基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電弧爐無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

錢(qián)承山，許 強(qiáng)，胡二猛，俞 露，劉 驍

（1.南京信息工程大學(xué)江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工程中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044）

溫度檢測(cè)在建筑、電力、水利、冶金等工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，鋼鐵廠煉鋼電弧爐需要對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鋼液溫度是冶金過(guò)程中的重要參數(shù)之一。但是面對(duì)日益老化的電弧爐，傳統(tǒng)有線測(cè)溫經(jīng)常發(fā)生線被燒斷的情況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一門(mén)新興技術(shù)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)解決目前電弧爐有線測(cè)溫的不足［1-3］。傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫點(diǎn)少、布線麻煩、系統(tǒng)的兼容性差［4］。本文根據(jù)具體項(xiàng)目要求將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在煉鋼廠電弧爐的分布式溫度采集系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是一種近距離雙向無(wú)線傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)是功耗低、可靠性高以及復(fù)雜度低［5-7］。本系統(tǒng)中通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信，通過(guò)RS232和RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，測(cè)溫監(jiān)測(cè)儀即中心節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)3個(gè)部分組成，測(cè)溫監(jiān)測(cè)儀通過(guò)RS485工業(yè)總線相連接，再經(jīng)過(guò)RS485轉(zhuǎn)RS232模塊連接上位機(jī)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)以QRF0600無(wú)線收發(fā)模塊、DS18B20傳感器以及PIC單片機(jī)為核心。測(cè)溫監(jiān)測(cè)儀以QRF0 600和AVR單片機(jī)為核心。系統(tǒng)工作過(guò)程為：測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過(guò)DS18B20溫度傳感器獲取相應(yīng)位置的溫度，無(wú)線收發(fā)模塊QRF0600將數(shù)據(jù)打包經(jīng)無(wú)線傳輸?shù)綔y(cè)溫監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)儀顯示溫度值并且通過(guò)RS485和RS232的轉(zhuǎn)換將接收到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、顯示等功能。

圖1 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集和發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。它由溫度傳感器DS18B20、單片機(jī)PIC16F648A、無(wú)線收發(fā)模塊QRF0600和電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

考慮測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，鋼鐵廠環(huán)境還比較惡劣，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)微控制器選擇Microchip生產(chǎn)的PIC16F648A高抗干擾單片機(jī)，通過(guò)選用單片機(jī)的4個(gè)I/O口模擬SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸入（MISO）、串行數(shù)據(jù)輸出（MOSI）、串行通信時(shí)鐘（SCK）和片選控制（/SS）引腳對(duì)QRF0600的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)控制。

QRF0600是一個(gè)高輸出功率傳輸模塊，集成了無(wú)線收發(fā)芯片UZ2400，天線。UZ2400性能穩(wěn)定且功耗極低，它的選擇性和靈敏性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性［8］。

電源模塊采用以色列TADIRAN塔迪蘭進(jìn)口電池，該電池是工業(yè)上常用的鋰電池，電壓為3.6 V，容量為1 200 mAH。該電池的特點(diǎn)是安全、可靠、重量輕、電壓穩(wěn)定等。電池使用壽命需要根據(jù)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)間而定。本文測(cè)溫節(jié)點(diǎn)工作模式功耗為休眠定時(shí)喚醒，經(jīng)過(guò)示波器測(cè)試，發(fā)射一次數(shù)據(jù)為9 mA，休眠時(shí)為5 μA，這樣大大降低了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的功耗。如果測(cè)溫節(jié)點(diǎn)設(shè)置3 min發(fā)射一次數(shù)據(jù)，該電池大概可以使用3y。從而避免的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)經(jīng)常更換電池的麻煩。

2.2 中心節(jié)點(diǎn)

中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收測(cè)溫節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息并上傳給上位機(jī)，同時(shí)用液晶屏顯示方便現(xiàn)場(chǎng)察看。中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中心節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮價(jià)格、功耗、性能，中心節(jié)點(diǎn)MCU選擇AVR單片機(jī)。Atmega128a的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1（Million Instruction/s）/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾［9］。由于中心節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)期工作，所以電源采用電網(wǎng)交流供電。

普通計(jì)算機(jī)輸出串口為RS232串行總線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率慢，傳輸距離短［10］。中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485總線連接，不僅提高通信的可靠性和傳輸距離，還增加了多點(diǎn)雙向通信能力。PC機(jī)和中心節(jié)點(diǎn)之間需要實(shí)現(xiàn)RS232與RS485間的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 RS232-RS485串口通信轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)3部分。

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)上電后先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，然后搜索ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果存在則加入，加入后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定采集定時(shí)時(shí)間到，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集和無(wú)線發(fā)送，程序流程如圖5所示。

圖5 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)流程圖

中心節(jié)點(diǎn)程序流程如圖6所示。系統(tǒng)擁有中心節(jié)點(diǎn)和多個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)不同的物理地址信息進(jìn)行區(qū)分，中心控制節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行查詢操作時(shí)，首先需要確定目的節(jié)點(diǎn)的物理地址。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)軟件已將各節(jié)點(diǎn)物理地址固定［11-12］。

Visual Studio是Windows平臺(tái)目前最流行的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，上位機(jī)軟件是基于Visual Studio 2010使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的處理和動(dòng)態(tài)顯示；溫度曲線動(dòng)態(tài)顯示和歷史曲線查詢；報(bào)警溫度設(shè)置和歷史報(bào)警查詢。

圖6 中心節(jié)點(diǎn)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

在完成了軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試之后，對(duì)整個(gè)電弧爐分布式溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)為安徽馬鞍山鋼鐵廠。測(cè)試用到3個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)4×4矩陣按鍵設(shè)置時(shí)間和測(cè)溫點(diǎn)數(shù)目，并且通過(guò)485轉(zhuǎn)232模塊連接至上位機(jī)。與上位機(jī)通信參數(shù)設(shè)置如圖7所示。其中被測(cè)名稱為測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的名字，序號(hào)為測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的地址，測(cè)試所用3個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)分別為A01、A04、A05。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)每隔1 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的距離為50 m并且中途隔2層墻，某一時(shí)刻所測(cè)數(shù)據(jù)部分截圖如圖8所示，A01測(cè)溫曲線如圖9所示，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置報(bào)警溫度為30℃，若超過(guò)報(bào)警溫度，上位機(jī)溫度顯示值變?yōu)榧t色，同時(shí)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警聲音。

圖7 電弧爐無(wú)線測(cè)溫參數(shù)設(shè)置

圖8 電弧爐無(wú)線測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 測(cè)試所測(cè)溫度曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠應(yīng)用在鋼鐵廠電弧爐分布式溫度采集系統(tǒng)中，由PIC16F648A單片機(jī)控制的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，Atmega128a單片機(jī)控制的中心節(jié)點(diǎn)，和基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳輸模塊QRF0600的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)具備測(cè)溫準(zhǔn)確、組網(wǎng)靈活、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電弧爐的無(wú)線測(cè)溫，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量要求較高且不宜進(jìn)行有線數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合，應(yīng)用前景十分廣闊。

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錢(qián)承山（1971-），男，漢族，山東泰安，南京信息工程大學(xué)，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、智能終端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，qianchengshan@163.com；

許 強(qiáng)（1989-），男，漢族，江蘇揚(yáng)州，南京信息工程大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用，xuqiang8620862@163.com。