基于ZigBee技術的CAFe無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘" 要： 由于CAFe裝置溫度監(jiān)測點需求眾多，若采用有線監(jiān)測方式會產(chǎn)生大量的信號傳輸線纜，加劇裝置周圍的布線繁雜程度并且會導致其他設備故障排除困難，因此需要采取無線化的溫度監(jiān)測方式。文中設計一套基于ZigBee技術的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集層、傳輸控制層和用戶層組成。系統(tǒng)通過使用ZigBee無線數(shù)傳電臺E180?DTU模塊將多個溫度監(jiān)測點拓撲成一個無線傳感器網(wǎng)絡，并由串口服務器接入EPICS控制網(wǎng)，使用StreamDevice設備支持開發(fā)IOC程序?qū)W(wǎng)絡中各節(jié)點溫度進行獲取與發(fā)布，最后通過上層客戶端對溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全局實時顯示與報警。通過設置不同的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，該系統(tǒng)能夠非常容易地應對不同規(guī)模的溫度監(jiān)測需求。目前該樣機系統(tǒng)已用于加速器上RFQ和MEBT段的溫度監(jiān)測，并且擴展監(jiān)測了設備機房的多個環(huán)境溫度監(jiān)測點位，具有一定的應用價值。

關鍵詞： 溫度監(jiān)測； ZigBee； 無線傳感器網(wǎng)絡； EPICS； StreamDevice； 加速器

中圖分類號： TN99?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）11?0145?05

Design of CAFe wireless temperature monitoring system based on ZigBee technology

SHEN Jiahao1， ZHOU Detai2， CHEN Youxin2， LIU Haitao2， LI Jiaosai3， TAO Yue3， YANG Xuhui2， PEI Dong1

（1. College of Physics and Electronic Engineering， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， China;

2. Institute of Modern Physics， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000， China;

3. Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory， Huizhou 516007， China）

Abstract： Due to the large demand for temperature monitoring points in CAFe devices， a large number of signal transmission cables will be generated if wired monitoring method is adopted， which will increase the complexity of wiring around the device and lead to difficulties in troubleshooting other devices. Therefore， wireless temperature monitoring method should be adopted. A wireless temperature monitoring system based on ZigBee technology is designed， which is mainly composed of data acquisition layer， transmission control layer and user layer. In the system， ZigBee wireless data transmission station E180?DTU module is used to topology multiple temperature monitoring points into a wireless sensor network （WSN）， which is connected to the EPICS （experimental physics and industrial control system） control network by the serial port server. Then， the StreamDevice is used to support the development of IOC （input/output controller） program， so as to obtain and issue the temperature of each node in the network. Finally， the upper?layer client is used to perform global real?time display and alarm of the temperature monitoring data. By setting up different wireless network topologies， the system can easily cope with the temperature monitoring needs of different scales. At present， the prototype system has been used for the temperature monitoring of the RFQ （radio frequency quadrupole） and MEBT （medium?energy beam?transport） sections of the accelerator， and has been extended to monitor several ambient temperature monitoring points in the equipment room， so it has a certain application value.

Keywords： temperature monitoring; ZigBee; WSN; EPICS; StreamDevice; accelerator

0" "引" 言

加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS）旨在建成一臺用于加速器驅(qū)動嬗變研究的ADS裝置，并能夠基于此裝置開展超導直線加速器、高功率散裂靶、次臨界反應堆等系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、長期運行的策略研究[1]。質(zhì)子超導直線加速器前端示范樣機（CAFe）作為CiADS的先行樣機，承擔著驗證10 mA連續(xù)波強流高功率質(zhì)子束流穩(wěn)定運行和快速恢復等關鍵技術的可實施性研究。CAFe主要由離子源（ECR）、低能束流傳輸段（LEBT）、射頻四極（RFQ）加速器、中能束流傳輸段（MEBT）、高能束流傳輸段（HEBT）和束流垃圾桶（DUMP）組成。裝置各部分可通過對溫度的監(jiān)測來間接監(jiān)測束流狀態(tài)，例如RFQ運行時，真空腔中的微波和束流在腔壁上的熱損耗會使腔體溫度升高，最終導致腔體諧振頻率改變[2]；各段上磁鐵的熱脹冷縮會造成磁鐵中心高度的變化，將導致束流位置的偏移[3]。因此溫度監(jiān)測是確保加速器束流穩(wěn)定運行的重要手段。

如圖1所示，CAFe運行現(xiàn)場有著大量的設備線纜。與此同時，CAFe提高了對溫度監(jiān)測的需求，對于上百個監(jiān)測需求點若全部采取有線監(jiān)測方式[4]，大量的溫度監(jiān)測線纜會進一步加劇現(xiàn)場的布線繁雜程度，并且導致其他設備的故障排除困難；另外，對于配套設施中的電源、服務器機房也逐漸增加了相應的環(huán)境溫度監(jiān)測需求。

針對有線溫度監(jiān)測存在的問題，本文采用了無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network， WSN）中廣泛使用的ZigBee技術，設計了一套基于該傳輸技術的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。通過在有線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上增加由ZigBee無線數(shù)傳電臺E180?DTU模塊組成的無線傳輸層，實現(xiàn)了對加速器指定區(qū)間的無線化溫度采集，通過搭配環(huán)境溫濕度傳感器，實現(xiàn)對機房的環(huán)境數(shù)據(jù)采集；由于現(xiàn)場使用EPICS分布式控制系統(tǒng)架構[5]，設計了使用StreamDevice[6]設備支持的IOC（Input/Output Controller）程序?qū)φ麄€無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸控制與監(jiān)測量發(fā)布，通過上層客戶端對所有溫度數(shù)據(jù)進行全局實時監(jiān)測與報警。系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸?shù)姆绞剑ㄟ^設置成不同的拓撲結(jié)構可以應對不同規(guī)模的溫度監(jiān)測需求，且不會大量增加有線信號傳輸線纜。

1" 系統(tǒng)總體結(jié)構

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗、低成本無線傳輸技術，相較于WiFi、Bluetooth、LoRa、NB?IoT等其他幾種無線傳輸技術[7?8]，ZigBee兼顧了低時延和節(jié)點容量多兩個優(yōu)點，且采用了AES?128加密算法使得數(shù)據(jù)傳輸具有可靠性與安全性[9]。綜合評估各種技術，選擇ZigBee技術作為本文系統(tǒng)的傳輸方案。

整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、傳輸控制層和用戶層組成。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集層由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡組成。網(wǎng)絡中有協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點和路由節(jié)點三種節(jié)點類型，其中終端節(jié)點和路由節(jié)點都可以進行數(shù)據(jù)的采集，區(qū)別在于路由節(jié)點可以對終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸范圍的擴展；每個無線溫度監(jiān)測網(wǎng)絡中都有一個協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)都將通過多跳的方式最終發(fā)送到協(xié)調(diào)器上。由于多個溫度監(jiān)測區(qū)域物理位置分散，且因為核輻射屏蔽墻體阻隔了無線信號的傳輸，文中設置了多個不同拓撲結(jié)構的無線溫度監(jiān)測子網(wǎng)對應監(jiān)測CAFe上RFQ腔體、MEBT磁鐵、設備大廳機柜和隧道環(huán)境的溫度。

傳輸控制層由控制局域網(wǎng)、串口服務器和前端服務器組成，主要實現(xiàn)將多個溫度監(jiān)測子網(wǎng)接入到現(xiàn)場的EPICS分布式控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集層獲取到的數(shù)據(jù)首先通過RS 485發(fā)送到串口服務器，串口服務器通過控制局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄那岸朔掌魃稀Ｔ谇岸朔掌魃线\行IOC程序，負責控制溫度數(shù)據(jù)的讀取并將數(shù)據(jù)發(fā)布為EPICS所需的PV（Process Variable）到CA（Channel Access）總線上供用戶層使用。

用戶層主要由基于Kafka的監(jiān)控報警系統(tǒng)組成[10]。Alarm Server連接EPICS CA上所有溫度監(jiān)測的PV，根據(jù)報警配置的規(guī)則，在相關PV超過設定的閾值后將報警信息推送到Kafka，OPI（Operator Interface）客戶端通過PV實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的可視化，并通過訂閱Kafka的Topic實現(xiàn)報警信息實時狀態(tài)的可視化。

2" 系統(tǒng)設計

2.1" 節(jié)點設計

系統(tǒng)采用模塊化組合的方式設計每個無線節(jié)點，其中協(xié)調(diào)器由一個ZigBee模塊構成，負責整個無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；路由節(jié)點和終端節(jié)點由ZigBee模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和溫度傳感器三個部分構成，結(jié)構框圖如圖3所示。溫度傳感器負責將溫度轉(zhuǎn)換為模擬信號，數(shù)據(jù)采集模塊通過內(nèi)置調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路將多路模擬信號變送為數(shù)字信號，ZigBee模塊連接數(shù)據(jù)采集模塊，通過無線方式接收控制指令并將獲取到的數(shù)據(jù)進行無線轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2" 器件選型及抗干擾設計

為了應對加速器現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境，ZigBee模塊使用億百特公司的E180?DTU無線數(shù)傳電臺模塊，通過全鋁合金外殼屏蔽的方式，具備較好的電磁兼容性和抗干擾能力；數(shù)據(jù)采集模塊采用博敏特公司的DM1602，其具有16位AD轉(zhuǎn)換器并具備0.1%FS的轉(zhuǎn)換精度，能通過對測量值設置濾波阻尼的方式提高抗干擾能力；溫度傳感器采用貼片式PT100鉑金屬探頭，并使用三線制接線方式以補償引線電阻對溫度測量結(jié)果的影響，實際測量精度可以達到0.1 ℃。數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee模塊之間通過RS 485進行通信，由于采用差分信號進行數(shù)據(jù)傳遞，可以抵御一定程度的電磁干擾。此外，為了進一步應對加速器運行現(xiàn)場的核輻射和強電磁環(huán)境，在HEBT磁鐵的溫度探頭線纜末端安裝有屏蔽磁環(huán)。

2.3" 無線網(wǎng)絡配置

對各個節(jié)點的器件進行配置并拓撲成所需的ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構。每個溫度監(jiān)測子網(wǎng)通過串口服務器的IP確定局域網(wǎng)地址，網(wǎng)絡中每個節(jié)點的ZigBee模塊充當下位機負責各自節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并通過MAC地址唯一確定。節(jié)點的網(wǎng)絡配置界面如圖4所示，在同一個無線網(wǎng)絡中，所有節(jié)點需要設置相同的PAN ID和信道，并根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構設定對應的節(jié)點類型；數(shù)據(jù)采集模塊使用Modbus通信協(xié)議，在網(wǎng)絡中配置每個采集模塊的唯一通信地址，并設置和無線模塊相同的串口傳輸波特率。

2.4" IOC程序設計

IOC程序設計主要包括協(xié)議文件（Protocol File）設計和記錄（record）設計。在運行中，IOC通過不斷地輪詢配置協(xié)調(diào)器的目標MAC地址并發(fā)送Modbus請求幀給數(shù)據(jù)采集器的方式，獲取無線網(wǎng)絡中各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。

其中，IOC對協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)采集器的配置可以通過發(fā)送字符流來實現(xiàn)，StreamDevice是一個基于協(xié)議文件的EPICS通用設備支持模塊，一切用字符流作為交互接口的設備都可以使用StreamDevice[11]，因此選用該支持模塊來開發(fā)與溫度監(jiān)測網(wǎng)絡的交互。協(xié)議文件設計時，把整個無線溫度監(jiān)測子網(wǎng)看作一個設備，根據(jù)器件參考手冊給出的操作指令碼，編寫對協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。協(xié)議文件WirelessTemp.proto內(nèi)容如下：

Terminator = CR LF;

ExtraInput = Ignore;

ReplyTimeout = 1000;

#定義各個終端節(jié)點的MAC地址

MAC1=\"＼xA6＼x1B＼xB2＼xFE＼xFF＼xAC＼x33＼xBC\";

MAC2=\"＼x9E＼x22＼xB2＼xFE＼xFF＼xAC＼x33＼xBC\";

……

Model {

#進入配置模式

out \"＼x2A＼x2D＼x2E\";

in \"＼x7A＼x7D＼x7E\";

#連接第一個目標節(jié)點

out \"＼xFD＼x08＼x25\"$MAC1\"＼xFF\";

in \"＼xFA＼x25\";

#進入發(fā)送模式

out \"＼x2F＼x2C＼x2B\";

in \"＼x7F＼x7C＼x7B\";

#請求第一個節(jié)點數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)

out\"＼x01＼x03＼x00＼x00＼x00＼x02＼xC4＼x0B\";

#返回溫度（以兩個溫度為例）

in\"%*3r%（ReadTemp1_1）2r%（ReadTemp1_2）2r%*10r\";

#第二個節(jié)點通信的字符流

……

}

為了使得IOC中的記錄能夠使用StreamDevice驅(qū)動，記錄的DYTP域需要設置成“stream”類型，即field（DTYP，\"stream\"），并且輸入域INP需設為規(guī)定的格式：“@WirelessTemp.protoModelWireless”，其中WirelessTemp.proto為協(xié)議文件的名字，Model為自定義的協(xié)議，Wireless為通信的設備名[12]。為了創(chuàng)建多個記錄，使用substutions文件批量創(chuàng)建多個ai（analog input）類型記錄，并在這些記錄的報警字段配置異常溫度的報警閾值。

IOC程序設計完成后，還需在IOC啟動文件st.cmd中配置相應溫度監(jiān)測網(wǎng)絡對應串口服務器的IP和端口，并指定協(xié)議文件和substitutions文件的地址：

#設定串口服務器連接地址

drvAsynIPPortConfigure\"Wireless\"，\"192.168.0.201：8234\"

#指定協(xié)議文件地址

epicsEnvSet\"STREAM_PROTOCOL_PATH\"， \".\"

#指定substutions文件地址

dbLoadTemplate\"db/WirelessTempMeas.substitutions\"

啟動文件存放于運行Linux系統(tǒng)的前端服務器上，通過執(zhí)行該文件即可啟動無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的IOC程序。

2.5" 監(jiān)測界面設計

監(jiān)測界面使用EPICS最新的OPI組件Phoebus[13]進行開發(fā)，針對眾多的溫度監(jiān)測點，采用圖示化方法進行界面設計。如圖5所示，界面中各溫度顯示對應CAFe上MEBT磁鐵和RFQ腔體實際溫度監(jiān)測點的位置，當現(xiàn)場某個溫度監(jiān)測點實際溫度超過設定的報警閾值后，相應溫度顯示轉(zhuǎn)為紅色，并發(fā)出報警信息。點擊左側(cè)機房選項卡后切換到機房監(jiān)測界面，相應顯示電源室機房和服務器機房中各環(huán)境溫度監(jiān)測點信息。

3" 系統(tǒng)測試

3.1" 無線傳輸性能測試

對ZigBee無線網(wǎng)絡的極限傳輸性能進行測試，目的是檢驗將有線改成無線后對丟包率和時延的影響，測試中每個節(jié)點間隔30 m，且節(jié)點間無明顯障礙物遮擋。

1） 網(wǎng)絡丟包率測試

由于設計采用的無線模塊具有20 dB的發(fā)射功率，在100 m范圍較少遮擋條件下的丟包率并未有明顯變化，此時影響丟包率的主要因素是無線模塊數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)的性能。測試時使用兩臺PC分別通過串口接入ZigBee星形網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器和一個終端節(jié)點，連接終端節(jié)點的PC1發(fā)送不同字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包給協(xié)調(diào)器，并在不同發(fā)送頻率下進行多次測試，連接協(xié)調(diào)器的PC2通過觀察接收到的數(shù)據(jù)包的序號來計算丟包率，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明當發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔小于100 ms后，丟包率會隨著數(shù)據(jù)包長度的增加快速升高。而溫度作為變化緩慢的物理量，對單個節(jié)點而言，100 ms 間隔發(fā)送32 B的性能已滿足采集需求，且實際應用中各節(jié)點間隔距離小于30 m，因此無線網(wǎng)絡的丟包率性能符合要求。

2） 網(wǎng)絡時延測試

為了時間戳的同步，使用同一臺PC機的兩個串口分別接入ZigBee簇形網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器和一個終端節(jié)點，PC通過串口使協(xié)調(diào)器發(fā)送不同字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡中的一個路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到終端節(jié)點，待終端節(jié)點收到消息后，再經(jīng)由串口將數(shù)據(jù)返回給PC，通過PC收發(fā)數(shù)據(jù)的時間戳來測算時延情況。進行多次測試，測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明，網(wǎng)絡的時延隨著數(shù)據(jù)包長度的增加緩慢增加，本文系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)包長度不大于32 B，因此無線網(wǎng)絡時延性能滿足設計要求。

3.2" 現(xiàn)場運行測試

無線溫度監(jiān)測樣機系統(tǒng)運行一年多來，除了由于CAFe檢修和控制網(wǎng)絡故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失外，運行期間都未出現(xiàn)長時間的監(jiān)測失效。

如圖6所示為從Archiver Appliance歸檔系統(tǒng)中調(diào)取的RFQ腔體1側(cè)壁上方兩天內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，整體來說，系統(tǒng)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)較為精準，能很好地反映出水冷系統(tǒng)的工作情況。

系統(tǒng)對機房環(huán)境的溫度監(jiān)測也較為精準，如圖7所示為對某臺設備服務器頂部位置溫度監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)，針對夏季某日運行出現(xiàn)溫度超過30 ℃的情況，及時發(fā)出報警信息，使得值班人員迅速通過增加風扇與降低機房空調(diào)溫度的方式排除了未來可能出現(xiàn)的設備服務失效問題。

4" "結(jié)" 論

本文設計了一套應用于CAFe加速器裝置的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)使用基于ZigBee技術的E180?DTU模塊搭建了無線傳感器網(wǎng)絡，使用StreamDevice設備支持的IOC程序?qū)囟葦?shù)據(jù)進行獲取并且接入現(xiàn)場的EPICS控制系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了高可用的無線化溫度監(jiān)測需求。由于設計中目前采用主動輪詢的方式獲取網(wǎng)絡中各節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，但未來隨著節(jié)點數(shù)量的增多勢必會增大單個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集時間間隔，因此還需要進一步在穩(wěn)定性、抗干擾抗輻射等方面做深入研究[14]，以便在加速器更惡劣的電磁干擾和核輻射環(huán)境中長期使用。

注：本文通訊作者為楊旭輝、裴東。

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作者簡介：沈佳豪（1998—），男，浙江嘉興人，碩士研究生，研究方向為加速器監(jiān)控技術。

周德泰（1982—），男，甘肅敦煌人，博士，高級工程師，研究方向為加速器控制技術。

楊旭輝（1981—），男，甘肅張掖人，博士，高級工程師，研究方向為加速器控制技術。

裴" 東（1965—），男，遼寧鐵嶺人，副教授，研究方向為電路理論及應用。