吳意樂,何 慶,徐同偉

(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽 550025)

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基于ZigBee和MLX90614的鋁電解槽溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計*

吳意樂,何 慶*,徐同偉

(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽 550025)

針對鋁電解槽側(cè)壁傳統(tǒng)溫度檢測誤差大、時間不連續(xù)、成本昂貴、信噪比低等問題,設(shè)計了一種基于ZigBee和MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器的鋁電解槽側(cè)壁溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件選用CC2530為主芯片,MLX90614為溫度測量傳感器;系統(tǒng)軟件基于TI公司的ZStack-2.5.1a協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計,同時開發(fā)基于B/S模式(服務(wù)器/瀏覽器模式)的上位機軟件幫助工作人員實時查看和分析溫度數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場測試結(jié)果證明:該系統(tǒng)部署方便,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠,節(jié)點采集溫度的誤差在3 ℃以內(nèi),上位機軟件正常工作。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁電解槽側(cè)壁溫度的實時監(jiān)測。

鋁電解槽;ZigBee;MLX90614紅外溫度傳感器;ZStack-2.5.1a協(xié)議棧;B/S模式

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對信息傳輸質(zhì)量的要求也在不斷提高,傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已經(jīng)很難滿足當(dāng)前的需求,基于無線通信方式的通信技術(shù),如ZigBee、Bluetooth、WiFi和UWB等通信技術(shù)應(yīng)運而生,通過對上述通信技術(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)ZigBee是一種低功耗、低速率、短距離和低成本的無線通信技術(shù)。目前,基于ZigBee技術(shù)的WSN的研發(fā)成為了國內(nèi)外競爭發(fā)展的一個熱點,在工業(yè)控制、家庭小數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

近年來,許多國內(nèi)外學(xué)者對基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn):文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種基于DS18B20溫度傳感器的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)有線溫度測量造價貴、信噪比低等問題;文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種監(jiān)測機房環(huán)境溫度的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),為機房溫度的監(jiān)控提供了一種新思路;文獻(xiàn)[4]設(shè)計了基于ZigBee的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng),其中傳感器采用HK-2000A壓電脈搏傳感器和DS18B20溫度傳感器;文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于ZigBee的可穿戴式病房無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng),遠(yuǎn)程管理病人信息并提供報警功能。由于這些論文中的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)大多都只處于初始搭建階段,且所使用的溫度傳感器都是傳統(tǒng)熱敏電阻或DS18B20溫度傳感器,存在量程小、誤差大、靈敏度低等缺陷,不適合對惡劣環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。

鋁電解槽爐膛形狀的好壞直接反映到側(cè)壁的溫度上。目前大多數(shù)鋁廠都是通過人工進(jìn)行鋁電解槽側(cè)壁溫度的檢測,這種方法雖然簡便,但存在誤差大、易出錯、時間不連續(xù)等問題;而有線溫度測量存在線路復(fù)雜、成本昂貴、信噪比低等弊端,如文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種基于Web的鋁電解槽溫度監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)存在布線困難,成本昂貴的問題,且可測溫度范圍只有150 ℃～320 ℃,無法適應(yīng)鋁電解槽槽殼溫度的實時采集。因此,本文將設(shè)計一種基于ZigBee協(xié)議棧的鋁電解槽溫度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò),其中ZigBee芯片采用CC2530,溫度傳感器選用MLX90614紅外溫度傳感器,同時開發(fā)基于B/S模式的溫度數(shù)據(jù)顯示和分析界面,形成一套安裝方便,無需布置線路,適應(yīng)能力強的鋁電解槽側(cè)壁溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)。最后通過現(xiàn)場測試驗證了本系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)精度等方面都能達(dá)到預(yù)期的效果,能夠?qū)崿F(xiàn)鋁電解槽側(cè)壁溫度的實時監(jiān)測;同時,該系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種惡劣工業(yè)環(huán)境的溫度監(jiān)測要求,具有普遍的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上,它的主要特點是低速率、低功耗以及能夠?qū)崿F(xiàn)自組無線網(wǎng)絡(luò)[7]。工作頻率分別是2.4 GHz和868/915 MHz[8]。根據(jù)ZigBee協(xié)議,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種不同的設(shè)備:協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端節(jié)點(End-Device)[9]。

ZigBee協(xié)議棧就是將各層定義的協(xié)議集合起來,并通過函數(shù)的形式實現(xiàn),供用戶在應(yīng)用層內(nèi)直接調(diào)用。在開發(fā)基于ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用時需要做的主要是在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫和改進(jìn)。

1.2 本文系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的基本組成單元包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點、中心服務(wù)器。其中,協(xié)調(diào)器的主要功能是建立ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點地址,管理節(jié)點并將終端節(jié)點采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器;終端節(jié)點的主要功能是加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,同時采集溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器[10];路由器的主要功能是擴大ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,當(dāng)終端節(jié)點無法與協(xié)調(diào)器進(jìn)行直接通信,則需要路由器轉(zhuǎn)發(fā)溫度數(shù)據(jù);中心服務(wù)器將接收到的溫度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,并通過B/S模式將溫度數(shù)據(jù)在瀏覽器中在線實時顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 芯片及溫度傳感器選型

相比CC2430,CC2530的緩存作了進(jìn)一步增大,存儲容量最大支持256 kbyte,CC2430最大只支持128 kbyte;同時,CC2530的功耗相比CC2430有所降低;在ZigBee協(xié)議支持方面,CC2530支持全新的ZigBee 2007/PRO協(xié)議,該協(xié)議相比之前的協(xié)議具有更好的節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負(fù)荷管理等優(yōu)勢,并且CC2530的價格更加低廉?；谏鲜鲞@些優(yōu)越特性以及鋁電解廠惡劣的工作環(huán)境,本文使用CC2530作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主芯片。

溫度傳感器方面,由于鋁電解槽側(cè)壁溫度一般大于200 ℃,傳統(tǒng)的DS18B20溫度傳感器的測溫范圍是-25 ℃～125 ℃,無法達(dá)到測得鋁電解槽側(cè)壁溫度,且它是一種接觸式溫度傳感器,靈敏度低,同時,由于側(cè)壁溫度過高,接觸后容易燒壞。MELEXIS公司生產(chǎn)的MLX90614溫度傳感器是一種非接觸式紅外溫度傳感器,該溫度傳感器內(nèi)部集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測器芯片MLX81101和信號處理專用集成芯片MLX90302,它的測量范圍是-70 ℃～382.2 ℃,精度高,誤差小,靈敏度高[11]。綜合考慮后,本文選用MLX90614溫度傳感器。

2.2 終端節(jié)點硬件設(shè)計

由于鋁電解槽惡劣的工作環(huán)境,終端節(jié)點在實現(xiàn)對側(cè)壁溫度的實時采集功能外,還需要有安裝方便、通信距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點。終端節(jié)點由CC2530處理器模塊、MLX90614溫度傳感器模塊、射頻天線模塊、時鐘電路模塊和電池電源模塊組成,其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2530處理器模塊的功能是執(zhí)行ZigBee通信協(xié)議,完成數(shù)據(jù)的處理、接收和發(fā)送以及對MLX90614溫

度傳感器模塊的管理等;MLX90614溫度傳感器模塊的功能是采集鋁電解槽側(cè)壁溫度數(shù)據(jù);射頻天線模塊由無線射頻電路和天線構(gòu)成,用于完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)。終端節(jié)點具體電路原理圖如圖3所示。

MLX90614溫度傳感器有4個引腳:GND地、Vdd外部電源電壓、SCL兩線通信協(xié)議的串行時鐘信號、SDA數(shù)字信號I/O。MLX90614通過SMBus串口通信方式與CC2530芯片相連接,其中SCL引腳和SDA引腳分別通過22 kΩ的上拉電阻與CC2530的兩個I/O口P0_6和P0_7相連,上拉電阻與3.3 V電源連接,保證I/O口確定的電平信號。

圖3 終端節(jié)點電路原理圖

圖5 CH340G串口通信模塊電路原理圖

2.3 協(xié)調(diào)器和路由器硬件設(shè)計

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要與服務(wù)器進(jìn)行串口通信,無需采集溫度數(shù)據(jù),且協(xié)調(diào)器放置在服務(wù)器附近,使用USB供電即可,無需電池供電。因此,其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。結(jié)構(gòu)圖中CH340G串口通信模塊電路圖如圖5所示。

圖4 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2530處理器通過P0_2口和P0_3口與USB進(jìn)行通信,中心服務(wù)器可以接收來自協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。

與協(xié)調(diào)器相比,路由器無需與服務(wù)器進(jìn)行串口通信,它只做數(shù)據(jù)中繼功能,即將接收到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點,延伸通信距離[12]。其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 路由器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖7 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件部分采用C語言在IAR平臺上完成開發(fā)和調(diào)試,協(xié)議棧使用TI公司的ZStack-2.5.1a。協(xié)調(diào)器的任務(wù)是選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號新建網(wǎng)絡(luò),分配節(jié)點地址,接收節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器,它的軟件流程圖如圖7所示。

終端節(jié)點的任務(wù)是搜索ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò),周期性的采集、處理和發(fā)送溫度數(shù)據(jù),它的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 終端節(jié)點軟件流程圖

MLX90614溫度傳感器與CC2530之間通過SMBus串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[13]。MLX90614作為唯一的從設(shè)備識別地址為0x00,它有16個RAM存儲單元,地址范圍為0x00-0x0F。其中,0x06和0x07兩個地址分別存儲了環(huán)境溫度Ta和物體溫度To。CC2530(主設(shè)備)和MLX90614(從設(shè)備)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是基于SMBus協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式以字節(jié)為單位進(jìn)行(1個字節(jié)等于8 bit)。CC2530每次發(fā)送1個字節(jié),如果MLX90614有應(yīng)答,則CC2530繼續(xù)發(fā)下1個字節(jié);如果MLX90614無應(yīng)答,則CC2530重復(fù)發(fā)送原來的字節(jié),直到接收到MLX90614的應(yīng)答信號,重復(fù)達(dá)到一定次數(shù)后還未收到應(yīng)答信號,則停止發(fā)送字節(jié)。

首先,CC2530通過SMBus串口協(xié)議向MLX90614發(fā)送0x00,如果MLX90614有應(yīng)答信號,則表明成功訪問MLX90614,否則重復(fù)發(fā)送該字節(jié),直到接收到應(yīng)答信號為止,超過10次則停止發(fā)送;然后發(fā)送0x07讀取MLX90614該地址單元內(nèi)的物體溫度數(shù)據(jù)To(發(fā)送0x06則讀取環(huán)境溫度數(shù)據(jù)Ta)。

由于讀取到的溫度數(shù)據(jù)To是16 bit二進(jìn)制數(shù)據(jù),首先將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)Tod:

Tod=256ToH+ToL

(1)

Tod是華氏溫度的50倍,因此,被測物體的攝氏溫度T的求解表達(dá)式為:

T=Tod/50-273.15

(2)

3.2 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過B/S模式設(shè)計上位機軟件,對多個終端溫度測量節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控,其主要功能有:

①歷史數(shù)據(jù)存儲和查詢:通過PHP串口類dio讀取USB串口接收到的溫度數(shù)據(jù)并存入MySQL數(shù)據(jù)庫,工作人員可以輸入時間范圍和節(jié)點號進(jìn)行實時查詢。②實時數(shù)據(jù)顯示:通過PHP讀取MySQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)不同節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)、日期和時間,并在Web界面實時顯示。③溫度報警:可以設(shè)置溫度閾值,當(dāng)某節(jié)點溫度超過閾值,顏色變紅,從而實現(xiàn)報警功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 網(wǎng)絡(luò)可靠性測試

通過自組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點各一個,數(shù)據(jù)3 s發(fā)送一次,測試兩個節(jié)點之間隨著距離的變化的數(shù)據(jù)傳輸丟包率,表1為網(wǎng)絡(luò)中路由器和終端節(jié)點在不同通信距離的數(shù)據(jù)傳輸丟包情況。

從表1可以看出,當(dāng)兩節(jié)點之間距離在40 m內(nèi),數(shù)據(jù)傳輸基本不會出現(xiàn)丟包,當(dāng)距離達(dá)到60 m,數(shù)據(jù)基本全部丟失。在鋁廠中,兩個鋁電解槽的間距不超過5 m,鋁電解槽長度在10 m左右,因此,每個鋁電解槽邊安裝一個路由器,可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

表1 不同距離數(shù)據(jù)傳輸情況

4.2 現(xiàn)場測試

在遵義鋁電解廠現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)初步測試,使用8個終端測溫節(jié)點對一個鋁電解槽不同位置的側(cè)壁進(jìn)行溫度監(jiān)控,溫度讀取時間間隔為60 s,鋁電解槽附近放置兩個路由器節(jié)點為鋁電解槽兩邊的傳感器節(jié)點做中繼功能,具體網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖9所示。

由于現(xiàn)場溫度高,傳感器節(jié)點電路板難以持續(xù)在較高溫度下進(jìn)行工作,因此,本系統(tǒng)終端傳感器節(jié)點由硅酸鈣保溫盒包裹,其實物圖如圖10所示。

系統(tǒng)上電,待無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立,所有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并開始工作后,鋁廠工作人員通過瀏覽器查看和分析鋁電解槽側(cè)壁溫度數(shù)據(jù),基于B/S模式的溫度顯示界面(截圖)和歷史溫度分析界面分別如圖11和12所示。

圖11 B/S模式節(jié)點溫度顯示界面(截圖)

圖9 網(wǎng)絡(luò)配置圖

圖10 終端節(jié)點實物圖

圖12 B/S模式節(jié)點歷史溫度分析界面

其中,上位機軟件設(shè)置報警溫度為300 ℃(可變),可以看到,當(dāng)某節(jié)點采集的溫度超過300 ℃,該節(jié)點方框內(nèi)字體顏色變紅。

為了測試本系統(tǒng)終端節(jié)點溫度采集的精確度,現(xiàn)在對其精度進(jìn)行測試,將紅外溫槍所測溫度和節(jié)點D的采集溫度做對比,對比結(jié)果如圖13所示。

圖13 節(jié)點和紅外溫槍測量溫度對比

通過上述測試可以看出,本文設(shè)計的系統(tǒng)所測溫度的誤差保持在3 ℃以內(nèi)(鋁廠工作人員要求誤差在5 ℃以內(nèi)),可以相對精確的完成對鋁電解槽側(cè)壁溫度的實時監(jiān)測;相對于文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[6]中的系統(tǒng),本文系統(tǒng)溫度傳感器能夠采集320 ℃以上的溫度(一般鋁電解槽側(cè)報警溫度閾值一般設(shè)置在320 ℃以上),且該系統(tǒng)部署方便,無需布置線路;上位機軟件方面,相比文獻(xiàn)[2-3]中的系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了以折線圖的形式呈現(xiàn)不同節(jié)點任意時間段內(nèi)采集溫度的變化趨勢,有效幫助鋁廠工作人員進(jìn)行鋁電解槽槽況分析。

5 結(jié)論

本文針對鋁廠傳統(tǒng)人工鋁電解槽側(cè)壁溫度檢測的誤差大、易出錯、時間不連續(xù),有線溫度測量的線路復(fù)雜、成本昂貴、信噪比低等問題,設(shè)計了以CC2530和MLX90614溫度傳感器為核心的鋁電解槽側(cè)壁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。其中詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件和軟件的設(shè)計,其節(jié)點設(shè)計簡單、性能穩(wěn)定、實用性強,同時開發(fā)了基于B/S模式的上位機軟件,能夠有效幫助工作人員進(jìn)行實時查看和分析鋁電解槽側(cè)壁不同位置當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和歷史溫度數(shù)據(jù)變化趨勢。

通過現(xiàn)場測試結(jié)果表明:相比其他文獻(xiàn)中的系統(tǒng),本文設(shè)計的基于ZigBee和MLX90614的鋁電解槽側(cè)壁溫度監(jiān)測系統(tǒng)安裝方便,無需布置線路,在適應(yīng)能力、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)精度等方面都達(dá)到了預(yù)期的效果,能夠?qū)崿F(xiàn)對鋁電解槽側(cè)壁溫度的實時監(jiān)測;同時該系統(tǒng)測溫范圍廣,性能穩(wěn)定,能夠適應(yīng)各種惡劣工業(yè)環(huán)境的溫度監(jiān)測要求,具有普遍的應(yīng)用價值。

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吳意樂(1991-),男,碩士研究生,貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能算法,250770274@qq.com;

何 慶(1982-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò),認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),16353735@qq.com;

徐同偉(1991-),男,碩士研究生,貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,主要研究方向為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),981667856@qq.com。

FDesign of Temperature Monitoring System for Aluminum Reduction Cells Based on ZigBee and MLX90614*

WUYile,HEQing*,XUTongwei

(College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Aiming at the problems through the traditional temperature measurement in side wall of aluminum reduction cells that error is large,time is not continuous,cost is expensive and SNR is low,a temperature monitoring system for the side wall of aluminum reduction cells based on ZigBee and MLX90614 non contact infrared temperature sensor is designed. CC2530 is selected as the master chip and MLX90614 is selected as the temperature measuring sensor of the hardware of the system. The software of the system is designed based on ZStack-2.5.1a protocol stack of TI company. At the same time, the upper computer software is developed based on B/S mode(server/browser mode)to help staff view and analyze temperature data in real time. The field test results show that the system is easy to deploy and the transmission of network data is reliable. The error of the temperature of node acquisition is less than 3 degrees Celsius and the upper computer software works properly. The system can realize the real-time monitoring of the temperature of the side wall of aluminum reduction cells.

aluminum reduction cells;ZigBee;MLX90614 infrared temperature sensor;ZStack-2.5.1a protocol stack;B/S mode

項目來源:貴州省科技廳項目基金(黔科合LH字[2014]7628);貴州省科技廳項目基金(黔科合J字[2012]2171);貴州省教育廳青年科技人才成長項目(黔教合KY字[2016]124);貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(研理工2017012)

2016-09-22 修改日期:2016-10-29

TP393;TN92

A

1004-1699(2017)03-0477-07

C:7210G;6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.024