Z-Stack通信協(xié)議棧的紅外地溫采集電路設(shè)計(jì)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 王 欣

我國(guó)早年進(jìn)行氣象觀測(cè)時(shí)，由于技術(shù)限制，只能選擇人工觀測(cè)，在很多時(shí)候都需要依賴經(jīng)驗(yàn)，因而在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面略顯不足，而當(dāng)前伴隨微電子技術(shù)的快速進(jìn)步以及各類傳感器的研發(fā)，氣象觀測(cè)方式已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)化為自動(dòng)觀測(cè)。傳感器設(shè)備不斷應(yīng)用在氣象觀測(cè)中，智能化技術(shù)也在逐步作為技術(shù)支撐，對(duì)于氣象要素實(shí)測(cè)已經(jīng)開始采用智能傳感器設(shè)計(jì)方案。對(duì)地表下墊面進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，利用ZigBee這一軟件當(dāng)中的Z-Stack通信協(xié)議棧對(duì)地表溫度進(jìn)行采集的主要設(shè)計(jì)構(gòu)想便是將差分與單端電壓兩種采集電路進(jìn)行有效結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)智能紅外溫度采集與存儲(chǔ)。這整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，有兩個(gè)問題需要特別注意，首先便是設(shè)計(jì)中所使用傳感設(shè)備要嚴(yán)格與IEEE1451傳感器的接口要求相匹配，另一方面需要注意設(shè)計(jì)得到的系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格符合地面氣象觀測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于該設(shè)計(jì)主要進(jìn)行地表溫度觀測(cè)，因此在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須充分考慮地面氣象觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)，盡可能滿足地面觀測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性要求。

1 紅外地溫采集電路總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外地溫采集電路在進(jìn)行總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證各個(gè)處理模塊的高性能，因此針對(duì)于數(shù)據(jù)處理協(xié)調(diào)部分所采用的核心處理器為性能非常良好的射頻收發(fā)處理設(shè)備，另外該設(shè)備的成本較低，可以有效減少采集電路的整體設(shè)備費(fèi)用。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該地表溫度采集電路的組成部分包括有MCU核心電路、外部時(shí)鐘電路、智能紅外信號(hào)采集電路以及通信軟件系統(tǒng)四個(gè)部分。這四個(gè)部分在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)互相干擾，而是選擇獨(dú)立模塊，并針對(duì)各部分模塊分別開展更新與測(cè)試，以及后期的維護(hù)工作，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅使得采集電路的穩(wěn)定程度大大增加，還加強(qiáng)了各部分電路的工作效率，提升了智能采集電路在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的容錯(cuò)率。

圖1 智能紅外地溫采集電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.1 MCU核心電路

MCU核心電路是在進(jìn)行紅外地溫檢測(cè)的氣象指標(biāo)智能化傳感系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，主要功能包括對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)各個(gè)部分電路實(shí)現(xiàn)信息交流，并對(duì)各電路的功能運(yùn)轉(zhuǎn)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與調(diào)度，除此之外，該核心電路還能夠?qū)崿F(xiàn)電子數(shù)據(jù)表格當(dāng)中大量信息的處理以及存儲(chǔ)，因此該核心電路的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。該核心電路的根本組成成分便是CC2530最小系統(tǒng)，而該最小系統(tǒng)又主要由CC2530F256芯片以及相關(guān)射頻等電路共同組成。該芯片可以向MCU核心電路提供晶振，保障時(shí)鐘電路的正常運(yùn)行，若在MCU核心電路的輸入端添加去耦電容，則可大大增強(qiáng)紅外地溫采集系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1.2 外部時(shí)鐘電路

在進(jìn)行智能紅外地溫采集電路設(shè)計(jì)時(shí)，外部時(shí)鐘電路當(dāng)中最為核心的元件便是DS3231芯片，這一芯片同樣滿足采集電路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：高性能與低成本。該時(shí)鐘電路不僅能夠提供相當(dāng)穩(wěn)定的振蕩，并且經(jīng)過測(cè)試，其時(shí)鐘計(jì)時(shí)可以達(dá)到相當(dāng)高的精度，外部時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 紅外地溫采集系統(tǒng)外部時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

2 紅外地溫信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集主要用到的電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器通常采用CPU外置的方式，不僅具有超低能耗，還能夠有效減少溫度采集過程當(dāng)中產(chǎn)生的噪音干擾，采集到的溫度信號(hào)精度非常高，能夠有效的進(jìn)行前端模擬，且僅差分模擬通道電路就有三個(gè)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)通過電路的電流僅僅只有400μA。除此之外，增益儀表放大器以及電壓發(fā)生器、基準(zhǔn)電流源以及電壓源均可編程，在傳統(tǒng)采集電路的基礎(chǔ)上加入了智能化因素，使得整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性得到更高強(qiáng)度的保障。在進(jìn)行地表溫度信號(hào)采集時(shí)，主要將差分與單端電壓兩種采集電路進(jìn)行有效結(jié)合。在采集系統(tǒng)中保障采集精度的主要設(shè)備便是紅外溫度傳感器，當(dāng)前使用最為廣泛的型號(hào)便是IRR-P，在這一傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器當(dāng)中加入一個(gè)電壓跟隨器，以提升模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，進(jìn)而提升信號(hào)放大增益，保障信號(hào)質(zhì)量。該傳感設(shè)備的主要組成部分包括熱點(diǎn)堆以及熱敏電阻，這兩部分在輸出時(shí)信號(hào)單位均為毫伏電壓，另外為避免傳感器體溫可能會(huì)對(duì)所測(cè)量溫度造成的影響，必須對(duì)傳感器溫度進(jìn)行部分修正。熱點(diǎn)堆與熱敏電阻的作用并不相同，熱點(diǎn)堆在該地溫采集系統(tǒng)當(dāng)中的主要作用是對(duì)不同墊層地表溫度進(jìn)行測(cè)量與記錄，而熱敏電阻的主要功能則是對(duì)傳感器自身體溫進(jìn)行測(cè)定，為后續(xù)的地表溫度修正過程奠定基本的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 紅外地溫采集電路軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Z-Stack通信協(xié)議棧程序設(shè)計(jì)主要采用的程序語(yǔ)言為C語(yǔ)言，并以IAR作為基本開發(fā)平臺(tái)，并采用ZigBee通信軟件當(dāng)中的Z-Stack通信協(xié)議棧作為基本工具，來(lái)實(shí)現(xiàn)地溫采集電路系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。

3.1 Z-Stack通信協(xié)議棧程序設(shè)計(jì)

通信協(xié)議棧的主要作用是對(duì)采集電路的通信工作進(jìn)行協(xié)調(diào)與整合，描述采集電路中硬件部分與軟件部分如何進(jìn)行層級(jí)協(xié)作。ZigBee這一通信軟件中使用的通信協(xié)議棧便是Z-Stack，這一協(xié)議棧主要結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式為功能分層。智能紅外地溫采集電路得到傳感溫度數(shù)據(jù)之后，協(xié)議棧當(dāng)中的第三分層協(xié)調(diào)器就可將溫度信號(hào)進(jìn)行排序，并按照由高層至底層的順序使信號(hào)從各個(gè)協(xié)議層之間通過，并在每一協(xié)議層當(dāng)中添加質(zhì)量控制信息，由主采集器對(duì)輸出的各項(xiàng)氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析與整合。

3.2 傳感器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

地溫采集電路當(dāng)中的傳感器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)部分的主要功能包括：對(duì)外部時(shí)鐘電路進(jìn)行保護(hù)、對(duì)地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理以及存儲(chǔ)。在進(jìn)行溫度采集時(shí)應(yīng)用到的狀態(tài)共有四種，分別是空閑、采集、完成以及復(fù)位，以上四個(gè)狀態(tài)完成則代表一個(gè)周期的地表溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)束。對(duì)于采集電路得到的具體溫度信息，對(duì)其采取一定的算法便可以獲取到具體對(duì)應(yīng)的氣象要素?cái)?shù)值，對(duì)該數(shù)值再進(jìn)行質(zhì)量控制算法的應(yīng)用，便可將該數(shù)值輸出，并按照輸出值得到對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位編碼。

結(jié)語(yǔ)：采用Z-Stack通信協(xié)議棧進(jìn)行智能紅外方式的地表溫度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟非常復(fù)雜，在進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集時(shí)，首先應(yīng)用采集系統(tǒng)的串口軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試與校正，若通過系統(tǒng)測(cè)量后結(jié)果同設(shè)計(jì)要求相一致，則該采集電路便可以正常的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行溫度信息輸出。為保障該智能紅外系統(tǒng)能夠具有更高的可靠性與實(shí)時(shí)性，在設(shè)計(jì)時(shí)便將傳感器技術(shù)以及智能化技術(shù)融入其中，加強(qiáng)采集電路對(duì)于各項(xiàng)氣象要素的敏感程度以及監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)，并對(duì)地表各個(gè)墊層的溫度資料進(jìn)行完善。