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

        2015-02-28 17:39:16錢承山胡二猛
        電子器件 2015年6期
        關(guān)鍵詞:電弧爐測溫上位

        錢承山,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溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測,鋼液溫度是冶金過程中的重要參數(shù)之一。但是面對日益老化的電弧爐,傳統(tǒng)有線測溫經(jīng)常發(fā)生線被燒斷的情況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一門新興技術(shù),利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決目前電弧爐有線測溫的不足[1-3]。傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)測溫點(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無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的無線測溫系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是一種近距離雙向無線傳輸技術(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)的無線通信,通過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)由測溫節(jié)點(diǎn),測溫監(jiān)測儀即中心節(jié)點(diǎn),上位機(jī)3個(gè)部分組成,測溫監(jiān)測儀通過RS485工業(yè)總線相連接,再經(jīng)過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)測溫節(jié)點(diǎn)以QRF0600無線收發(fā)模塊、DS18B20傳感器以及PIC單片機(jī)為核心。測溫監(jiān)測儀以QRF0 600和AVR單片機(jī)為核心。系統(tǒng)工作過程為:測溫節(jié)點(diǎn)通過DS18B20溫度傳感器獲取相應(yīng)位置的溫度,無線收發(fā)模塊QRF0600將數(shù)據(jù)打包經(jīng)無線傳輸?shù)綔y溫監(jiān)測儀,監(jiān)測儀顯示溫度值并且通過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、查詢、顯示等功能。

        圖1 無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2.1 測溫節(jié)點(diǎn)

        測溫節(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、無線收發(fā)模塊QRF0600和電源模塊組成,如圖2所示。

        圖2 測溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

        考慮測溫節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多,鋼鐵廠環(huán)境還比較惡劣,測溫節(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QRF0600的寄存器進(jìn)行讀寫控制。

        QRF0600是一個(gè)高輸出功率傳輸模塊,集成了無線收發(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)測溫節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)間而定。本文測溫節(jié)點(diǎn)工作模式功耗為休眠定時(shí)喚醒,經(jīng)過示波器測試,發(fā)射一次數(shù)據(jù)為9 mA,休眠時(shí)為5 μA,這樣大大降低了測溫節(jié)點(diǎn)的功耗。如果測溫節(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)接收測溫節(jié)點(diǎn)傳來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)

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

        測溫節(jié)點(diǎn)上電后先對硬件進(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,測溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集和無線發(fā)送,程序流程如圖5所示。

        圖5 測溫節(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)測溫節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)之間通過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)中通過軟件已將各節(jié)點(diǎn)物理地址固定[11-12]。

        Visual Studio是Windows平臺目前最流行的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境,上位機(jī)軟件是基于Visual Studio 2010使用C#語言開發(fā)的應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)對各個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的處理和動態(tài)顯示;溫度曲線動態(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,對整個(gè)電弧爐分布式溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測試。測試地點(diǎn)為安徽馬鞍山鋼鐵廠。測試用到3個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)通過4×4矩陣按鍵設(shè)置時(shí)間和測溫點(diǎn)數(shù)目,并且通過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。其中被測名稱為測溫節(jié)點(diǎn)的名字,序號為測溫節(jié)點(diǎn)的地址,測試所用3個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)分別為A01、A04、A05。測溫節(jié)點(diǎn)每隔1 min發(fā)送一次數(shù)據(jù),測溫節(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)刻所測數(shù)據(jù)部分截圖如圖8所示,A01測溫曲線如圖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 電弧爐無線測溫參數(shù)設(shè)置

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

        圖9 測試所測溫度曲線

        5 結(jié)束語

        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)的無線傳輸模塊QRF0600的無線測溫系統(tǒng)具備測溫準(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)對電弧爐的無線測溫,可以實(shí)現(xiàn)對溫度測量要求較高且不宜進(jìn)行有線數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)測的場合,應(yīng)用前景十分廣闊。

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        錢承山(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)殡姎庾詣踊?、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。

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