无线红外温度传感器的设计
摘 要：文章介绍了一种基于MLX90614ESF-BAA的无线红外温度传感器，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。文章主要给出了传感器的硬件电路设计及节点的软件设计。硬件设计主要包括电源电路，采集电路和无线射频电路，软件设计主要包括数据采集和通信协议的设计。最后对设计的传感器节点进行了射频性能和传感器精度的测试验证。
关键词：红外温度传感器；Modbus协议；433MHz无线通讯
引言
红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性好等特点，近年来常被应用于高精度无接触测量，在智能家居、智能电网、汽车电子等领域都有广泛的应用。
本文设计的传感器具体应用场景是配电室，用于测量线缆温度。本设计采用MLX90614BAA红外温度传感器，具有非接触，体积小、精度高，成本低等优点。传感器采集的数据通过工业现场总线协议――Modbus协议进行传输，并采用433MHz无线模块进行数据通信。无线通信方式，避免了有线通信电缆安装的不便，选用433MHz频段具有较远的通信距离和穿墙能力，适用于配电室这一特定应用场景。
1 无线频段的选取
结合传感器的具体应用场景的实际使用需要，综合考虑耗电量、传输距离、数据速率、安全性和成本等因素，本设计的无线通信频段选用433MHz。由于配电室环境复杂，设备装置多，数据传输的路径弯曲程度大。在相同的弯曲度路径情况下，433MHz的无线射频衰减率为：0.577dB/m；915Mhz的无线射频衰减率为：0.676dB/m；2.4G的无线射频衰减率为0.761dB/m。由此可见：无线设备工作在433MHz频段更有利于在弯曲路径时的通信。在芯片的选型上遵循低功耗，低成本，微型化的原则，因此本文中设计的传感器采用CC1101芯片。
2 硬件设计
无线红外温度传感器的硬件设计包含电源供电电路，数据采集电路，无线数据传输模块电路几个部分。
电源供电部分主要是把3.7V电池电压转换为3.3V，作为各个部分的供电电源，以及5V电源给电池充电两个部分，使用Maxim公司的MAX8881作为3.7V转3.3V的降压芯片，MAX1555作为5VDC电源给电池充电的芯片。
数据采集部分采用Melesix公司的MLX90614红外温度传感器。此款传感器第一文库网环境温度范围为-40°～+125°，物理温度范围-70°～+380°，电源电压3.3v。MLX90614 是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度后处理，并将结果通过 PWM 或是SMBus模式输出，本设计选用SMBus模式。
433MHz无线射频模块采用的STM32F103RBT6作为主控芯片，CC1101作为无线射频芯片。主控模块通过SPI总线通信接口拖带无线射频通信模块，可以实现对无线通信模块的寄存器的读写，从而完成对模块通信参数的配置，进一步控制模块对无线数据的收发。
3 软件设计
软件设计部分包含温度数据的采集、处理，无线数据收发和Modbus通信协议几个部分。
3.1 数据采集与处理
红外温度传感器采集温度数据传输时序如下图所示，START位定义为当SCL为高时，SDA线为从高到低的转换。STOP位定义为当SCL为高时，SDA为从低到高的转换。每个字节包括8位，在总线上传送的每个字节必须跟随一个确认位，和确认关联时钟脉冲是由主控器产生的。读取数据是以字节为单位进行的。每次发送一个字节，然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节；如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节，然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。
本文中设计的无线红外温度传感器上电初始化后，等待上位机通过集中器无线模块发送的数据采集命令，再对数据进行采集，并将采集到的'数据按照Modbus协议处理后，通过无线模块传输到集中器中。
3.2 Modbus通信协议
Modbus通信协议是一种工业现场通用协议，主要规定了应用层报文传输的格式，使得不同生产厂商的设备可以连成网络，集中监控。Modbus协议可分为在TCP/IP上的实现与串行链路上的实现，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。传感器内部实现的是Modbus-RTU协议。Modbus协议使用的是客户机/服务器（C/S）的通信模式，主站向从站发送请求的模式有两种：单播和广播，本文实现的是单播的模式。
Modbus通用帧即ADU应用数据单元分为附加地址、功能码、数据和差错校验4个部分，其中功能码和数据部分为PDU协议数据单元。传感器接收到上层rtu帧命令后，首先进行从站地址和差错校验码的判断，若不正确直接丢弃命令帧，若正确则进行rtu帧解包获取命令并进行温度采集，数据采集后进行rtu帧封包，最终通过无线模块与上层设备进行数据通信。
4 测试结果
在排除433MHz频段其他设备干扰的情况下，对无线红外温度传感器进行射频性能的测试，每次发送1000个数据包，保证丢包率为0%的情况下，有效直线传输距离为120米，穿透性为两层楼。
无线红外温度传感器精度的测试，在相同环境中，使用市场上购买的手持红外温度仪与本文中设计的传感器进行温度监测数据的对比，温度值的误差保持在±0.5°C以内。
5 结束语
本文中设计了一种使用Modbus通信协议并通过433MHz频段无线通信的红外温度传感器，介绍了频段及射频芯片选择的原则，给出了传感器的硬件及软件设计方案。较详尽的介绍了MLX90614红外温度传感器的数据采集时序及原理，以及本设计中应用的Modbus协议。最后对传感器设备进行了射频测试及精度测试，测试结果表明，该传感器具有非接触性，高精度，通信距离远，穿墙能力强等优势。
参考文献
[1]Melexis公司.MLX90614红外温度计数据表.
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