CN109580024A - 一种低功耗无线温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗无线温度传感器，所述无线传感器基于LoRa无线传输模块，所述无线传感器还包括：Pt100温度采集模块、AD7794模数转换器、以及PIC18主控芯片，所述主控芯片按照用户设定的时间间隔工作，处于休眠状态时，LoRa无线传输模块进入休眠状态，处于工作状态时，LoRa无线传输模块发送采集的温度值，发送完成后进入休眠状态；将AD7794模数转换器内部的电流源作为铂电阻和高精密参考电阻激励电源，用于消除激励电流的误差；所述PIC18主控芯片使用3个定时器，Timer3控制启动时间，Timer1控制工作间隔，Timer0控制关机时间。本发明降低了设备的功耗、增加设备的传输距离、实时监控报警、以及采集设备的精度。

Description

一种低功耗无线温度传感器

技术领域

本发明涉及无线传感技术领域，尤其涉及一种低功耗无线温度传感器。

背景技术

传统的人工温度监测方法多是利用温湿度表，通过定期巡回查看来测量和记录数据，误差大、效率低、而且不能实时监控；采用有线的监控系统，各部件之间连接布线比较困难，移动较为不便，维护成本较高，并且易受周围环境的影响，测量精度不高。

在一些较为恶劣的环境下，比如野外、井下油温等温度测量环境，不适合使用人工和有线设备，此时无线温度传感器就显现出了独具的优势。

目前市场上流行的温度传感器中，精度最高的可达0.2℃左右，无法满足实际应用中的需要。

发明内容

本发明提供了一种低功耗无线温度传感器，本发明降低了设备的功耗、增加设备的传输距离、实时监控报警、以及采集设备的精度，详见下文描述：

一种低功耗无线温度传感器，所述无线传感器基于LoRa无线传输模块，

所述无线传感器还包括：Pt100温度采集模块、AD7794模数转换器、以及PIC18主控芯片，

所述主控芯片按照用户设定的时间间隔工作，处于休眠状态时，LoRa无线传输模块进入休眠状态，处于工作状态时，LoRa无线传输模块发送采集的温度值，发送完成后进入休眠状态；

将AD7794模数转换器内部的电流源作为铂电阻和高精密参考电阻激励电源，用于消除激励电流的误差；

所述PIC18主控芯片使用3个定时器，Timer3控制启动时间，Timer 1控制工作间隔，Timer0控制关机时间。

本发明实施例设计了一种低功耗、高精度的无线温度传感器，设计采用电池供电，将采集的数据使用LoRa模块进行远距离传输到上位机。为了达到设计整体低功耗，主控芯片选用功耗的PIC18。温度传感器采用反应灵明的高精度的Pt100，配合24位的高精度的模数转换器将采集的模拟量转换为数字量，当内部计时器到达用户设定的时间间隔，或外部上传命令到达，PIC18控制LoRa将计算结果透传到指定的上位机。不同批次的电阻在出厂时有电气的差别，同一批次的电阻在不同的环境下的电气特性与给定的温度曲线可能不会完全匹配，根据实际的应用情况在使用前先对电阻的温度曲线进行纠偏，为达到产品的应用性，在系统上电后将RA0端口拉为低电平，系统会根据5个点的温度值进行温度曲线校准。此设计的工作步骤如下：系统上电三分钟等待用户输入采样间隔和开始工作的时间点，以及报警值，然后系统会根据用户的输入初始化系统的工作参数，启动定时器，当定时器Timer3到达定时时间时系统开始启动，每隔Timer1设定的间隔采集一次数据，当到达定时器Timer0设定的时间，系统关机。采集过程时每次Timer1溢出，则控制AD7794的内部10uA的恒流源通过AIN5(-)引脚设输出，电流流经Pt100在AD7794的第三通道两个引脚间产生电压差，根据压差计算出此时的电阻值，根据事先校准好的温度曲线，得出待测物体的温度，将此温度通过LoRa透传到指定的上位机，进行进一步的分析和处理，在采集监测过程中，一旦采集到的温度值一旦超过设定的报警值，则PIC控制报警器报警，提示用户发生异常。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明使用无线温度测量系统，可以方便、实时、可靠地将采集到的温度数据传输给控制终端，节约人力，测量精度较高；

2、本发明中通过使用四线制连接方式消除连线误差，使用电阻分压法为AD7794模数转换器提供外部参考电压有效的消除了激励误差，并对AD7794模数转换器的转换输出结果和电阻对应关系做高次拟合，有效的提高了转换精度的同时消除了工作过程中的误差，通过实验验证最大误差小于0.0416℃，该产品的功耗低，且传输距离越远，效果越好。

3、本发明使用低功耗器件的同时，根据使用的环境支持用户自定义工作参数，允许自行设计采样间隔，在非工作期间将所有器件设置为休眠状态，在休眠状态下产品的功耗电流不大于700uA，本发明使用电池供电，与市场上目前流行的温度采集器件相比，工作时长有效的延长了10倍以上。

附图说明

图1为基于LoRa的低功耗无线温度传感器的模块组成图。

表1为不同温度下系统的测量值；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

AD7794：24位高精度、抑制噪声的模数转换器；

PIC18F24K22(U1)：主控芯片；

LoRa：低功耗、远距离传输的无线传感器模块；

Pt100：温度传感器；

R156：0.1％的精密参考电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在一些环境恶劣的情况下，传感器的布置节点人工更换十分困难，因此系统要尽可能的做到低功耗，在有限的电量内采集传输更多的信息，设计采用低功耗模块，配合系统休眠达到低功耗系统设计。LoRa无线传输模块具有低功耗传输距离远的优点，通讯距离大于10千米，处于工作状态时的功耗电流低于10mA，当休眠时电流小于200nA。

针对目前工业领域对温度传感器的高精度、低功耗的要求，本发明实施例设计了一款无线温度传感器，该温度传感器主要应用于生物制药领域。

当前已有的高精度温度传感器的分辨率在0.2℃左右，远远不能满足高精度的需求，在一些产品中还会存在测量不稳定的现象，测量结果与环境的恶劣程度相关，在许多应用环境中不允许频繁的更换供电设备，如果使用导线直接链接会造成布线还乱，移动不便和电气干扰严重的问题。

本发明实施例中使用低功耗的电子器件的同时，配合使用低功耗算法(该算法为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述)，使本产品在空闲状态可以更加的节能，有效的延长传感器的使用时间。随着工业技术的发展，工业生产的精度越来越高，器件也有的较大的改进，许多器件设置了不同的工作状态，有些器件更是设置了省电技术，通常设置有休眠状态的器件在休眠状态的功耗只有几毫伏。

本发明实施例主要应用于低频小数据的传输场景，为减少空闲状态下电量的浪费，在空闲状态使主控芯片PIC18向各个器件发送指令，使所有的器件进入休眠状态，在休眠状态下器件支持外部唤醒，主控芯片支持定时器唤醒，即在休眠状态主控芯片只有定时器工作，而外围器件只有相关的外部唤醒接口工作，整体功耗电流小于700uA。在许多应用场景中采集的频率不同，即工作的间隔不同，因此设备支持用户设定工作参数。温度是自然界主要物理量，是物体冷热程度的度量，温度传感器广泛应用于工业、农业、国防等各个领域，是生产和生活中的一项必不可少的测量指标，通过对设备温度进行监测，可及时的发现故障降、低损失。

实施例1

本发明实施例选用超低功耗的PIC18作为控制芯片，使用Pt100作为温度采集模块，将采集结果使用24位的模数转换器AD7794转换为数字量，通过主控芯片PIC18将数字量计算出待测物的温度值，判断该温度值是否超出了用户设定的报警上限值，如果超出用户设定的报警上限值则报警器报警，如果没有超出报警上限值，则将温度值通过无线传输模块Lora传输到指定接收器。

此传感器包括以下工作步骤：

1)设定AD7794模数转换器的工作参数和编码格式等，并将AD7794模数转换器的AIN5(-)引脚设定为10uA的电流输出引脚，此引脚的输出电流流经Pt100温度采集模块；

2)将Pt100温度采集模块两端的模拟电压转换为数字量，传输给主控芯片PIC18；

3)主控芯片PIC18根据高次拟合的公式计算出实际测量的温度值；

4)主控芯片PIC18判断当前的温度值与用户设定的上限温度的关系；

5)最后将转换好的温度值通过无线传输模块SX1276(Lora)传输。

实施例2

下面结合具体的实验数据对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

低功耗无线温度传感器开机后前三分钟等待用户输入采样开始时间、工作间隔和关机时间，然后主控芯片PIC18对各个模块进行初始化，设定AD7794模数转换器的转换通道、输出电流和参考电源，开启相应的定时器。

主控芯片采用超低功耗的PIC18单片机，主控芯片使用内部的定时器控制系统的工作状态，即定时器溢出触发中断时进行一次采集转换和结果传输，随后系统进入休眠状态，这样可以大大减小系统的功耗，可设置系统的连续工作时间，当达到工作最大时长，则系统进入深度休眠状态，此时可使用LoRa通信或串口通信进行唤醒。

主控芯片设置无线传输模块LoRa的工作模式，开机时LoRa模块一直处于接收状态，等待用户的设定信息，当接收完信息后，此LoRa模块将在每次的工作完成后进入休眠状态，可以有效的降低系统的功耗，更大限度的延长系统的工作时间；如果用户在3分钟内不进行设置，低功耗无线温度传感器立即以每隔一秒钟读取和传输，低功耗无线温度传感器在接收不到设置命令时会一直这样工作，直至电量剩余20％进入深度休眠状态。

每次工作时AD7794模数转换器输出10uA的电流流经Pt100铂电阻，在铂电阻两端产生电压差，AD7794将铂电阻两端的电压差和参考电压的比值转换为24位的二进制数字量，然后将次数字量传输给主控芯片PIC18，主控芯片PIC18根据校准后的文档阻值曲线计算出温度值，计算好的温度值通过LoRa传输到主控芯片PIC18。

本发明实施例中为了降低不同激励源可能引起的电阻漂移，所以使用与铂电阻同激励电流，激励电流流经精密电阻在参考电压引脚两端产生电压差，此电压差作为AD7794模数转换器的外部参考电压；主控芯片PIC18将采集的电压差根据二进制数据计算公式算出Pt100的电阻值，其中code为24为二进制数，16是本发明实施例中设定的放大倍数。

由于本设计要应用于对精度要求更高的场合，所以使用先前使用高精度电桥和高稳定性的温度标准源测出的电阻值，根据测量值经过高次拟合出更精准的关系曲线公式，然后将测量值带入公式，其中R为主控芯片PIC18计算出的当前电阻的阻值，在不同的温度范围内，温度曲线有所不同。由于本设计要应用于对精度要求更高的场合，所以使用先前使用高精度电桥和高稳定性的温度标准源测出的电阻值，根据测量值经过高次拟合出更精准的关系曲线公式，然后将测量值带入公式，其中R为主控芯片PIC18计算出的当前电阻的阻值，在不同的温度范围内，温度曲线有所不同。对精度要求更高的场合，所以使用先前使用高精度电桥和高稳定性的温度标准源测出的电阻值，根据测量值经过高次拟合出更精准的关系曲线公式，然后将测量值带入公式，其中R为主控芯片PIC18计算出的当前电阻的阻值，在不同的温度范围内，温度曲线有所不同。

为了获得更高精度的测量结果，在本设计采用分段插值求解高精度的曲线，公式如下：

式中系数分别为A₁＝-3.9×10^-7，B₁＝1.3×10^-3，C₁＝2.3，A₂＝1.3×10^-3，B₂＝0.47，t为转换后的温度值，单位为摄氏度，经过对不同温度点的数据进行采集和转换得到的结果，本设计的温度的精度可达0.01％，最大误差为0.0416℃；主控芯片PIC18对计算出的R值利用电阻值与温度的关系公式转换为温度值后，并将转换好的温度值通过LoRa无线模块传输到接收端。

当本产品处于本次转换和传输完成并且下次转换和传输时间点还没有到来时，产品整体进入休眠状态，PIC18单片机在休眠状态的典型电流为20nA，功耗十分低，与其他无线模块相比LoRa不仅传输距离远，并且功耗特别低，采用此设计可有效降低系统的功耗。

使用高精度的恒温槽，每个5℃设置一个温度测量点。设置本发明的工作参数，如果不设置本发明使用系统的默认参数，即没有报警上限值，采集间隔为10分钟，直至发明电量耗尽关机为止。将本发明设计的产品放入恒温槽中，读取温度值，每个温度点采集3次，然后将采集结果与恒温槽设置的温度进行比较。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低功耗无线温度传感器，其特征在于，所述无线传感器基于LoRa无线传输模块，

所述无线传感器还包括：Pt100温度采集模块、AD7794模数转换器、以及PIC18主控芯片，

所述主控芯片按照用户设定的时间间隔工作，处于休眠状态时，LoRa无线传输模块进入休眠状态，处于工作状态时，LoRa无线传输模块发送采集的温度值，发送完成后进入休眠状态；

将AD7794模数转换器内部的电流源作为铂电阻和高精密参考电阻激励电源，用于消除激励电流的误差；

所述PIC18主控芯片使用3个定时器，Timer3控制启动时间，Timer 1控制工作间隔，Timer0控制关机时间。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗无线温度传感器，其特征在于，所述Pt100温度采集模块使用高精的全桥电路测量出5个温度点的电阻值，对高次拟合的温度曲线进行校准。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗无线温度传感器，其特征在于，所述无线温度传感器还用于：

1)设定AD7794模数转换器的工作参数和编码格式，并将AD7794模数转换器的AIN5(-)引脚设定为10uA的电流输出引脚，此引脚的输出电流流经Pt100温度采集模块；

2)将Pt100温度采集模块两端的模拟电压转换为数字量，传输给PIC18主控芯片；

3)PIC18主控芯片根据高次拟合的公式计算出实际测量的温度值；

4)PIC18主控芯片判断当前的温度值与用户设定的上限温度的关系，

5)最后将转换好的温度值通过LoRa无线传输模块传输。