(fā)送到指定對(duì)象,使用內(nèi)部定時(shí)器控制,每隔1 h發(fā)送一次。系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定可通過(guò)用戶使用連網(wǎng)設(shè)備發(fā)送給中央處理器的指令來(lái)完成。PIC18F24K22是一款高性能、低功耗的8位單片機(jī),支持外部中斷喚醒和定時(shí)器喚醒,休眠模式的功耗電流低于20 nA,可使用2.3 V至5.5 V的單電源供電,本設(shè)計(jì)采用3.3 V電源供電。PIC18F24K22處理器具有兩個(gè)同步串口(MSSP)和一個(gè)增強(qiáng)型異步串口(EUSART)。

NB-IoT構(gòu)建于窄帶(200 kHz)的蜂窩網(wǎng)絡(luò),并對(duì)LTE通信協(xié)議和信令進(jìn)行了優(yōu)化,在用戶數(shù)據(jù)包中加入傳輸信息,在空閑狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),不需要經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)請(qǐng)求,直接建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT采用了覆蓋增強(qiáng)技術(shù),在相同的頻率段下,比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提高了20 dB,即覆蓋能力提高了100倍;支持海量的接入設(shè)備,支持低延時(shí)靈敏度,可直接部署于現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò),例如GSM網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)或者UMTS網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)超低成本的平滑升級(jí);模塊具有功耗低的特點(diǎn),省電模式下功耗電流低至3.6 μA,終端的待機(jī)時(shí)間更久;模塊的成本較低,價(jià)格低于5美元。本設(shè)計(jì)中BC95-B5無(wú)線通信模塊主要用于接收用戶的命令和上傳采集信息。BC95-B5是一款基于NB-IoT技術(shù)的無(wú)線通信模塊,采用NB-IoT無(wú)線通信協(xié)議(3GPP Rel.13)與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備建立連接,主要工作在850 MHz的授權(quán)頻段[17]。BC95-B5模塊采用了省電技術(shù),即模塊與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求建立連接時(shí),會(huì)在請(qǐng)求信息內(nèi)帶有請(qǐng)求進(jìn)入省電模式消息,網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)答消息包含了定時(shí)器的配置消息,并同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器,當(dāng)定時(shí)器超時(shí)時(shí),模塊進(jìn)入省電模式。

2 關(guān)鍵問(wèn)題解析

2.1 PT100測(cè)量精度

鉑電阻(PT100)接入電路方式有兩線制、三線制和四線制。其中四線制的連接法精度最高,可以消除來(lái)自連接導(dǎo)線產(chǎn)生的壓降[18-20]。

根據(jù)焦耳定律

W=I2R

(1)

可知,激勵(lì)電流越小電阻產(chǎn)生的自熱量越小,測(cè)量精度越高。但激勵(lì)電流過(guò)小,AD7794可能無(wú)法轉(zhuǎn)換PT100兩端的微小電壓差。針對(duì)上述問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用AD7794內(nèi)部?jī)蓚€(gè)210 μA的恒流源并聯(lián)為PT100提供恒定的激勵(lì)電流。根據(jù)PT100的溫度和電阻關(guān)系參考曲線,1 Ω的阻值變化對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度變化為0.385 1 ℃。對(duì)處于25 ℃的PT100電阻值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得出的溫度結(jié)果為25.244 9 ℃,誤差大于0.2 ℃,不能滿足設(shè)計(jì)對(duì)高精度的要求。所以本設(shè)計(jì)分別對(duì)大于等于0 ℃和小于0 ℃溫度兩部分,使用MATLAB進(jìn)行多項(xiàng)式擬合出電阻和溫度的多項(xiàng)式計(jì)算公式,結(jié)果如式(2)所示:

(2)

式中:系數(shù)分別為A1=-3.9×10-7,B1=1.3×10-3,C1=2.3,A2=1.3×10-3,B2=0.47,將25 ℃時(shí)的PT100的電阻值代入式(2)得到結(jié)果為25.000 2 ℃,誤差為0.000 2 ℃,相比于線性近似計(jì)算公式精度大幅度提高,滿足高精度的測(cè)量系統(tǒng)需求。

2.2 AD7794誤差消除

本設(shè)計(jì)中使用磁珠將數(shù)字地和模擬地分離,數(shù)字地和模擬地采用一點(diǎn)連接,防止了數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)間的相互干擾。在AD7794的模擬輸入AIN3+和AIN3-端加入濾波電路,如圖2所示,R153與C42、R154與C43、R155與C45以及R157與C47分別構(gòu)成了濾波電路,有效的減小了噪聲的干擾。為了提高AD7794的轉(zhuǎn)換精度,本設(shè)計(jì)采用精密電阻法為AD7794提供參考電壓。將精密電阻和一個(gè)250 Ω的接地電阻與PT100串聯(lián),精密電阻接在AD7794的REFIN1兩端提供外接參考電壓。在使用緩沖模式時(shí),基準(zhǔn)電壓的輸入范圍在(GND+0.1V)至(AVDD-0.1 V)之間,250 Ω的接地電阻為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供正常工作所需的裕量(0.105 V=250 Ω×420 μA))。

圖2 AD7794電路設(shè)計(jì)

根據(jù)歐姆定律串聯(lián)電路中電流處處相等,可得式(3):

(3)

由式(3)可得

(4)

由式(4)可以看出,精密電阻法的測(cè)量結(jié)果與激勵(lì)電流無(wú)關(guān),因此可以消除電流波動(dòng)對(duì)PT100測(cè)量精度的影響。

2.3 AD7794降低功耗操作

如圖3所示,為了保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794的正確工作,每次轉(zhuǎn)換工作前先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位操作,等待500 μs后初始化AD7794的配置。初始化主要完成AD7794的工作相關(guān)配置。包括使用REFIN1兩端的外接參考電壓源,使用內(nèi)部的恒流源IOUT2輸出大小為210 μA的激勵(lì)電流,數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模式和放大倍數(shù)以及使用的編碼方式也在初始化階段完成。由于電阻值恒大于零,AD7794的采集通道的模擬輸入電壓恒大于0,所以采用單極性編碼。考慮實(shí)際應(yīng)用中,數(shù)據(jù)的采集頻率比較低,所以采用單次轉(zhuǎn)換模式,此模式在每次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)進(jìn)入省電模式,省電模式下AD7794的功耗電流低于1 μA,有效的延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

圖3 AD7794工作流程圖

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.4 低功耗設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)的采集速率一般都比較低,所以設(shè)計(jì)中使用Timer1控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)工作流程如圖4所示,每當(dāng)Timer1計(jì)時(shí)溢出觸發(fā)中斷時(shí),控制器PIC18F24K22控制溫度采集電路采集一次溫度,并根據(jù)AD7794返回的結(jié)果計(jì)算出PT100的電阻值和溫度值,并按照定義好的格式存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)芯片中,當(dāng)完成本次采集存儲(chǔ)工作后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)還使用了其他兩個(gè)定時(shí)器Timer0和Timer3,Timer0用于控制系統(tǒng)的關(guān)機(jī)時(shí)間,Timer3用于控制系統(tǒng)起始工作的時(shí)間。本設(shè)計(jì)支持用戶自定義系統(tǒng)的起始工作時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、工作間隔和上傳時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)上電初始化后,Timer3計(jì)時(shí)3 min,用于等待用戶的設(shè)定命令,若超時(shí)沒(méi)有收到用戶的設(shè)定信息,則系統(tǒng)立即以默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行工作,即以6 min為采集間隔,每隔1 h上傳一次采集數(shù)據(jù)的方式開(kāi)始工作,直到電池電量耗盡為止。在工作中如果Timer1定時(shí)觸發(fā)次數(shù)達(dá)到用戶的設(shè)定次數(shù),則中央處理單元PIC18F24K22通過(guò)BC95-B5模塊將上傳間隔內(nèi)存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)上傳到指定對(duì)象,上傳完成后,向BC95-B5模塊發(fā)送命令使模塊進(jìn)入省電模式。

4 測(cè)量結(jié)果

使用波動(dòng)范圍在0.005 ℃內(nèi)的高精度恒溫槽提供實(shí)際測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)溫度環(huán)境,驗(yàn)證系統(tǒng)的采集精確度和工作的穩(wěn)定性。在-40 ℃至150 ℃溫度范圍內(nèi)每隔5 ℃取一個(gè)待測(cè)量的溫度點(diǎn),對(duì)每一個(gè)溫度點(diǎn)分別采集三次,根據(jù)采集結(jié)果使用MATLAB繪制出第1次、第2次和第3次采集結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)溫度的曲線,如圖5所示。

圖5 測(cè)量結(jié)果

通過(guò)圖5可知第1次、第2次和第3次采集結(jié)果曲線幾乎完全重合,系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)定性。對(duì)第1次、第2次和第3次采集結(jié)果求平均值,得到被測(cè)物的平均溫度,測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測(cè)量結(jié)果 單位:℃

根據(jù)測(cè)量結(jié)果使用MATLAB畫(huà)出了測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度間的誤差絕對(duì)值,如圖6所示。圖6中隨機(jī)標(biāo)注了9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差絕對(duì)值,誤差絕對(duì)值的最大值為0.039 6 ℃,滿足系統(tǒng)高精度的要求。經(jīng)測(cè)量,系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)的電流小于12 μA,在溫度采集工作期間系統(tǒng)的消耗電流低于700 μA,符合低功耗的要求。

圖6 誤差曲線

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用高穩(wěn)定性的PT100鉑電阻為溫度傳感器,使用高精度、低功耗的AD7794模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用四線制消除了PT100連接導(dǎo)線的線電阻誤差,利用精密電阻法消除了恒流源的波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。使用AD7794內(nèi)部210 μA的恒流源為PT100供電,減小了電阻的自熱效應(yīng),同時(shí)保證了微小電壓差的采集,并利用MATLAB擬合出電阻和溫度間的高精度轉(zhuǎn)換公式,提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度。經(jīng)驗(yàn)證,系統(tǒng)的精度高于0.04 ℃,穩(wěn)定性高,系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的消耗電流低于700 uA,適用于復(fù)雜環(huán)境,現(xiàn)已應(yīng)用到實(shí)際的采集項(xiàng)目當(dāng)中。

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