1 引言
热释电红外测温能够准确快速地测量物体的表面温度。由于红外测温属于非接触式测温,所以它在测量物体的表面温度时不会引起物体温度的改变。特别是在一些高温、高压等一些比较危险场合,如果使用传统的接触式测温方法对测量人员存在较大的安全隐患。这时,采用红外测温就显得尤其重要。
目前,红外测温系统的信号传输主要有有线和无线两种方式。有线传输适用于新建而可以在墙壁内预留连线的建筑物,但是其机动性差、不便适应用户及产品的多变要求,而且对预留连线的维护及更换难度大、费用高。无线方式避免了测温终端和主机之间的连线,具有灵活、简洁的优点,是当前主要发展趋势,越来越得到用户的认可。
本手持终端采用热释电红外温度传感器进行测温,采用ZigBee技术作为红外测温系统与监控中心的无线通信技术。
2 ZigBee简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。它有自己的无线电标准,能在数千个微小的传感器之间相互协调通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器。ZigBee主要应用在工业控制、无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、医用设备控制等多个领域。在工业领域,利用传感器和ZigBee网络,对现场环境和设备参数进行自动采集、实时传输到后方控制监控中心,供监测人员进行分析处理,从而减轻维护、检测人员的工作负担,有助于监控人员做出快速反应。
ZigBee是基于802. 15. 4无线标准的通信技术,它具备了强大的设备联网功能,并支持三种主要的自组织无线网络类型,即星状拓扑、树状拓扑(Mesh)和网状拓扑(Cluster tree),如图1所示,其中网状结构具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
3 系统硬件设计
3.1 系统总体结构
手持红外测温终端系统由MCU、标签识别、按键、FLASH、LCD显示、测温模块、ZigBee无线收发等几个模块组成。MCU进行数据信息的处理,包括数据打包,各种突发事件的处理等。系统采用C8051, C8051改造了原51内核,使得C8051单片机的运行速度大大的提高,还将Flash、XRAM、A/D、D/A、IIC、SPI、UART以及片上温度传感器集合为一体,组成了SoC型单片机,系统功能模块如图2所示。下面对几个关键电路进行详细说明。
3.2 标签识别模块设计
当手持终端接近到机器设备所悬挂标签一定的范围后,标签识别模块从标签读出数据,确定所要检测设备的型号,并在LCD上显示。
本系统使用M104X系列读写模块。该模块采用13.56MHz非接触射频技术,内嵌低功耗射频基站MFRC522。只需通过简单的选定IIC/UART接口发送命令就可以实现对卡片完全的操作。模块的引脚功能图如图3所示。
3.3 红外测温模块设计
红外测温模块是确定红外目标的方位并收集红外目标的辐射能量。一般目标发出的红外辐射都很微弱,而且红外探测器的光敏面积很小,因此系统设计一个物镜进行红外聚焦,将热释红外信号折射在红外传感器上。
热释电红外探测器输出的红外辐射响应信号是一种频率较低的微弱动态信号。为了获得与目标表面温度变化规律相对应的某种标准信号,必须对这种信号进行处理,即需要对信号进行滤波、放大、环境温度补偿等,环境温度补偿直接使用半导体集成温度传感器。热释电红外探测器的信号处理电路如图4所示。温度传感器输出信号通过滤波后经放大器放大100倍后输出。
3.4 ZigBee模块设计
ZigBee无线收发模块进行数据的传输,负责发送接收手持终端录入的各项数据以及进行网络通讯和网络维护的命令。
本系统的ZigBee模块以CC2430为核心实现。CC2430是一款真正符合IEEE802. 15. 4标准的片上SoC ZigBee产品,可工作在2.4GHz频段,采用低电压(2.0~3.6V)供电且功耗很低(接收数据时为27mA,发送数据时为25mA),其灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为250kbps。CC2430的外围元件数目很少,它将全部的Zig-Bee/802. 15. 4需要的高频部分电路全部集成到了电路内部,从无线单片机到天线之间,只有3~5个普通零件。其硬件电路图如图5所示。
4 软件设计
手持终端的流程图如图6所示。系统通过无线方式接收指令到Flash的相应区域并将测量数据上传至上位机系统。在传输过程中,对接收的数据包进行校验,如果校验出错,则重新传输该数据包,这样就保证了传输的准确性。
5 结束语
本文介绍了基于ZigBee的红外测温系统。该系统可及时准确地把监测数据送到监控中心,便于管理人员实时了解设备的运行情况,加强对维护人员工作的监督管理,进一步提高设备管理水平。
参考文献:
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[2] FukuiK,Fukunaga S,TaNImotoK. Zegbee technology for low-cost and low-power radio communication systems[ J]. JournalInstitute of Electronics Information and Communication Engi-neers, 2005, 88(1): 40-45.
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作者简介:尚锐(1975—),男,工程师,主要从事信息、网络安全等方面的研究。
