甘如華，郝 倩，曹韋瑜，成 兵，汪建民

（1.武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵總廠，湖北 武漢 430080；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.武漢蜂網(wǎng)科技公司，湖北 武漢 430083；4.武漢昊海立德科技有限公司，湖北 武漢 430080）

一、低功耗無線測溫系統(tǒng)概述

微電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了低功耗多功能傳感器技術(shù)的快速發(fā)展。其中的一個(gè)主流研究方向就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）。它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送至中控室。

當(dāng)前，很多無線測溫系統(tǒng)采用紅外或藍(lán)牙等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但紅外技術(shù)傳播有方向性且距離短，同時(shí)要求設(shè)備相對固定，另外無法辨識(shí)所測溫度為空氣溫度還是所測介質(zhì)溫度，測量結(jié)果波動(dòng)較大，不利于系統(tǒng)控制；藍(lán)牙技術(shù)復(fù)雜且功耗大，不宜在各測量點(diǎn)運(yùn)用。目前，如何高效使用能量來最大化節(jié)點(diǎn)的生命周期是一個(gè)問題。動(dòng)態(tài)電源管理、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)是開發(fā)測溫節(jié)點(diǎn)常用的方法。節(jié)點(diǎn)處理器和傳感器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能，因此無線通信模塊必須大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。在節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用CMOS技術(shù)開發(fā)的節(jié)點(diǎn)，接收和發(fā)送的功耗可以降到毫瓦級。對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Zig Bee(紫蜂)短程無線通信技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4GHz公用頻段，采用調(diào)頻技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾特性。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的容量大，能同時(shí)最多支持65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。強(qiáng)大的組網(wǎng)能力能自動(dòng)構(gòu)建星狀網(wǎng)絡(luò)(Star)、簇狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster)以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。它主要為工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、價(jià)格低廉。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)5號(hào)干電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。相比較，藍(lán)牙僅能工作數(shù)周，WiFi則僅可工作數(shù)小時(shí)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，一般選用Zig Bee來完成無線網(wǎng)絡(luò)的建立。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

1.硬件部分

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。在構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)方面有兩種選擇，其一是利用已經(jīng)存在的通信公用網(wǎng)，如公用蜂窩網(wǎng)，這種方式通常采用無線短程網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)及有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)送入上位計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理。其二是建立一個(gè)個(gè)人的無線網(wǎng)絡(luò)，如低功耗低速率的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4，Zig Bee技術(shù)就基于此無線通信協(xié)議。常見無線測溫系統(tǒng)如圖1所示。

另外，形成完整網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需要的定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、無線電跳頻擴(kuò)頻技術(shù)、時(shí)分多址控制技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的支撐技術(shù)，而跟蹤系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件研究平臺(tái)則是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用技術(shù)。

2.軟件部分

軟件上對Zig Bee協(xié)議棧（如圖2所示）進(jìn)行配置，構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的星型網(wǎng)絡(luò),即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)從機(jī)模塊。與PC機(jī)相連的模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它的主要任務(wù)有兩個(gè)：（1）負(fù)責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò)，即自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)，并給從機(jī)分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)；（2）從從機(jī)節(jié)點(diǎn)取得PC主機(jī)需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)之間的通信。從機(jī)模塊即為與溫度傳感器相連的Zig Bee模塊，一個(gè)從機(jī)模塊可以根據(jù)需要連接多個(gè)測溫探頭或溫度傳感器。

圖2 Zig Bee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

三、多路無線測溫系統(tǒng)概述

多處測溫費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不便于實(shí)現(xiàn)控制。多路無線測溫系統(tǒng)是解決此問題的一種方案，工作人員在一個(gè)地方就能夠測量到多處異地的溫度。接收范圍大于80m，常溫測量精度小于±0.5℃，電路設(shè)有警戒溫度自動(dòng)閃爍報(bào)警功能。該解決方案省時(shí)省力，測量方便，易于和其他裝置連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。

多路無線測溫與單路測溫的根本區(qū)別在于每只發(fā)射機(jī)都包含有定時(shí)自動(dòng)測溫發(fā)射功能。每只發(fā)射機(jī)在不需要自己測溫發(fā)射的時(shí)候處于關(guān)閉狀態(tài)。到了自己的測溫發(fā)射時(shí)間就自動(dòng)開啟發(fā)射。這樣，各發(fā)射機(jī)之間的測溫發(fā)射時(shí)間可以相互錯(cuò)開，實(shí)現(xiàn)了多路測溫的可能性。各發(fā)射機(jī)除測溫發(fā)射時(shí)間設(shè)定不同外，其他各參數(shù)全部相同。這樣，一只接收機(jī)就可以接收到多只發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號(hào)，只是在不同的時(shí)間內(nèi)接收到的是不同的發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號(hào)。綜合考慮設(shè)備成本和抗干擾性能，采用頻率作為系統(tǒng)的無線傳送信號(hào)。所以，每只發(fā)射機(jī)在其工作的時(shí)間內(nèi)，要把自己測到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率去調(diào)制載波，并發(fā)射到空中。而接收機(jī)把接收下來的信號(hào)解調(diào)后，一路把頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓去驅(qū)動(dòng)顯示電路，另一路直接送給報(bào)警電路，由報(bào)警電路根據(jù)預(yù)先設(shè)定的警戒溫度(頻率)決定是否需要報(bào)警。

合理設(shè)計(jì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋范圍，使系統(tǒng)具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、通信效率高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境比較復(fù)雜的檢測場所和自動(dòng)控制領(lǐng)域。針對目前工業(yè)現(xiàn)場對功耗、成本以及無線網(wǎng)絡(luò)的要求,低功耗無線測溫系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢。

四、應(yīng)用實(shí)例

將無線測溫技術(shù)應(yīng)用于煉鋼高爐齒輪箱的測溫中，具體實(shí)施方案如圖3所示。該高爐無線測溫系統(tǒng)用于檢測大型機(jī)械設(shè)備溫度的無線測溫裝置放置于冷軋卷曲機(jī)上，此處在高溫時(shí)極易出現(xiàn)潤滑失效，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障。監(jiān)測該處的實(shí)時(shí)溫度，可實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)知診斷，防止事故的發(fā)生，保證現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

圖3 無線測溫實(shí)際應(yīng)用示意圖

無線測溫系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集后，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集軟件就可以遠(yuǎn)程讀取機(jī)械設(shè)備的溫度信息，在軟件界面上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的溫度狀態(tài)，顯示設(shè)備測點(diǎn)處準(zhǔn)確的溫度數(shù)值，真正做到了遠(yuǎn)距離無線測溫。當(dāng)被測點(diǎn)溫度超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，就發(fā)出紅色報(bào)警信號(hào)，及時(shí)提醒有關(guān)人員采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。

五、結(jié)論

無線測溫技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。溫度指標(biāo)也成為工業(yè)測量領(lǐng)域的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。在工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際采用適合的測溫方案，準(zhǔn)確的記錄各類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況，保證工業(yè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1]美國邦納工程國際有限公司上海代表處.邦納無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在回轉(zhuǎn)窯上的應(yīng)用——無線測溫[J].自動(dòng)化博覽,2009,03.

[2]柯兆盛,郭樹旭,劉寶琦,凌子松,李英博.基于nRF401芯片的無線傳輸遠(yuǎn)程測溫系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2004,23(7).

[3]江朝暉,焦俊,潘煒,李紹穩(wěn).基于ZigBee的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,38(6).

[4]國大偉.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010,3(31).

[5]戴善溪,張效民.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)字式溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].China Academic Journal Electronic Publishing House，2010,2(2).

[6]鄧?yán)?王子敬,范玲俐.基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2010,2(2).

[7]鄭啟忠,朱宏輝,耿四軍.數(shù)字溫度傳感器DS18S20及無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004,11.

[8]易靈芝,王根平,彭寒梅,李衛(wèi)平.無線射頻收發(fā)模塊在遠(yuǎn)程測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004,23(190).

[9]楊立斌,朱連義,曹式海.結(jié)合Zigbee和GPRS的無線測溫系統(tǒng)在裝船機(jī)滾筒溫度檢測中的應(yīng)用[J].港口裝卸，2006,6,(170).