程建华， 刘 萍， 于天琦

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

高精度无线通信温度检测系统设计*

程建华， 刘 萍， 于天琦

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对传统温度检测系统向用户终端传输数据时,存在布线复杂、传输距离有限的问题，设计了合适的高精度无线通信温度检测系统。利用铂电阻敏感温度变化，通过测温电桥和高质量运放保证温度数据采集的精确度，使用K60单片机完成数据转换和滤波，WiFi模块通过TCP/IP协议将温度数据发送给计算机终端，在WiFi模块信号无法覆盖的地方，可以使用短信查询的方式通过GSM模块随时传输温度数据。实验结果表明:系统测温精度能够达到0.015 ℃，同时能够有效实现温度数据的无线传输。

WiFi； 温度测量； 铂电阻

0 引 言

在一些特殊的工业、医学和科研领域，对温度检测系统的要求很高，除了高精度测量温度以外，还需对温度进行实时监测，传统的温度检测系统多配置液晶显示屏，但温度数据无法存储，需要人工记录。另外，传统的串口通信传输布线复杂，长时间工作会出现线路老化导致系统不稳定的问题，从而浪费大量的人力物力。文献[1]中介绍了一种基于铂电阻的测温系统，通过液晶显示器显示环境温度，虽然系统采用恒压源为测温电桥供电，保证测温电桥输出电压值稳定，但这一系统存在不能够远程传输数据及不能实时保存环境温度数据的问题。

本文提出了一种高精度无线通信温度检测系统的设计方法，解决了测温精度低，远距离传输温度信号布线复杂以及不能够全天随时检测温度并保存数据的问题。

1 系统总体设计

温度检测系统主要由温度传感器、信号处理电路、Kinetis60(下文简称K60)单片机最小系统电路、GSM模块和WiFi模块组成。系统设计总体框图如图1所示。

图1 系统设计总体框图

本设计采用多个铂电阻器及多路信号处理电路，分别与K60单片机的不同A/D转换接口相连的方法，实现同时检测多点温度的功能[2]。

2 高精度多点测温方法实现

2.1 测温电路设计

高精度多点测温系统测温电路包括铂电阻器、测温电桥电路、信号放大电路和K60单片机最小系统电路。

其中，利用铂电阻的电阻值随温度的增加而增加这一特性，来进行温度测量[3]。本设计选择使用三线制接法，这样会大大减小导线电阻带来的附加误差。将铂电阻接入一个不平衡电桥电路中，将电阻变化值转换为电压变化量，通过不平衡电桥来测量电阻阻值。该测温方案结构简单，应用广泛[4,5]，其原理如图2所示。

图2 铂电阻测温原理

电桥输出电压计算公式如下

(1)

在本系统中,U=5V,Rt=920Ω,R2=R3=5 100Ω。

由于电桥电压变化较小，本文通过使用具有高精度、低功耗、高共模抑制比优点的INA118型运算放大器，设计了差动放大电路，将电桥输出电压放大11倍。

放大后的电压输出通过一阶硬件RC低通滤波器，滤除高频噪声，输入给单片机。由单片机进行信号转换、处理及解算。

本文选用的K60单片机，基于ARM内核的处理器，运算速度快，且内置多路16位A/D转换模块[6]，避免系统外接AD转换器件，能够解决系统不能同时测量多点温度的问题。其内部温度转换及解算方法及步骤如下：

1)系统的测温范围为-20～100 ℃，当t=100 ℃时，由式(1)可知U0=0.303 9，由于运算放大器将电压放大的倍数约为11倍，因此,单片机的内部参考电压可以设置为3.3V。

2.2 温度信号处理算法

由于元件误差和导线间信号干扰等会对信号造成一定的影响，因此,对输入给单片机的温度数据进行了三个阶段的处理：

第二阶段，温度数据的在线标定。记系统实测值为Tt，实际温度值为Tr，设线性拟合表达式为Tr=kTt+b。

第三阶段，温度信号解算后滤波。在数据解算完成后，输出的温度数据还存在高频噪声，设计了一种软件滤波器对噪声进行滤波。由于所处理的温度信息对相位要求较低，因此选择IIR滤波器以减小运算量。设计过程如下：

1)通过分析温度高频噪声数据，确定设计指标，通带截止频率为Ωp=0.04π，通带最大衰减为Ap=3dB，阻带截止频率为Ωs=0.2π，阻带最小衰减为As=40dB，采样频率为fs=1/3.8。

2)设计相应的模拟滤波器，通过过程(1)中指标，使用Matlab软件中的buttord函数设计模拟低通滤波器，并求得本系统为三阶系统。

3)使用得到的模拟滤波器的性能指标，利用双线性变化法求得模拟滤波器的系统函数，并作为数字滤波器的“样本”。

4)得到数字滤波器的系统函数

(2)

3 无线通信方式设计

3.1 WiFi通信实现

WiFi模块主要由高通CPU、可扩展接口和存储器三部分组成，WiFi模块电路是一种工作在高频环境中的线路，选用LPCC封装的高通AR9331型CPU，极大程度地解决了在CPU高主频运行时的信号干扰问题；模块中加入了A3S56D40FTP芯片，用来扩大系统的内存，以便传输更多数据；WiFi模块中还预留了多组UART、GPIO接口，用于与处理温度信号的核心控制器互传数据；最后将AR9331移植入Openwrt系统，WiFi模块即可正常工作，为系统传输数据。

单片机通过URAT通信方式与WiFi模块进行数据互传；WiFi模块将接收到的数据通过TCP/IP协议以三次握手方式传至计算机[7]，三次握手的工作方式如图3所示，三次握手完毕后，WiFi模块与计算机终端开始互传数据；使用Socket套接字功能，解决WiFi模块和计算机连接时不同操作系统发送的数据不兼容的问题。通过以上连接方式就可以实现系统与计算机之间的通信，并将温度数据上传、显示并保存在计算机上。

图3 客户端与服务器连接示意图

3.2 GSM通信实现

实际中，WiFi模块功率有限，仅使用WiFi模块通信会使通信距离受到限制，为解决这一问题设计基于GSM的通信方式，实现用户能够远距离时时查询温度信息的功能。

GSM模块由SIM卡和TC35I手机模块两部分组成[8]，开机后GSM模块首先检测SIM卡是否安装好，GSM模块利用自身的串行通信接口与单片机的串行接口相连，实现双向通信；GSM通信模块与装有固定号码的SIM卡相连登入到GSM网络。利用手机查询终端向GSM通信模块发送特定的温度查询短信息时，单片机识别此查询信息后立刻控制GSM通信模块将当前解算的温度数字量以短信息的形式发送到工作人员查询手机中，实现对环境温度信息的实时、远程监测。

3.3 两种无线通信方式组合方法

系统与用户进行通信时，采用两种通信方式易导致发送数据混乱的问题，同时也会增大系统功率，因此有必要通过合理的工作流程设计保证两种通信方式协同工作。

首先，系统进行WiFi模块和GSM模块的初始化工作。其次，单片机检测是否有外部设备发送GSM信号到温度检测系统，若有则出发串口2终端，并由串口2发送温度数据到GSM模块，GSM模块将温度数据发送到手机终端；若没有则串口1发送数据到WiFi模块，由WiFi模块将温度数据发送到计算机终端。最后，系统循环以上过程，以保证数据稳定发送。

4 实验结果

为验证系统性能，将系统置于可变温温箱中进行长时间测温实验，图4为实验中一组温度数据绘制成的曲线，其中实线为温箱内实际温度变化，虚线为测温系统测得温箱内的温度变化。

表1为从实验结果中选取的几组温度数据。虽然测温系统测得的数据较实际数据有微小的延时和偏差，但是在10 000 s前，温度数据误差在0.015 ℃以内，且在温箱升温后期加热膜功率有限，温箱内部实际温度会低于目标温度，因此在测温后期系统测量值较温箱显示值偏低。从实验数据表明，系统测温精度能够达到0.015 ℃，同时能够有效地实现温度数据的无线传输，设计的高精度无线温度检测系统能够实现长时间的稳定工作。

图4 测温曲线

时刻/s9019803600552010803实际温度/℃25.18031.17035.70040.39045.530测量温度/℃25.19231.18035.69440.39045.406

5 结 论

与传统测温系统相比，系统设计电路简单，工作稳定。理论计算和实验结果证明：该系统在-20～100 ℃范围内具有良好的测温效果，能够长期稳定工作，实现了全天时温度查询及无线温度数据传输，具有较高的工程应用价值。

[1] 龚瑞昆，李静源，张 冰.高精度铂电阻测温系统的实现[J].仪表技术，2008(7)：9-10.

[2] 王晓丹，孟令军，尹维汉，等.基于ADS1148的多路高精度测温装置[J].创意与实践，2014(12)：66-68.

[3] 朱育红.工业铂电阻精确测温的方法[J].中国测试技术,2007，33(4)：50-52.

[4] 罗立成.光纤陀螺精密温度控制系统的设计及其研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011：11-13.

[5] 程建华，罗立成，王鑫哲.高精度温度测量系统的温度补偿算法研究[J].传感器与微系统，2010，29(11)：36-39.

[6] 王宜怀，吴瑾，蒋银珍.嵌入式系统原理与实践—ARM Cortex—M4 Kinetis微控制器[M].北京：电子工业出版社，2012:168-171.

[7] 余 军，王彦瑜.基于MSP430单片机和DS18B20的多分支多通道温度测量系统远程监控软件设计[J].核电子学与探测技术，2009，29(1)：72-76.

[8] 李海生.基于GSM短消息的远程监测系统[D].秦皇岛：燕山大学，2005:16-18.

Design of high precision temperature detection system for wireless communication*

CHENG Jian-hua, LIU Ping, YU Tian-qi

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Aiming at problems of complex wiring and limited transmission distance in traditional temperature detection system,design high precision temperature detection system for wireless communication.Platinum resistor is used to sense temperature changes,ensure accuracy of temperature acquisition data by temperature measurement bridge and high quality op-amp,the system complete data conversion and filtering by using the K60 MCU,WiFi module sent the temperature data to personal computer by TCP/IP protocol.Where the WiFi signal cannot be covered,it can query temperature by sending message through GSM module at any time.Experimental results show that the temperature measuring precision can reach 0.015 ℃,and can effectively achieve the wireless transmission of temperature data.

WiFi; temperature measurement; platinum resistor

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0091—03

2016—04—12

国家自然科学基金资助项目(61374007,61104036,62173081)；中央高校科研业务费专项资金资助项目(HEUCFX41309)

TP 29

A

1000—9787(2017)03—0091—03

程建华(1977-)，男，工学博士，副教授，主要从事惯性导航及其系统技术研究工作。