嚴(yán)林波，殷志堅(jiān)

(1.南昌理工學(xué)院電子與信息學(xué)院，江西南昌 330044；2.江西科技師范大學(xué)通信與電子學(xué)院，江西南昌 330013)

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，尤其工業(yè)顆粒不僅污染環(huán)境而且損壞人身健康[1]。氣流分布是袋式除塵器的一項(xiàng)重要因素，壓力分布均勻且穩(wěn)定可以讓除塵效率高達(dá)90%，濾袋在使用過程中會(huì)產(chǎn)生表面破損等問題，通過監(jiān)測壓力分布可以提高除塵器的效率和使用壽命[2]，因此開發(fā)一種基于ZigBee無線技術(shù)的分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

1 袋式除塵器的壓力監(jiān)測原理

袋式除塵器按照結(jié)構(gòu)不同可以分為袋式、電式除塵器、濕式除塵器等，按照進(jìn)出口氣流方向可以分為上進(jìn)氣口、中進(jìn)氣口、下進(jìn)氣口等[3]，本文袋式除塵器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，進(jìn)氣口在下方更加有利于2個(gè)濾袋的氣流平衡，噴氣管在上方用于清理濾袋上的灰塵，凈化室為封閉空間可以保證清潔濾袋設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，出氣口與進(jìn)氣口在相反的方向可以提高袋式除塵器的濾塵效率。

圖1 袋式除塵器原理

2 壓力檢測硬件

分布式壓力檢測系統(tǒng)按照模塊可以分為壓力檢測部分和數(shù)據(jù)傳輸部分，壓力檢測部分主要為壓力檢測的硬件和壓力數(shù)據(jù)補(bǔ)償部分[4]，數(shù)據(jù)傳輸部分為建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并使終端連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中并傳輸數(shù)據(jù)。

2.1 硬件檢測系統(tǒng)

硬件檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示，壓力采集模塊為分布式安裝，可以根據(jù)濾袋的粗細(xì)、長度等安裝在濾袋任意部分，壓力采集模塊的芯體需要根據(jù)壓力監(jiān)測范圍確定，本系統(tǒng)采用100 kPa的壓力芯體[5]，壓力采集部分的信號(hào)調(diào)理電路為ZSC31050，最多可以補(bǔ)償5個(gè)溫度點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸需要將壓力采集終端連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯總，分配物理地址后再置位接收系統(tǒng)的寄存器才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

圖2 硬件整體架構(gòu)

2.2 壓力采集電路

壓力采集電路按照溫度補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)可以分為5、64、128點(diǎn)等，隨著溫度補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)增加，系統(tǒng)采集精度會(huì)提高，但采集傳輸速度會(huì)降低[6]，本系統(tǒng)需要保證時(shí)效性，因此采用5點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)腪SC31050。本芯片可以兼容大部分橋式芯體，溫度補(bǔ)償既可以采用芯片內(nèi)部溫度也可用外界溫度傳感器，內(nèi)置的校準(zhǔn)公式存放在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。壓力檢測模塊應(yīng)用電路如圖3所示，溫度測量采用外部溫度二極管D53，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過SPI總線存入內(nèi)部存儲(chǔ)器中，供電引腳+5 V引腳連接到200 nF電容，輸出部分OUT引腳為0～15 V電壓信號(hào)，輸入信號(hào)VBR和VINP連接到芯體全橋的中點(diǎn)位置，芯體需要+5 V電源供電，電阻R461經(jīng)過壓力擠壓變形時(shí)阻值會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過電路檢測后轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)。

圖3 壓力檢測模塊

2.3 ZigBee硬件電路

ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要高穩(wěn)定性和抗干擾能力，TI公司將2.4 GHz、ZigBee集成在同一片上系統(tǒng)中，這樣就可以用很低的成本建立一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[7]，本RF收發(fā)器可以在高速和低功耗模式之間快速切換，轉(zhuǎn)換時(shí)間短可以保證系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，而且內(nèi)部集成了51內(nèi)核和ZigBee協(xié)議棧。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件電路具體應(yīng)用如圖4所示，內(nèi)部偏置電阻R465根據(jù)芯片功率要求設(shè)計(jì)為56 kΩ，Q2和Q1引腳連接到32 kHz的RC振蕩器中，這個(gè)低速振蕩器可以保證系統(tǒng)在低功耗模式下運(yùn)行，XOSC_Q2和XOSC_Q1連接到32 MHz的振蕩器中，主要用于RF信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)使用。RF_N和RF_P信號(hào)連接到天線，LC和CLC電路的并聯(lián)使用保證在高低頻段信號(hào)的穩(wěn)定性和靈敏度[8]，信號(hào)通過天線可以發(fā)射的輸出功率為4.5 dBm。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件電路

3 分布式壓力監(jiān)測軟件系統(tǒng)

分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置和壓力測量誤差補(bǔ)償。ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置主要針對(duì)CC2530的配置過程，使網(wǎng)絡(luò)中的RF接收器正常運(yùn)行，壓力測量誤差補(bǔ)償為壓力檢測標(biāo)定和溫度補(bǔ)償過程。

3.1 ZigBee系統(tǒng)的配置

ZigBee系統(tǒng)作為中間環(huán)節(jié)，起到接收數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)的重要作用，因此穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)識(shí)別效率非常重要，在本系統(tǒng)中，ZigBee系統(tǒng)配置程序如圖5所示，系統(tǒng)上電后先對(duì)CC2530初始化，初始化包括I/O引腳使能、系統(tǒng)時(shí)鐘配置、引腳時(shí)鐘配置、輸出信號(hào)類型等[9]，網(wǎng)絡(luò)的建立主要為配置ZigBee協(xié)議棧，置位接收寄存器用于判斷接收的信號(hào)是數(shù)據(jù)還是新設(shè)備，數(shù)據(jù)首位為0開頭為數(shù)據(jù)，如果開頭為1為新設(shè)備，新設(shè)備需要為終端配置物理地址并發(fā)送確認(rèn)指令，如果是數(shù)據(jù)則傳輸至上位機(jī)顯示。

圖5 ZigBee系統(tǒng)配置程序

3.2 壓力測量誤差補(bǔ)償

壓力測量誤差補(bǔ)償程序在系統(tǒng)上電后先完成系統(tǒng)自檢、任務(wù)管理等，待系統(tǒng)穩(wěn)定后開始檢測壓力信號(hào)和溫度信號(hào)，壓力補(bǔ)償算法如圖6所示。信號(hào)檢測部分為壓力和溫度2部分，溫度用于補(bǔ)償壓力從低到高時(shí)的溫度漂移[10]，壓力檢測部分采集電壓信號(hào)，先要對(duì)電壓信號(hào)和壓力進(jìn)行標(biāo)定，完成后應(yīng)用合適的濾波器來提高信號(hào)信噪比[11]，然后檢測全橋中阻值的變化并轉(zhuǎn)化為壓力輸出信號(hào)，溫度補(bǔ)償部分采集完阻值后先要標(biāo)定到0 ℃，經(jīng)過溫度零點(diǎn)補(bǔ)償后的壓力數(shù)值更接近實(shí)際值。

圖6 壓力補(bǔ)償算法

4 壓力測試

利用240 cm除塵器濾袋檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)，首先在2個(gè)濾袋上平均分布監(jiān)測不同位置的壓力[12]，然后在不同壓力下根據(jù)噴氣管最近位置的壓力數(shù)值判斷檢測系統(tǒng)的測量誤差。

4.1 壓力分析實(shí)驗(yàn)

濾袋上的壓力檢測過程主要為了驗(yàn)證分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在濾袋1和濾袋2上等距離放置多個(gè)壓力測試點(diǎn)，濾袋長度為240 cm，具體壓力點(diǎn)試驗(yàn)布置如圖1所示，4個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)的位置分別為0、80、160、240 cm，2個(gè)濾袋上都放置在同位置處。

在噴氣管中噴出30 kPa的壓力，根據(jù)壓力點(diǎn)試驗(yàn)布置圖檢測出的結(jié)果如圖7所示，濾袋1的壓力結(jié)果顯示在入風(fēng)口和出風(fēng)口的壓力都比較低，在4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，80 cm處的壓力最大，在入風(fēng)口的壓力下跌最嚴(yán)重，符合實(shí)際袋式除塵器內(nèi)的氣體壓力情況，同樣濾袋2在出風(fēng)口的壓力最小，在4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，80 cm處壓力也是最大，并且除塵器內(nèi)部的最高壓力為27 kPa，符合實(shí)際噴氣管壓力情況。

圖7 不同位置的壓力檢測結(jié)果

4.2 測量誤差實(shí)驗(yàn)

本次測量誤差試驗(yàn)選擇的壓力傳感器為0 cm處，通過對(duì)比理論值、補(bǔ)償前和補(bǔ)償后實(shí)測值3個(gè)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)，依次在0、3、6、9、12、15、18、21 kPa測量不同的壓力值，具體結(jié)果如圖8所示。測量正行程壓力顯示補(bǔ)償前的數(shù)據(jù)存在溫度振蕩現(xiàn)象，補(bǔ)償后的實(shí)測值雖然存在正反行程遲滯但減弱了振蕩現(xiàn)象，而且與理論值保持一致。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種袋式除塵器的分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)，采用分布式的方法采集壓力信號(hào)，首先分析袋式除塵器系統(tǒng)的原理，然后對(duì)壓力采集電路和ZigBee電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)壓力補(bǔ)償程序和ZigBee配置的軟件系統(tǒng)，利用240 cm除塵器濾袋檢測實(shí)驗(yàn)分析壓力。結(jié)果顯示監(jiān)測系統(tǒng)可以精確識(shí)別出袋式除塵器的壓力分布。

圖8 距離噴氣管最近的壓力檢測