基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀的製作方法

2023-05-03 09:42:01 1

專利名稱：基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測試儀，特別是一種基於微功率無線通信技術的電冰箱能效 試驗測試儀。
背景技術：
微功率無線通信技術，指的是在短距離範圍內，使用開放頻段ISM，點對點傳輸方 式的微波通信，其發射功率在IOOmW以下。電冰箱能效檢測，指的是依據國家標準GB12021. 2-2008《家用電冰箱耗電量限定 值及能源效率等級》對家用電冰箱進行的試驗。本電冰箱能效試驗測試儀使用微功率無線通信技術，並且結合傳感器技術和計算 機技術開發一種新的檢測方法，與傳統的有線連接的檢測技術相比，其優勢明顯無需架設 線路，不再受線路質量的影響，擴展十分方便，同時也降低了維護難度等。現階段在家用電器檢測過程中，基本上都是以有線的方式進行連接，實現諸如安 全試驗中的輸入功率和輸入電流、溫升試驗的溫度記錄、洩露電流和電氣強度等，以及能效 試驗中的M小時耗電量、熱效率等項目的檢測功能。有線連接的檢測方法對於基本固定的 被測對象來說無疑是比較理想的選擇，的確在實際應用中達到了比較滿意的效果。但隨著 射頻技術、集成電路技術的發展，無線通信功能的實現越來越容易，數據傳輸速度也越來越 快，並且逐漸達到可以與有線通信相媲美的水平。而同時有線連接布線麻煩，線路故障難以 檢查，設備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動等缺點越發突出，因此人們自然地把目 光投向了無線通信方式，從而出現了一些典型的無線應用，如無線智能家居，無線抄表，無 線點菜，無線數據採集，無線設備管理和監控，汽車儀表數據的無線讀取等。無線通信按照不同的分類方式可以分為很多種類按照媒介可分為光通信、微波 通信、聲波通信等；按照傳輸距離可分為長距離無線通信和短距離無線通信；按照發射功 率可分為微功率無線通信、小功率和大功率無線通信；按照頻段可分為ISMandustrial Scientific and Medical)工業科學和醫用頻帶無線通信、軍用頻帶無線通信、航空頻帶無 線通信等；按照傳輸的信息可分為無線控制、語音無線通信、海量數據無線通信等；按照協 議標準可分為點對點、無線區域網、藍牙、HomeRF、ZigBee、無線USB、Wi-Fi、WiMAX、UWB等。本項目研究的微功率無線通信技術，指的是在短距離範圍內，使用開放頻段ISM， 點對點傳輸方式的微波通信，其發射功率在IOOmW以下。此類無線通信技術使用數位訊號 單片射頻收發晶片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊，射頻芯 片採用FSK調製方式，工作於ISM頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數據傳輸協議或使 用簡單的加密協議，用戶依據命令字進行操作即可實現基本的數據無線傳輸功能，因其功 率小，開發簡單快速而應用廣泛，數據傳輸速度和流量較小，適合搭建小型網絡，在工業、 民用領域使用較多。該類無線通信技術的典型晶片有挪威Chipcon公司(http://WWW. chipcon. com)的 CC1000、CC1020、CC2500、CCl 100、CC2420、CC2430、CC2431 無線數據收發 晶片；挪威 Nordic 公司(http://www. nvlsi. no)的 nRF401、nRF903、nRF2401、nRF905 無
3線數據通信收發晶片；瑞士 Xemics 公司(http://www.xemics.com)的 XE1201A、XE1202A、 XE1203 等。除了本項目研究的無線通信技術之外，其他類似典型的短距離微功率無線通信技 術還有紅外技術，藍牙技術，802. Ilb無線區域網標準技術等。紅外技術採用人眼看不到 的紅外光傳輸信息，它利用紅外光的通斷表示計算機中的0-1邏輯，通常有效作用半徑2 米，發射角一般不超過20度；藍牙技術由愛立信、諾基亞、IBM等公司共同推出，主要用於通 信和信息設備的無線連接，工作頻率為2. 4GHz，有效範圍大約在IOm半徑內；802. Ilb無線 區域網標準技術主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術標準，他的工作頻率 也是2. 4GHz。這些技術雖然也有很多的應用，均有各自的應用領域，但不適合應用於家用電 器檢測方面。(1)、國外研究現狀微功率無線通信技術的出現引起了全世界範圍的廣泛關注，最早開始此方面研究 的是美國軍方，主要應用在傳感器領域。1996年由DAR資助的WINS (wireless integrated network Sensors)項目，由加州大學洛杉磯分校與羅克爾研究中心開展研究，目標是結合 MEMS技術、信號處理技術、嵌入式系統和無線通信技術，構造大規模、複雜的集成系統，實現 物理世界和網絡世界的連接。加州大學洛杉磯分校開發了一個無線傳感器網絡環境模擬系 統，用於研究無線傳感器網絡中出現的問題。南加州大學提出了部署移動傳感器節點的方 法、聚集的樹結構算法等。麻省理工學院已經開始研究用於低能耗無線傳感器網絡的方法 和技術。康奈爾大學等高校針對無線傳感器網絡通信協議的特殊性，先後提出了基於談判 類協議、定向發布類協議、能量敏感類協議、多路徑類協議、傳播路由類協議、介質存取控制 類協議、基於集群的協議、以數據為中心的路由算法等新的通信協議。O)、國內研究現狀國內很多研究機構和高等院校也開展了微功率無線通信技術的研究。比如上海 微系統研究所、瀋陽自動化所、軟體研究所、計算所、合肥智能技術研究等科研機構，清華大 學、北京郵電大學、東南大學移動通信國家重點實驗室、國防科技大學、浙江大學等院校也 積極開展無線通信技術的研究。中國科學院計算所寧波分所在無線傳感器網絡和低功耗設 計方面經過多年的研究，開發出了許多相關的產品。北京交通大學IP網絡實驗室的研究， 在基本協議棧、路由協議、網絡安全等方面都提出了創新的思想。成都無線龍通訊科技有限 公司也致力於無線通信產品開發、設計，其產品包括C51RF-PS，C51RF2-F，C51RF-2等，包括 實時在線仿真器及無線模塊。現階段在家用電器檢測過程中，基本上都是以有線的方式進行連接，實現諸如安 全試驗中的輸入功率和輸入電流、溫升試驗的溫度記錄、洩露電流和電氣強度等，以及能效 試驗中的M小時耗電量、熱效率等項目的檢測功能。有線連接的檢測方法對於基本固定的 被測對象來說無疑是比較理想的選擇，的確在實際應用中達到了比較滿意的效果。但隨著 射頻技術、集成電路技術的發展，無線通信功能的實現越來越容易，數據傳輸速度也越來越 快，並且逐漸達到可以與有線通信相媲美的水平。而同時有線連接布線麻煩，線路故障難以 檢查，設備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動等缺點越發突出，因此人們自然地把目 光投向了無線通信方式，從而出現了一些典型的無線應用，如無線智能家居，無線抄表，無 線點菜，無線數據採集，無線設備管理和監控，汽車儀表數據的無線讀取等。
實用新型內容為了解決上述的技術問題，本實用新型的目的是提供一種可靠性高、實用性強、檢 測精度高且實時的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，包括相互無線連接的一接 收機端和至少一發送機端，所述發送機端包括一發射模塊和至少一傳感器，所述傳感器的 輸出端與發射模塊的輸入端連接，所述接收機端包括一接收模塊和一用於顯示監控的計算 機，所述接收模塊的輸出端與計算機的輸入端連接。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊和接收模塊均為CClllO晶片。進一步作為優選的實施方式，所述傳感器為溫度傳感器和/或溼度傳感器。進一步作為優選的實施方式，所述溫度傳感器為LM92晶片。進一步作為優選的實施方式，所述溼度傳感器為SHTll晶片。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊還包括有用於存儲歷史數據的FLASH
-H-· I I心片。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊還包括用於顯示的液晶電路。本實用新型的有益效果是本實用新型應用無需架設線路的無線檢測方式，從而 根本改變傳統的有線連接的家用電器檢測技術，徹底地解決如電冰箱能效檢測等方面存在 的精度差、操作困難等問題，從而提高了檢測效率、保證了檢測數據的準確性、降低了測量 誤差，減輕了檢測員的工作強度，節約了人力物力，降低了操作難度，同時也為家用電器檢 測提供一種全新的解決方案。另外，微功率無線通信技術作為一種高新技術，其發展方興未艾，正確理解、掌握 其傳輸模型和傳輸特性，對於更好使用和發揮無線通信在其它檢測領域中的作用，具有很 強的現實意義。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

圖1是本實用新型的系統原理框圖； 圖2是本實用新型的CClllO內部結構框圖； 圖3是本實用新型的高頻無線模塊原理圖； 圖4是本實用新型的高頻無線模塊接口原理圖； 圖5是本實用新型的LM92測溫探頭電路原理圖； 圖6是本實用新型的溼度採集電路原理圖； 圖7是本實用新型的SHTll內部結構框圖； 圖8是本實用新型的電源電路原理圖； 圖9是本實用新型的接收端按鍵電路原理圖； 圖10是本實用新型的接收端按鍵電路原理圖； 圖11是本實用新型的串行接口電路原理圖； 圖12是本實用新型的FLASH存儲器電路原理圖；[0038]圖13是本實用新型的液晶顯示器電路原理圖；圖14是本實用新型的無線通信系統框圖。
具體實施方式
參照圖1，基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，包括相互無線連接 的一接收機端和至少一發送機端，所述發送機端包括一發射模塊和至少一傳感器，所述傳 感器的輸出端與發射模塊的輸入端連接，所述接收機端包括一接收模塊和一用於顯示監控 的計算機，所述接收模塊的輸出端與計算機的輸入端連接。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊和接收模塊均為CClllO晶片。進一步作為優選的實施方式，所述傳感器為溫度傳感器和/或溼度傳感器。進一步作為優選的實施方式，所述溫度傳感器為LM92晶片。進一步作為優選的實施方式，所述溼度傳感器為SHTll晶片。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊還包括有用於存儲歷史數據的FLASH
-H-· I I心片。進一步作為優選的實施方式，所述發射模塊還包括用於顯示的液晶電路。硬體部分是整個系統的基礎，其性能的優劣對於系統的功能是否可以實現至關重 要。本課題不僅考慮了系統的性能，同時考慮了節省成本，維護方便等方面。本課題主要對 溫度和溼度進行檢測，通過無線通信方式把溫度和溼度數據傳輸到接收端，以溫度溼度檢 測和無線傳輸為核心展開工作。無線通信模塊包含了一個標準的8051MCU，由此實現溫度數 據採集和無線傳輸等功能，使系統結構簡單，穩定可靠。由於系統採用了成熟的集成電路， 使系統性能穩定，維護工作量小，符合作為檢測的工程要求。系統組成原理框圖如圖1所示，由CClllO通信模塊作為系統的核心，完成發送端 的數據採集，將溫度傳感器LM92測量到的溫度數據通過I2C串行總線傳輸至CClllO包含 的8051單片機上，經過單片機按照時序讀取和處理，再將數據傳輸到CClllO的RF射頻收 發器發射出去；接收端接收到數據後，經過處理還原溫度數據值，送IXD液晶顯示、LED狀態 顯示，並且送FLASH存儲器保存歷史數據、RS232接口與計算機實時通信等。溼度採集方式 與溫度相似。系統的硬體電路設計主要包含高頻無線模塊、電源電路、溫度採集電路、溼度採 集電路、串行接口、FLASH存儲器、液晶顯示、按鍵和LED指示等。參照圖2CC1110是一種低成本的無線SoC，為低功耗無線應用而設計。該晶片 包含了一個標準的8051MCU，一個無線收發晶片CClllO被封裝在一個6mmX6mm的晶片 中。8051MCU自帶32KBFlash和4KB RAM。無線通信主要工作在315/433/868/915MHz的 ISM(工業、科學和醫學)和SRD (短距離設備)頻率波段，在ISM頻段可自由地設置為300 348MHz、391 464MHz 和 7 9^MHz [31]。CClllO的RF射頻收發器集成了一個高度可配置的數據機。這個解調器支持 不同的調製格式，其數據傳輸率可達5001ApS。通過開啟集成在數據機上的前向誤差校 正選項，能使性能得到提升。CClllO為數據包處理、數據緩衝、突發數據傳輸、清晰信道評 估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬體支持。CClllO是真正的系統晶片CMOS解決方案，該解決方案能夠提高ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能DSSS (直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工 業級小巧高效的8051微控制器。CCl 110使用1個8位MCU (8051)，具有32KB可編程快閃記憶體和4KB的RAM，還包含模擬 數字轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AESU8協同處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)、 32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown OutDetection)以及21個可編程I/O引腳。CClllO工作時的電流損耗為16mA和18mA ；速率為1. 2kBaud, CClllO在接收和發 射模式下，電流損耗分別低於16. 2mA或16mA ；速率為2. 4kBaud。CClllO的休眠模式和轉 換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。，高頻無線模塊包括1塊無線單片機CC1110，2個LED燈，1個外接天線接口，1個 PCB天線，雙排20針仿真接口(擴展I/O)，提供ISM全頻段(315M/433M/868M/915M/2. 4G) 模塊選擇，如圖3所示。高頻無線模塊包含的單片機是整個系統的核心。其中兩個LED在標號上方的一個 是黃色，在標號下方的一個是紅色，在調試中可方便設置為某個運行狀態的標誌；獨立的天 線在高頻模塊片上系統中集成了射頻功能，該天線接收靈敏度比PCB天線要大很多，通信 距離在300-800米以上；在生產PCB時直接加入的天線是PCB天線，在無線通信距離小於 100米時可以直接使用該天線而無須接獨立天線；系統的高速時鐘源是26M的晶振；系統的 低速時鐘源是32. 768K晶振，可以作為看門狗時鐘源，在低功耗應用中也可以使用。20腳接 口如圖4所示，通過該接口的作用是連接外圍電路，實現數據採集和供電，或者與仿真器連 接下載調試程序。參照圖5，LM92是national semiconductor corp.推出的溫度傳感器和溫度窗口 比較器，具有I2C串行總線，其測量最高精度達士0. 330C [32-33]。LM92窗口比較器結構使 溫度控制系統的設計極為方便。只要溫度超出可編程窗口，漏極開路中斷INT就變為有效； 當溫度超過可編程溫度門限時溫度報警輸出1~_0 11~_4輸出只能以比較器模式工作。主控 制器可以編程LM92的窗口的上限和下限以及溫度的臨界門限。另外，可編程的滯回和故障 排隊功能對最大程度減少虛假報警也是很有用的。該傳感器的加電預設門限為=THYST = 2°C, TLOff = 10°C, THIGH = 64°C, T_CRIT = 80°C。參照圖6，SHTll是瑞士 knsirion公司推出的基於CMOkns 技術的新型溫溼度 傳感器。該傳感器將CMOS晶片技術與傳感器技術結合起來，從而發揮出它們優勢互補作用。SHT11的溼度檢測運用電容式結構，並採用具有不同保護的「微型結構，，檢測電極 系統與聚合物覆蓋層來組成傳感器晶片的電容，除保持電容式溼敏器件的原有特性外，還 可抵禦來自外界的影響。由於它將溫度傳感器與溼度傳感器結合在一起而構成了 一個單一 的個體，因而測量精度較高且可精確到露點，同時不會產生由於溫度與溼度傳感器之間隨 溫度梯度變化引起的誤差。CMOkns 技術不僅將溫溼度傳感器結合在一起，而且還將信 號放大器、模/數轉換器、校準數據存儲器、標準I2C總線等電路全部集成在一個晶片內。 SHTll傳感器的內部結構框圖如圖7所示。本項目選擇了 TI公司新型超低噪聲和高紋波抑制比(PSRR)的低壓差線性穩壓 電源(LD0)TPS79533DCQ，作為DC3. 3V穩壓電源。該系列LDO外圍電路(如圖3_8)簡單，IOkHz下的PSRR高達53dB，IOOHz至IOOkHz頻率範圍內噪聲均方根為33 μ V，最大輸出電 流500mA，能很好地滿足技術指標要求[35]。圖9和圖10為按鍵接口電路，因為按鍵數量較少，所以採用獨立式按鍵結構。每個按鍵各接一條輸入線，從而使某一個線上按鍵的工作狀態不會影響其它線上 的工作狀態。五個按鍵通過一片併入串出的8位移位寄存器74LS165接入CClllO的單 片機，MISO為串行數據輸入線，由SCK提供74LS165移位所需的時鐘信號，KEY—CS控制 74LS165的並行置入和串行移位信號線。按鍵的消抖用軟體延時的方法實現。5個按鍵分 別為擦除FLASH存儲器鍵Erase、開始/停止記錄任務鍵Mart/Mop、設定鍵kt/0k、向上 鍵Up、向下鍵Down。74LS165的5個按鍵通過IOK的電阻接高電平，當掃描到某一位為低電 平時表示有按鍵按下。本系統與計算機串行通信，需要一個RS232轉換器將TTL電平轉換成RS232電平。 因此採用了 Sipex半導體公司的SP232E進行RS232電平轉換[36]，串口電平轉換原理圖如 圖11所示SP232E完全滿足RS-232和V. 28串行協議，具有增強型ESD性能，使得這些器 件可以承受士 15kV的人體放電模式(Human Body Model)和IEC1000_4_2氣隙放電模式。為了完成查詢歷史數據的功能，本系統需要較大的存儲空間，因此本系統使用 FLASH存儲器晶片AT45DB081進行擴展，且所有採集數據按照時間先後循序，均存放在擴展 的Flash存儲器中，以備後續查詢，如圖12。AI~45DB081是ATMEL公司推出的工作電壓為 2. 7 3. 6V、可在系統重寫的SPI兼容的FLASH數據存儲器。它具有4096頁、每頁264字 節(共計8M字節)的主存儲器容量以及2個264位元組的SRAM數據緩存器。這種串聯接口 FLASH存儲器十分適用於要求存儲密度高、引腳資源佔用少、電源電壓低和功耗小的商業和 工業應用領域。LM6063模塊是深圳拓普公司的產品，1 X 64全點陣STN液晶模組，內置IXD生壓 電路，白色背光，具有亮度高，對比度高，寬視角顯示的特點。該模塊內置RA8802控制器可 內建512KByte的字型碼，支持文字與繪圖兩種混和顯示，可顯示中文字型(內置簡體字庫 GB碼)、數字符號、英日歐文等字母，使用者只要通過MCU對LM6063寫入中/英文字型碼， 就可以直接在IXD面板上顯示中英文字型。以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本實用新型創造並不限於所 述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可作出種種的等同 變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
權利要求1.基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵在於包括相互無線連 接的一接收機端和至少一發送機端，所述發送機端包括一發射模塊和至少一傳感器，所述 傳感器的輸出端與發射模塊的輸入端連接，所述接收機端包括一接收模塊和一用於顯示監 控的計算機，所述接收模塊的輸出端與計算機的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述發射模塊和接收模塊均為CClllO晶片。
3.根據權利要求1所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述傳感器為溫度傳感器和/或溼度傳感器。
4.根據權利要求3所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述溫度傳感器為LM92晶片。
5.根據權利要求3所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述溼度傳感器為SHTll晶片。
6.根據權利要求2所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述發射模塊還包括有用於存儲歷史數據的FLASH晶片。
7.根據權利要求2所述的基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，其特徵 在於所述發射模塊還包括用於顯示的液晶電路。
專利摘要本實用新型公開了一種基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀，包括相互無線連接的一接收機端和至少一發送機端，所述發送機端包括一發射模塊和至少一傳感器，所述傳感器的輸出端與發射模塊的輸入端連接，所述接收機端包括一接收模塊和一用於顯示監控的計算機，所述接收模塊的輸出端與計算機的輸入端連接。本實用新型應用無需架設線路的無線檢測方式，徹底地解決如電冰箱能效檢測等方面存在的精度差、操作困難等問題，提高了檢測效率、保證了檢測數據的準確性、降低了測量誤差，減輕了檢測員的工作強度，降低了操作難度。本實用新型作為一種基於微功率無線通信技術的電冰箱能效試驗測試儀應用於家電測試中。
文檔編號G08C17/02GK201819704SQ20102053041
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者餘軒, 傅培剛, 馮達, 姚東, 姜華, 張震坤, 武政, 熊英, 裴曉波, 顧小平 申請人:廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心