在集装箱运输中,对冷藏集装箱可靠性要求很高,除进行强度实验外,还需按要求完成热工性能实验。热工性能实验中需要测量集装箱的气密性,漏热性,制冷性等[1]。
为提高测量的自动化程度,控制测量过程的人为因素,需要设计一套全自动的气密性试验装置。试验装置需要能够精确地测量集装箱的气压,并且通过无线传输将测量值发送到接收模块,由接收模块控制流量调节阀开度,调节供气量,保持箱内和环境的压差。该文着重介绍气压测量及无线传输模块的设计及实现。在无线传输方面,由于ZigBee通信协议具有成本低、功耗低、可靠性高、传输距离远等优点[2],因此模块选用了ZigBee无线通信协议,以此完成模块设计,程序编制及调试。
1 无线气压测量模块总体设计
无线气压测量模块包含气压测量及无线发送,无线接收及显示两个单元。气压测量及无线发送单元主要负责气压的采集及发送。控制器选用TI公司的CC2530芯片,气压测量选用BMP085替代模块BMP180气压模块。而无线接收及显示单元主要负责数据接收及转换,并通过RS232转USB串口通信连接上位机,在上位机上实时显示气压的数值。发送和接收单元之间通过ZigBee点对点的数据传输方式。
2 无线气压测量模块的硬件设计
为了简化设计电路,提高模块可靠性,模块的气压测量及无线发送单元,无线接收及显示单元采用CC2530芯片设计的相同核心板,而根据功能不同设计不同的功能底板。核心板硬件电路相同,但下载不同的程序,完成相应的设计功能。
2.1 气压测量及无线发送单元硬件设计
气压测量及无线发送单元由ZigBee无线传输核心板,测量及无线发送单元功能底板,以及气压测量传感器模块组成。
使用中,气压测量传感器模块放置在冷藏集装箱内,功能底板与传感器通过杜邦线连接。而核心板通过12针及14针的标准 2.54 排针接插件与功能底板相连。测量及无线发送单元功能底板主要包含电源供给,程序下载及调试接口,按键及LED报警指示,传感器接口等功能。由于气压测量传感器模块BMP180采用I2C接口,而CC2530没有硬件I2C接口,因此使用P0.0、P0.1模拟I2C的数据线SDA和时钟线SCL,采用软件模拟I2C的方式读写传感器。
2.1.3 CC2530无线传输核心板硬件设计
ZigBee无线传输核心板主芯片CC2530采用标准8051处理器,满足2.4GHz ISM波段应用对低成本,低功耗的要求。ZigBee无线传输核心板使用2.4G全向SMA天线,不仅设计可靠,而且重量轻、体积小,传输距离200米以上,完全满足气密性试验的性能要求。核心板包括以下几个部分:CC2530片上系统,32MHz系统时钟,SMA天线,12针及14针接插件接口。
2.1.2 测量单元功能底板硬件设计
功能底板主要设置电源供应,JTAG程序下载及调试接口,故障报警指示,传感器测量接口。调试过程中可以通过JTAG调试接口供给电源,实际测量中使用一节7号3.7V电池供电。由于CC2530供电电压范围2-3.6V,因此通过电池供应需要经过CAT6219-330进行线性稳压[3]。功能模块中设置了无线通信故障、传感器测量故障等报警,报警通过相应的指示灯指示。BMP180传感器测量接口使用5针排针与杜邦线连接方式,包含模块电源线,I2C通信上拉电源线,数据线,时钟线,以及地线。
2.1.3 气压测量传感器模块硬件设计
参考文献:
[1] 操双五,章学来. 冷藏集装箱热工性能实验方法研究[J].制冷,2002(04):5-8.
[2] 杨埙,王小平,彭勇. ZigBee的无线传感闭环监控系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2013(10):72-75.
[3] 吴祥,康戈文. ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2013(04):64-67.
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