崔金玉

(延安職業(yè)技術學院機電工程系，陜西 延安 716000)

隨著我國科技的不斷進步，使無線通信技術及傳感器技術的發(fā)展日趨成熟，被廣泛應用于多個領域。無線通信技術主要利用電磁場作為媒介實現(xiàn)系統(tǒng)設備之間的數(shù)據(jù)通信，具有安裝、維護簡便等優(yōu)勢。但是傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐仍采用有線通信方式完成傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸，該方式的現(xiàn)場工作環(huán)境十分惡劣，可造成電纜布線過程較為復雜，需要工業(yè)領域耗費大量人力、物力等，并且鋪設過程中易受現(xiàn)場設備的制約。為此本研究提出一種基于無線傳感器的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分利用各類傳感器保證系統(tǒng)的工作時長，可為系統(tǒng)在工業(yè)鍋爐現(xiàn)場的推廣應用做出實質(zhì)性成果。

1 基于無線傳感器的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要性能指標

該系統(tǒng)的性能指標包括無線節(jié)點、工作溫度、通信距離等。

(1)其中無線節(jié)點的數(shù)量為32個，每個無線節(jié)點均為標準配置。該無線節(jié)點適用的傳感器類型為：1～2.5 V標準傳感器、單脈沖、雙脈沖以及數(shù)字量輸出傳感器，工作電源為具有高性能的寬溫充電電池，其電壓為9～16.8 V，該電池可在20 ℃±5 ℃的環(huán)境溫度下連續(xù)運行180天左右，若該電池處于-40 ℃±5 ℃的環(huán)境溫度下，可連續(xù)運行60天左右[1]。

(2)該系統(tǒng)的工作溫度為-40～60 ℃。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效通信距離為300 m之內(nèi)。

(4)數(shù)據(jù)采集周期為20 ms～3 s，發(fā)送周期為1～3 s。

(5)丟包率≤0.01%。

(6)無線通信頻段為915 MHz。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設計

1.2.1 無線節(jié)點的基本結(jié)構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用電池為硬件電路持續(xù)供電，電源接通后，利用傳感器對系統(tǒng)的信號進行采集，并通過信號處理電路將該信號傳輸至DSP處理器中完成信號處理。DSP處理器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要負責定時采集工作參數(shù)，工作參數(shù)采集完畢后，利用無線通信模塊將各項數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至無線終端，最后在上層界面顯示各項數(shù)據(jù)，工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設計結(jié)構如圖1所示[2]。

圖1 工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設計結(jié)構框圖

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境十分復雜，若無線通信出現(xiàn)異常狀態(tài)時，需要采用有線通信方式重新建立通訊聯(lián)系。為保證數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)故障情況下完成傳輸，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用有線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并自動切換至有線供電模式。本研究為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功率消耗，采用低功耗IC芯片，將無線節(jié)點的休眠電流控制在400 μA以內(nèi)。

1.2.2 電源輸出控制與變換模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源輸入可分為兩種方式：電池供電和有線供電。當有線供電未成功接入至系統(tǒng)內(nèi)部時，該模塊自動切換至電池供電方式；當有線供電成功接入至系統(tǒng)內(nèi)部時，該模塊自動切換至有線供電方式。本研究為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功率消耗，利用軟開關對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源部分進行控制，同時實時監(jiān)測系統(tǒng)電量，有利于工作人員對工業(yè)鍋爐的電量進行實時掌握[3]。

1.2.3 傳感器信號采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器的信號主要包括兩種類型：模擬信號及脈沖信號。其中模擬信號屬于一種電壓信號，電壓為1～2.5 V，對該信號進行處理時，可利用DSP處理器自帶的ADC電路完成模數(shù)的轉(zhuǎn)換。對脈沖信號進行處理時，可通過波形整理電路將該信號傳送至DSP處理器的外部中斷引腳，利用處理器的引腳完成脈沖計數(shù)。

為設計出低功耗、高效率的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用DSP處理器對系統(tǒng)內(nèi)部所有傳感器的供電電源進行控制。若傳感器需要對信號進行采集時，為傳感器接通電源，信號采集完畢后，立即將傳感器的供電電源切斷。工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部包含多個啟動時間大于信號采集周期的傳感器，該類傳感器需要持續(xù)供電，若傳感器在正常工作狀態(tài)下切斷供電電源，可造成傳感器出現(xiàn)故障[4]。

1.2.4 DSP處理與工作參數(shù)采集模塊

本研究為保證工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用DSP處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。該處理器具有高速度、高性能、低功耗等優(yōu)勢，將該處理器應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有利于設計出低功耗、高效率的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用數(shù)字時間芯片對該系統(tǒng)的時鐘信號進行實現(xiàn)，時鐘信號實現(xiàn)過程中主要通過I2C接口完成數(shù)據(jù)交互。環(huán)境溫度檢測主要由數(shù)字溫度采集芯片實現(xiàn)，該過程可利用SPI接口完成通信[5]。

1.2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信模塊

該系統(tǒng)的通信模塊主要包括兩種通信形式：無線通信及有線通信。對無線通信模塊的電路進行設計時，利用間歇休眠工作方式，通過DSP處理器引腳觸發(fā)。無線組網(wǎng)主要采用自動競爭、仲裁的方式實現(xiàn)無線通信。為保證該模塊的穩(wěn)定性，組網(wǎng)內(nèi)包含多個子節(jié)點，每個子節(jié)點均可采用定時發(fā)送的方式向系統(tǒng)主動發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點在工作狀態(tài)下包含兩種工作模式：高速和低速，用戶可結(jié)合需要處理的數(shù)據(jù)對傳感器節(jié)點進行設置。對有限通信電路進行設計時，本研究主要采用MODBUS總線通訊方式實現(xiàn)有線通信。

2 基于無線傳感器的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

2.1 嵌入式軟件流程

本研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的嵌入式軟件工作流程進行設計時，將該軟件劃分為上電監(jiān)聽、監(jiān)聽、休眠以及工作四種模式。嵌入式軟件的整體工作流程為：

(1)首先，接入電源，完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化，并讀取E2PROM存儲的SN號、網(wǎng)絡密鑰等參數(shù)；

(2)其次，對系統(tǒng)的通信連接狀態(tài)進行判斷，若系統(tǒng)為有線連接，表明系統(tǒng)的通信方式為有線通信，應對系統(tǒng)的有線串口是否中斷、是否成功設置SN號進行判斷，判斷結(jié)果為“YES”時，可對SN號進行設置，將設置完成的各項參數(shù)存儲至E2PROM后，無限循環(huán)該流程；若系統(tǒng)為無線連接，表明系統(tǒng)的通信方式為無線通信，此時應對軟件的四種模式進行判斷，并完成相應處理，當系統(tǒng)處于非工作模式時，應重新進行通訊方式的判斷。工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件工作流程如圖2所示[6]。

圖2 工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件工作流程圖

2.2 傳感器+節(jié)點結(jié)構

為保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對工業(yè)鍋爐的狀態(tài)信息進行實時采集，本研究采用傳感器+節(jié)點的結(jié)構形式對軟件進行設計。傳感器內(nèi)部無線節(jié)點集成電池、電路板以及天線三部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個模塊均采用隔爆結(jié)構，并設置三個接口與外界建立聯(lián)系，三個接口分別為傳感器接口、天線接口以及有線接口。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控模塊

該模塊在系統(tǒng)中主要負責對傳感器采集的鍋爐運行數(shù)據(jù)進行實時顯示。本研究對該模塊進行設計時，為保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對工業(yè)鍋爐的各項參數(shù)數(shù)值進行實時監(jiān)控，若參數(shù)數(shù)值超過系統(tǒng)設置閾值，該模塊自動采取報警模式，以此提示工作人員及時維護工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)。該模塊主要包括監(jiān)測主界面、報警值設置以及歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)糠?，工作人員可通過監(jiān)測主界面對鍋爐的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控平臺軟件流程如圖3所示[7]。

監(jiān)測主界面可對系統(tǒng)運行狀態(tài)、鍋爐運行數(shù)據(jù)進行實時顯示，有利于為工作人員提供相應的參考。該界面為系統(tǒng)內(nèi)全部子界面的入口，通過該界面可對報警值進行設置，也可為用戶提供相應的歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

通過對報警值進行設置及更新，有利于工作人員實時掌握工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)。報警值設置在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主要功能包括：報警值實時更新、報警記錄查詢、管理工業(yè)鍋爐報警的相關信息等。工作人員可利用報警值設定中心，對工業(yè)鍋爐運行過程中各參數(shù)的上下限值進行設定。報警值的設定可為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供依據(jù)，當鍋爐的實際運行數(shù)據(jù)超過設定值時，系統(tǒng)自動采取報警模式，以此提升工作人員及時查看工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)，并完成報警記錄的存儲。工作人員可通過報警記錄的數(shù)據(jù)異常情況對鍋爐的故障原因進行判斷，若鍋爐的故障情況不影響后續(xù)操作，即可解除報警模式。與此同時工作人員可通過報警記錄重新設置報警值。為保證數(shù)據(jù)的安全性，在報警值重新設定完畢后，向安全中心發(fā)送一條報警信息[8]。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控平臺軟件流程圖

歷史數(shù)據(jù)查詢在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要負責對鍋爐的運行數(shù)據(jù)進行查詢、分析及管理，具有實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，有利于為系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。歷史數(shù)據(jù)的主要來源為：主機成功采集工業(yè)鍋爐的現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，對該數(shù)據(jù)進行分析和處理，分析處理后的數(shù)據(jù)即為歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢的核心功能為歷史數(shù)據(jù)查詢及報警數(shù)據(jù)查詢，通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能，有利于技術人員更直觀地對系統(tǒng)參量是否正常及設備狀態(tài)進行判斷。技術人員也可采用手動查詢的方式，完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)歷史報警數(shù)據(jù)的查詢。

3 基于無線傳感器的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真測試

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)丟包率測試

為保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性，首先應對傳感器信號的完整性和實時性進行測試，并實時調(diào)整工業(yè)鍋爐的運行工況。本研究主要采用對比測試的方式，將無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與某公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于相同環(huán)境下，對二者處于運行狀態(tài)下的丟包率進行測試[9]。

首先在常溫環(huán)境下完成兩個系統(tǒng)的對比測試，測試時間為3 h。通過對測試結(jié)果進行分析可知，無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在未使用中繼的情況下，最大丟包率為0.018%，向測試中加入中繼后，未發(fā)現(xiàn)無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。將無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與某公司系統(tǒng)置于高低溫環(huán)境下完成丟包率的測試，無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大丟包率為0.012%。無線節(jié)點高低溫環(huán)境丟包率測試結(jié)果如表1所示。

表1 無線節(jié)點高低溫環(huán)境丟包率測試結(jié)果

綜上所述，無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在常溫環(huán)境和高低溫環(huán)境下的性能均優(yōu)于對比系統(tǒng)，可保證傳感器信號的完整性及實時性[10]。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場測試

為保證測試結(jié)果的精準性，并驗證系統(tǒng)無線通信功能的可靠性，本研究采用1主、20從、1中繼的組合方式，在現(xiàn)場對工業(yè)鍋爐進行30余天的現(xiàn)場試驗。測試方式主要包括丟包率、傳輸距離以及現(xiàn)場干擾等。測試結(jié)果表明，無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)符合本研究的設計要求。

4 結(jié) 語

本研究為實現(xiàn)工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)的實時采集，設計出一種基于無線傳感器的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)為保證自身穩(wěn)定性，采用DSP處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。DSP處理器具有高速度、高性能、低功耗等優(yōu)勢，將該處理器應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有利于設計出低功耗、高效率的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為驗證該系統(tǒng)的有效性，采用對比測試的方式完成丟包率測試及現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有高低溫適應性廣、采集通信能力穩(wěn)定等優(yōu)勢，優(yōu)于對比系統(tǒng)。