無(wú)線通訊在生物質(zhì)電廠料場(chǎng)測(cè)溫的設(shè)計(jì)應(yīng)用

（江蘇國(guó)信如東生物質(zhì)發(fā)電有限公司，如東 226400）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)、測(cè)控設(shè)備和測(cè)控手段在現(xiàn)代工業(yè)中有了廣泛的應(yīng)用。依照當(dāng)前通訊領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)線通訊的應(yīng)用勢(shì)必將逐步取代有線通訊。

生物質(zhì)電廠在燃料堆放貯存過(guò)程中易積熱自燃，存在較大的火情隱患，且燃料堆垛內(nèi)部蓬松，一旦發(fā)生火情，過(guò)火面積蔓延迅速，撲救難度極大，給生物質(zhì)電廠消防管理帶來(lái)很大的難度。因此在火災(zāi)發(fā)生前能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)料垛溫度變化并發(fā)出預(yù)警，對(duì)避免火災(zāi)的發(fā)生顯得尤為重要。

針對(duì)常規(guī)測(cè)溫手段費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差、受安裝環(huán)境限制大等不足，以及現(xiàn)代消防安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求，提出了一種基于無(wú)線通訊技術(shù)的遠(yuǎn)程測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案利用無(wú)線通訊技術(shù)低成本、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

基于無(wú)線通訊技術(shù)的遠(yuǎn)程測(cè)溫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。為了使系統(tǒng)具有功能可擴(kuò)展性，采用了由測(cè)溫終端、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相分離的三層體系結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、傳輸和處理功能。其中測(cè)溫終端負(fù)責(zé)溫度信息的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和發(fā)送；無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建，起橋梁紐帶作用；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)收集測(cè)溫終端子節(jié)點(diǎn)的溫度信息，管理子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分布，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總、處理、顯示、報(bào)警功能等。測(cè)溫終端可以包含多個(gè)相互獨(dú)立的監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)料垛由點(diǎn)到面，全方位多區(qū)域覆蓋監(jiān)控；測(cè)溫點(diǎn)位置選取靈活多變，安裝方便。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture diagram

2 測(cè)溫終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)溫終端結(jié)構(gòu)

基于無(wú)線通訊技術(shù)的遠(yuǎn)程測(cè)溫終端結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。該終端由溫度傳感器、單片機(jī)控制單元、存儲(chǔ)單元、無(wú)線通信模塊等部分組成。通過(guò)溫度傳感器的單片微處理器控制將料垛內(nèi)部的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)射至無(wú)線接收設(shè)備，微處理器將采集到的溫度信息數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，直接接入遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

2.2 溫度測(cè)量

圖2 終端結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Terminal structure diagram

溫度采集的主要器件為溫度傳感器，選擇時(shí)主要考慮傳感器的測(cè)溫范圍、精度及其與單片機(jī)的通信連接。常用的溫度檢測(cè)元件主要有熱電阻Pt100、熱敏電阻、熱電偶等。熱電阻Pt100的缺點(diǎn)是熱響應(yīng)比較慢、成本高；熱敏電感測(cè)量的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性差，且變化率非線性；熱電偶式傳感器體積較大、靈敏度比較低。

生物質(zhì)料垛一般選用DS18B20[3]集成數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司推出的一種智能數(shù)字溫度傳感器，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并可根據(jù)要求通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其測(cè)溫范圍-55～125℃，自帶功率放大器可將信號(hào)放大，輸出線性特性好、精度高，與單片機(jī)通信配合簡(jiǎn)單、成本較低、節(jié)省系統(tǒng)資源、可靠性高，適用于溫度慢變場(chǎng)所的長(zhǎng)時(shí)間溫度測(cè)量。DS18B20有PR-35和SOSI 2種封裝方式，如圖3所示。本次設(shè)計(jì)采用PR-35式封裝。

圖3 DS18B20封裝示意Fig.3 DS18B20 assembly diagram

2.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)無(wú)線傳輸平臺(tái)采用ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議[1]。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，且在有障礙時(shí)也可以進(jìn)行傳輸。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，層次分明。Zig-Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流程[2]如圖4所示。

圖4 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)流程Fig.4 ZigBee wireless network design flow chart

2.4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)端

服務(wù)端管理上位機(jī)軟件在VC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編程開(kāi)發(fā)[4]。無(wú)線測(cè)溫通訊數(shù)據(jù)主要由上位機(jī)軟件完成。運(yùn)行開(kāi)始需對(duì)通訊通道進(jìn)行初始化，然后按照初始設(shè)定的默認(rèn)時(shí)間進(jìn)行周期性檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)上傳和主從式上傳檢測(cè)參數(shù)的功能。上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 測(cè)溫系統(tǒng)上位機(jī)界面Fig.5 PC interface of temperature measuring system

分布式測(cè)溫終端經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)端工控機(jī)的IP地址與端口后，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和管理，由上位機(jī)軟件進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)解析與分析。利用后臺(tái)運(yùn)行的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線及故障報(bào)警等功能。服務(wù)端管理軟件包含三大模塊：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)溫終端的溫度信息、設(shè)備狀態(tài)，并進(jìn)行直觀的顯示；可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將某個(gè)測(cè)溫終端進(jìn)行區(qū)域劃分，并設(shè)置和調(diào)整區(qū)域報(bào)警值或某個(gè)測(cè)溫終端的報(bào)警值。當(dāng)發(fā)生溫度超限時(shí)，界面上顯示報(bào)警信號(hào)，并發(fā)出音響報(bào)警，提醒料場(chǎng)管理人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查、處理情況；

（2）數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表功能及歷史分析模塊：由于燃料堆場(chǎng)料垛需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，料場(chǎng)管理人員定期通過(guò)管理界面對(duì)各料垛測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢，分析溫度變化趨勢(shì)，制定燃料貯存和消耗計(jì)劃。對(duì)發(fā)現(xiàn)有發(fā)熱炭化現(xiàn)象及時(shí)調(diào)整消耗計(jì)劃，確保料場(chǎng)堆垛安全；

（3）通訊管理模塊：模塊通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成與測(cè)溫終端的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)擾的實(shí)時(shí)傳輸。

3 系統(tǒng)實(shí)施效果

該系統(tǒng)已應(yīng)用于某生物質(zhì)電廠燃料堆場(chǎng)日常管理中。對(duì)3組測(cè)溫終端進(jìn)行抽樣檢測(cè)，使用重復(fù)和對(duì)比的方法，同時(shí)對(duì)同一種測(cè)量物體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，以觀察測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。料垛測(cè)溫對(duì)比和熱水測(cè)溫對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

表1 料垛測(cè)溫對(duì)比測(cè)試結(jié)果Tab.1 Fuel stack temperature contrast test results

表2 熱水測(cè)溫對(duì)比測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hot water temperature contrast test results

與常規(guī)的測(cè)溫手段相比，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新和優(yōu)勢(shì)：

（1）采用先進(jìn)的數(shù)字及無(wú)線傳輸技術(shù)，無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)線穿透能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、運(yùn)行安全可靠；

（2）測(cè)溫點(diǎn)位置選取靈活多變、安裝方便，避免了經(jīng)常的插拔，節(jié)省了大量的管理成本，大大減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（3）保證使用距離的情況下，采用超低功耗，傳感器電池供電時(shí)間2～3月，可充電，使用壽命長(zhǎng)；

（4）無(wú)需布線，使用方便經(jīng)濟(jì)，性價(jià)比高。沒(méi)有二次電纜，只有1根光纖，節(jié)省了投資，也簡(jiǎn)化了施工與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集層設(shè)備之間無(wú)任何連線，提高了一次設(shè)備的安全性和可靠性；

（5）采用分布式測(cè)溫終端，提高了系統(tǒng)的可靠性，任一部分設(shè)備有故障時(shí)，只影響局部，測(cè)溫終端傳感器采用DS18B20不銹鋼封裝，插桿長(zhǎng)度3 m，防護(hù)等級(jí)為IP65。

4 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程測(cè)溫系統(tǒng)由于其傳輸速度快、可靠性高、覆蓋范圍廣、組建成本低，將會(huì)是未來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為國(guó)內(nèi)生物質(zhì)電廠料場(chǎng)的測(cè)溫管理提供了可借鑒的樣板和技術(shù)，具有較好的實(shí)際意義和社會(huì)價(jià)值。

[1]高守瑋.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]周武斌.Zigbee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[3]周繼明.傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009

[4]David J.Kruglinski.Visual C++6.0技術(shù)內(nèi)幕[M].北京：希望電子出版社，1999.