時(shí)間：2023-03-15 15:04:40
序論：在您撰寫溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)鍵詞:CC2530；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫度傳感器；DS18B20
中圖分類號(hào)：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
引言
基于ZigBee的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域溫度信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)備體積小，傳輸可靠性高，安全高，節(jié)點(diǎn)功耗低，監(jiān)測(cè)區(qū)域大等優(yōu)點(diǎn)，且無需鉆孔布線，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更靈活有效?？捎糜谖ｋU(xiǎn)工作環(huán)境，珍貴的古老建筑保護(hù)等現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中。如果采用人工定時(shí)測(cè)量，不但要耗費(fèi)大量的人力，而且，不能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別在某些高溫場(chǎng)所還有可能造成安全事故。為此，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）的溫度檢測(cè)系統(tǒng)[1]。
ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺，提供了豐富快捷的應(yīng)用[3]。本設(shè)計(jì)正是采用ZigBee技術(shù)來架構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1系統(tǒng)組成
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由測(cè)控主機(jī)、協(xié)調(diào)器以及若干無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中測(cè)控主機(jī)主要由上位機(jī)、電源、無線收發(fā)模塊CC2530組成,通過MAX3232轉(zhuǎn)換電路，和PC機(jī)進(jìn)行串口通信。 它能夠接收遠(yuǎn)程各節(jié)點(diǎn)信息，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況，并能根據(jù)上位機(jī)要求發(fā)送命令字到指定節(jié)點(diǎn)，用來控制各節(jié)點(diǎn)的功能。無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源、溫度傳感器、無線收發(fā)模塊CC2530組成，能夠采樣并發(fā)送數(shù)據(jù)到測(cè)控主機(jī),接收并執(zhí)行測(cè)控主機(jī)發(fā)送來的指令,并且可作為中轉(zhuǎn)站間接傳輸數(shù)據(jù)。限于篇幅，本文主要介紹無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點(diǎn)電路如圖2所示。
核心芯片采用了TI公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的真正意義上的SoC ZigBee產(chǎn)品。CC2530片上系統(tǒng)功能模塊集成了CC2420RF收發(fā)器，具有極高的接受靈敏度和抗干擾性能，并支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議[3]。CC2591 [4]是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端，可將輸出功率提高＋22dBm，接收機(jī)靈敏度提高＋6dB。溫度傳感器采用美國Dallas公司推出的單線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它將現(xiàn)場(chǎng)采集到的溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到CC2530的IO口。
3 軟件設(shè)計(jì)
主程序包括單片機(jī)系統(tǒng)初始化、CC2530子系統(tǒng)配置初始化、ZigBee組網(wǎng)等。程序流程如下圖3所示。
圖3 程序流程圖
在PC機(jī)上，用VC++編寫上位機(jī)程序，把從傳感器接收到的數(shù)據(jù)描繪成曲線，并顯示當(dāng)前值。圖4是一個(gè)置于空調(diào)前的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回來的數(shù)據(jù)曲線圖，從該圖可以看出，節(jié)點(diǎn)溫度從32℃降到了19℃。
圖4 上位機(jī)界面
4 結(jié)語
本文針對(duì)當(dāng)前溫濕度檢測(cè)中面臨的檢測(cè)點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以顯示各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，還可以通過RS232接口將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步分析處理。該系統(tǒng)采用了低功耗的集成化器件，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠度，在危險(xiǎn)區(qū)域和大面積檢測(cè)中布置容易，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本連續(xù)在線檢測(cè)，較傳統(tǒng)在線檢測(cè)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007：472.
[2]李文仲，段朝玉等.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2008：23-30
[3]Chipcon Products from Texas Instruments CC2530 datasheet
關(guān)鍵詞：溫度；單片機(jī)；傳感器
引言
在國內(nèi)，原來的糧庫對(duì)糧食檢測(cè)主要采取對(duì)各糧庫糧食進(jìn)行取樣、記錄、分析、匯總數(shù)據(jù)等辦法，通過人工來進(jìn)行，不僅工作量大、效率低下、而且可靠性和實(shí)時(shí)性差?，F(xiàn)在測(cè)量糧食的各種參數(shù)己逐步被電子檢測(cè)設(shè)備所取代。小的儲(chǔ)糧設(shè)備一般采用小型測(cè)溫、測(cè)濕度儀器檢測(cè)糧溫和濕度以及通風(fēng)，目前我國大中型儲(chǔ)糧設(shè)備己開始配備微機(jī)測(cè)溫測(cè)濕和檢系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
1.1 設(shè)計(jì)方案論證
該系統(tǒng)由模擬開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)電路板置于倉上，遠(yuǎn)處倉上的溫度信號(hào)需要跨倉傳輸。各種糧倉上信號(hào)線傳遞溫度信號(hào)，控制線選擇溫度點(diǎn)及其電源線連在一起，構(gòu)成一個(gè)龐大的樹狀網(wǎng)絡(luò)。在通常情況下，這種溫度方式可以正常工作，但是在儲(chǔ)糧倉多、各倉相距遠(yuǎn)，特別是在電磁干擾較強(qiáng)的地方，該系統(tǒng)難以正常工作。為了克服由于儲(chǔ)糧倉系統(tǒng)龐大對(duì)于測(cè)量溫度精度和系統(tǒng)可靠性的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了單片機(jī)作為前沿機(jī)械進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，用單片機(jī)與微機(jī)通信的方法送回溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)成特別適用于大型糧倉中應(yīng)用的分布式微機(jī)測(cè)量溫度系統(tǒng)，并且能夠利用溫度傳感器送回的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行糧位檢測(cè)。
1.2 系統(tǒng)框圖
圖1 糧倉溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)
為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了89C51機(jī)作為控制芯片。它可以提供一個(gè)8位CPU ，4 KB的閃爍存儲(chǔ)器Flash ROM，256字節(jié)RAM ，4個(gè)8位并行I/0端口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)可編程全雙工串行口、5個(gè)中斷源、片內(nèi)振蕩電路和時(shí)鐘電路，64KB總線擴(kuò)展控制器。89C51制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝。
2.2 溫度傳感器
對(duì)于糧倉所存儲(chǔ)的糧食來說，其所儲(chǔ)糧食的品質(zhì)與溫度密切相關(guān)。因而對(duì)于糧倉的溫度檢測(cè)很早就開始應(yīng)用了。最開始是采用玻璃溫度計(jì)，隨著電子測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，使用對(duì)溫度敏感的元器件，如熱敏電阻來進(jìn)行測(cè)量。由單線多點(diǎn)溫度傳感器（如DS1820）構(gòu)成的單線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，雖然引線很少，但傳輸距離（不超過20米）。AD 590是一種電壓輸入、電流輸出型集成溫敏傳感器，測(cè)溫范圍為-55℃―+150℃，輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，因而不必考慮多路模擬開關(guān)引入的附加電阻造成的誤差。該系統(tǒng)選用若干個(gè)集成溫度傳感器AD590接成矩陣形式，構(gòu)成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。
2.3 多路模擬開關(guān)
常用的模擬開關(guān)有機(jī)電式和電子式兩類。機(jī)電式開關(guān)具有良好的通、斷性能，信號(hào)畸變小，但切換過渡時(shí)間較長。電子式開關(guān)切換時(shí)間很短，但通、斷性能不夠理想。切換模擬信號(hào)時(shí)，開關(guān)的非理想特性將引入誤差，并產(chǎn)生延時(shí)。CC4051是單八路模擬開關(guān)。它是由電平位移電路、帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對(duì)各個(gè)輸出分別加以控制的8個(gè)CMOS雙向模擬開關(guān)組成。
AD590矩陣的行、列分別與兩個(gè)CC4051相連，通過三位行、列選擇數(shù)字碼（由單片微機(jī)89C51產(chǎn)生）就可使矩陣被測(cè)點(diǎn)中的任何一個(gè)傳感器接入測(cè)控電路。
2.4 模擬小信號(hào)放大電路
被測(cè)物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)的幅度往往很小，無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此，需對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大處理。一般都采用集成運(yùn)放。
該系統(tǒng)選用斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放ICL7650構(gòu)成高增益、低漂移放大器，用于放大AD590的輸出信號(hào)。ICL7650內(nèi)部有一個(gè)震蕩為200Hz的振蕩器，在這個(gè)震蕩器的控制下運(yùn)放分節(jié)拍工作。每個(gè)振蕩周期分兩個(gè)節(jié)拍，第一個(gè)拍將輸入失調(diào)采集并存于一個(gè)點(diǎn)容器中，第二節(jié)拍采樣和放大信號(hào)，并將此刻的失調(diào)相抵消，所以運(yùn)放總的失調(diào)和溫度極小，性能極為優(yōu)越和穩(wěn)定。
2.5 A/D轉(zhuǎn)換器
從放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能進(jìn)入89C51單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測(cè)量儀器上。文章選擇常用的3.5位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，其精度高，抗干擾性能好。
2.6 鍵盤顯示接口
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需要使用鍵盤與顯示器接口時(shí)，為了節(jié)省I/0口線，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，構(gòu)成實(shí)用的鍵盤、顯示電路。文章采用8155并行擴(kuò)展口構(gòu)成鍵盤、顯示電路。
為了較少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/0線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時(shí)，通常都將鍵盤排列成行列矩陣形式。4個(gè)LED顯示器采用共陰極方式，段選碼由8155口提供，位控信號(hào)由PA口提供。鍵盤的列掃描輸出也由PA口提供，查詢行輸入由PCO～PC1提供。LED采用動(dòng)態(tài)顯示軟件譯碼，鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的各部分程序主要包括程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、打印程序、顯示程序等。（見圖2）
4 結(jié)束語
由于系統(tǒng)采用了全數(shù)字化的溫度、濕度傳感器，直接輸出的是表示溫度和濕度的數(shù)字信號(hào)，不存在由模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，所以該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、一致性好、無需任何調(diào)整、信號(hào)線長短不會(huì)影響其性能等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)糧食倉儲(chǔ)過程中的溫度控制。
參考文獻(xiàn)
[1]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)網(wǎng)[M].北京：北京航天航空人學(xué)出版社，2005：38-47.
[2]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第1版）[M].北京：，北京航空航天技術(shù)出版社，2002.
【關(guān)鍵詞】電站；溫度；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
1 系統(tǒng)概述
電站分A、B廠，總裝機(jī)容量240萬千瓦，安裝8臺(tái)機(jī)組。采用西門子S7 400的PLC從溫度傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過MODBUS發(fā)送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，考慮需要將數(shù)據(jù)接入到辦公網(wǎng)絡(luò)，已在西門子S7 PLC中安裝網(wǎng)卡模塊。
針對(duì)電站溫度采集系統(tǒng)現(xiàn)狀，構(gòu)建溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)組溫度數(shù)據(jù)的采集，搭建數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和分析，提供對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和溫度變化的分析，方便員工的遠(yuǎn)程辦公以及進(jìn)一步提升“無人值守”的電站管理原則，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公需要。
2 構(gòu)建方案
硬件部分，在AB廠房機(jī)房各新增1臺(tái)工控機(jī)，通過局域網(wǎng)連與西門子S7 PLC連接，工控機(jī)另一端連接辦公網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器新增應(yīng)用服務(wù)器，保證與新增工控機(jī)數(shù)據(jù)通訊正常，接收并保存工控機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。
軟件部分，工控機(jī)端安裝專業(yè)工控軟件WINCC，通過WINCC配置測(cè)點(diǎn)，編寫的數(shù)據(jù)采集程序，采集WINCC中的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過UDP協(xié)議發(fā)送至辦公網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器端部署UDP數(shù)據(jù)接收程序、應(yīng)用服務(wù)及開發(fā)新的應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)展現(xiàn)最新測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及其他統(tǒng)計(jì)分析功能。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)源來自運(yùn)行核心區(qū)，數(shù)據(jù)通訊采用單向UDP模式。工控機(jī)安裝有WINCC工控軟件，負(fù)責(zé)對(duì)S7 PLC進(jìn)行硬件組態(tài)及對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行部署，工控機(jī)編寫有數(shù)據(jù)采集程序，連接WINCC軟件獲取測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過UDP協(xié)議往辦公網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。
應(yīng)用服務(wù)器安裝有UDP數(shù)據(jù)接收程序，接收并存儲(chǔ)工控機(jī)發(fā)送過來的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)供應(yīng)用功能實(shí)時(shí)展現(xiàn)及其他統(tǒng)計(jì)分析使用。根據(jù)電力二次安防的防護(hù)要求，在工控機(jī)和應(yīng)用服務(wù)器之間安裝增加隔離網(wǎng)閘，對(duì)生產(chǎn)區(qū)和信息區(qū)進(jìn)行隔離。
數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)圖如下所示：
使用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是UDP本身是種不穩(wěn)定的協(xié)議，為了保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸?shù)椒?wù)器，避免數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)UDP數(shù)據(jù)交互流程規(guī)則。
在發(fā)送收到數(shù)據(jù)至應(yīng)用服務(wù)器之前會(huì)先與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行第一次握手，即發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)用服務(wù)器的確認(rèn)信號(hào)，工控機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，正確收到應(yīng)用服務(wù)器確認(rèn)信號(hào)，將收到溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將收到數(shù)據(jù)的大小返回至工控機(jī)，工控機(jī)收到會(huì)與發(fā)送數(shù)據(jù)大小做比較，如果數(shù)據(jù)大小一致，發(fā)送數(shù)據(jù)一致命令至服務(wù)器，然后等待下次數(shù)據(jù)傳輸，如果數(shù)據(jù)大小不一致，會(huì)通知服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)重新傳輸。
3 業(yè)務(wù)功能
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求，系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：
WINCC數(shù)據(jù)采集，工控機(jī)端部署數(shù)據(jù)采集程序，連接WINCC軟件采集其部署的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，全部為設(shè)備的溫度量，包括：發(fā)電機(jī)冷風(fēng)溫度、鐵芯溫度、線圈溫度、下導(dǎo)油溫、水泵油溫、發(fā)電油溫、推力熱油、推力冷油、推力瓦溫、水導(dǎo)瓦溫、水導(dǎo)油溫、主軸密封溫度、迷宮環(huán)上溫度、迷宮環(huán)下溫度、上導(dǎo)油溫、上導(dǎo)瓦溫等。
工控機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送與服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)接收程序并進(jìn)行存儲(chǔ)。通過UDP協(xié)議接收工控機(jī)端發(fā)送過來的最新數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)精度存儲(chǔ)進(jìn)行定義，保存存儲(chǔ)的最新數(shù)據(jù)及時(shí)有效。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖形顯示，基于圖型的方式實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，方便電站專業(yè)人員對(duì)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的查看。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示，提供以曲線的方式實(shí)時(shí)查看溫度的變化情況。
歷史數(shù)據(jù)查詢功能，統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能特點(diǎn)：
各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能
多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)視圖曲線
快捷查詢某個(gè)測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)
溫度量可以任意查詢變量及時(shí)間
可選擇和配置各數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間和歷史存儲(chǔ)時(shí)間段，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)默認(rèn)為時(shí)間為5秒，但可以由用戶進(jìn)行歸檔時(shí)間設(shè)定。
對(duì)于歷史數(shù)據(jù)可以分多種模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如曲線圖形分析，數(shù)據(jù)報(bào)表分析等等。
4 結(jié)束語
通過構(gòu)建溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，搭建數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和分析，提供對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和溫度變化的分析，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程辦公的需要，對(duì)電站實(shí)行高效科學(xué)的管理具有積極意義。
關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；在線監(jiān)測(cè)；溫度；狀態(tài)維修
1引言
高壓開關(guān)柜設(shè)備是非常重要的輸配電設(shè)備，主要用于電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)，保證電網(wǎng)中無故障部分的正常運(yùn)行及設(shè)備、運(yùn)行維修人員的安全。大多數(shù)高壓開關(guān)設(shè)備采用封閉結(jié)構(gòu)，散熱條件差，而且長時(shí)間工作于高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中，很容易引起熱量的積累而導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高。開關(guān)柜溫度過高可能會(huì)引起大范圍停電嚴(yán)重者還會(huì)誘發(fā)火災(zāi)，這些都將給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此設(shè)計(jì)出一套可靠有效的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行具有十分重要的意義。
目前高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)方法主要有CCD攝像頭監(jiān)測(cè)示溫蠟片測(cè)溫法、紅外測(cè)溫法、光纖測(cè)溫法和無線網(wǎng)絡(luò)法，這些方法沒有考慮開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和負(fù)荷等信息，都只孤立地對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，屬于預(yù)防性維修和試驗(yàn)的范疇。本系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)開關(guān)柜監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)和不足，并且為達(dá)到狀態(tài)維修的目的，提出兩組新的監(jiān)測(cè)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，能夠很大程度上提高高壓開關(guān)柜運(yùn)行水平，降低事故發(fā)生率。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
高壓開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為母線室、開關(guān)室、電纜室，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊分別采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三室的溫度、外界環(huán)境溫度以及通過開關(guān)柜的電流，并在這五組參數(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)溫度和電流的關(guān)系以及一定時(shí)間內(nèi)溫度變化對(duì)三室的影響提出了兩組新的監(jiān)測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊，上位機(jī)監(jiān)控中心3大部分，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊由溫度和電流采集模塊組成，四路溫度傳感器選用薄膜鉑電阻，分別傳輸母線室溫度、開關(guān)室溫度、電纜室溫度和環(huán)境溫度；電流傳感器選用閉環(huán)霍爾電流傳感器，傳輸開關(guān)柜的三相交流電。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)監(jiān)控中心通過RS-485總線通信，上位機(jī)監(jiān)控中心提供友好的交互界面，供用戶進(jìn)行監(jiān)控和操作。
2.2監(jiān)測(cè)量
對(duì)開關(guān)柜各室溫度進(jìn)行單獨(dú)越限報(bào)警雖然簡(jiǎn)單，但通常情況下某室出現(xiàn)溫度異常時(shí)，開關(guān)柜已接近或處于故障狀態(tài)。為盡早發(fā)現(xiàn)各種隨機(jī)因素引起的故障，降低維修成本，我們提出兩組新的監(jiān)測(cè)量：
（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電開始采集后每1h內(nèi)每隔6min分別對(duì)各室測(cè)一次溫度t，同時(shí)記錄此刻通過開關(guān)柜的電流I和外部環(huán)境溫度t環(huán)溫。根據(jù)溫度變化和電流平方成正相關(guān)原理，提出參數(shù)P：
P=（P8+P9+P10）/3
其中，各室P取每小時(shí)后三個(gè)記錄點(diǎn)Pn的平均值。Pn=（t-t環(huán)溫）/I2，n=1，2，…，10。
若P>（1+5%）P0，則觸發(fā)報(bào)警（P0表示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始采集后第一個(gè)小時(shí)內(nèi)P的計(jì)算值）。
（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電開始采集后每隔1h分別對(duì)母線室、開關(guān)室、電纜室各測(cè)一次溫度記為：t0、t1、t2，同時(shí)記錄此刻開關(guān)柜外部環(huán)境溫度t環(huán)溫。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部相鄰兩室之間溫度變化的比值對(duì)開關(guān)柜的運(yùn)行也會(huì)造成一定影響，因此提出K參數(shù)：
K1=-（t0-t環(huán)溫）/（t1-t環(huán)溫）
K2-（t1-t環(huán)溫）/（t2-t環(huán)溫）
K3-（t2-t環(huán)溫）/（t0-t環(huán)溫）
Kn分別代表母線室、開關(guān)室、電纜室的K值，n=1，2，3。
若Kn>（1+9%）K0，則觸發(fā)報(bào)警（K0表示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始采集后第一個(gè)小時(shí)內(nèi)K的計(jì)算值）。
3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要負(fù)責(zé)溫度和電流的采集，并把數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理。其主要分為溫度采集模塊和電流采集模塊。
3.1溫度采集模塊
溫度采集模塊選用集智達(dá)公司6通道熱電阻輸入模塊RemoDAQ-8036，特性參數(shù)如表1所示。
3.2電流采集模塊
電流采集模塊為自行設(shè)計(jì)，處理器采用的是意法半導(dǎo)體推出的STM32F103ZET6微控制器。該微控制器采用高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核，它的最高工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器。整個(gè)電流采集模塊由AD轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、通信狀態(tài)指示燈、電源電路、RS485電路、前端濾波電路等組成。模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2.1AD7606芯片與STM32的接口設(shè)計(jì)
模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用8通道16位同步采樣的AD7606，其所有通道均能以高達(dá)200kSPS的速率進(jìn)行采樣，具有可編程的數(shù)字濾波器且數(shù)據(jù)傳輸接口可選擇為并行模式和串行模式，采用5V單電源供電不再需要正負(fù)雙電源并支持真正的雙極性信號(hào)輸入，而且輸入端箝位保護(hù)電路可以承受最高達(dá)±16.5V的電壓。
本設(shè)計(jì)使用前三個(gè)通道進(jìn)行同步采集，其與微控制器數(shù)據(jù)傳輸采用并行工作模式，數(shù)據(jù)輸出端與STM32的D組GPIO連接，這樣STM32通過對(duì)D組GPIO口整體操作很容易讀取一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。把AD7606的RANGE端接地，使其采集電壓范圍為±5V。由下位機(jī)程序來控制過采樣。AD7606與STM32的連接如圖3所示。
3.2.2STM32與RS485接口的設(shè)計(jì)
STM32收發(fā)TTL電平信號(hào)而RS485總線收發(fā)差分信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)接口使兩者無障礙傳輸數(shù)據(jù)。本模塊中把RS-485通信模式設(shè)置成半雙工工作模式，把STM32F103的串口1接口轉(zhuǎn)化成RS-485接口，用STM32的GPIOA7口來作為控制數(shù)據(jù)傳輸方向，我們選用的電平轉(zhuǎn)換芯片是SN75LBC184，在差分輸出間接一個(gè)100歐的電阻。電路連接如圖4所示。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件基于Delphi 2007完成，通過發(fā)送相關(guān)指令，采用輪詢的方式對(duì)總線上不同地址的采集模塊進(jìn)行操作。監(jiān)控軟件運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思路，如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置各硬件模塊地址、額定電流、各監(jiān)測(cè)量報(bào)警閾值等信息；串口通信模塊負(fù)責(zé)命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收及解析；數(shù)據(jù)分析模塊基于五個(gè)直接監(jiān)測(cè)量算出p、k值，達(dá)到越限報(bào)警的在線監(jiān)測(cè)目的；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放、制表打印等功能。經(jīng)過多次試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，如圖6所示，截取了部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：潛油電泵井下溫度壓力監(jiān)測(cè)；星點(diǎn)等勢(shì)法；電流傳輸信號(hào)'
1 概述
潛油電泵井下壓力和溫度參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)提升采油技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與健康管理，保證潛油電泵持續(xù)高效穩(wěn)定的工作，具有著重要的實(shí)際價(jià)值。
2 總體方案
綜合潛油電泵的特點(diǎn)，系統(tǒng)利用星點(diǎn)等勢(shì)法為井下供電。在井上制作一個(gè)三相電抗器作為工星點(diǎn)，并且保證該電抗器的三個(gè)繞組各相的參數(shù)相同，在電抗器的對(duì)稱性足夠好的情況下，星點(diǎn)相當(dāng)于零點(diǎn)，電機(jī)繞組的中性點(diǎn)與地面電抗器的中性點(diǎn)等電勢(shì)，三相電抗器可以消除三相高電壓不平衡對(duì)系統(tǒng)造成的損害，同時(shí)在地面星點(diǎn)處疊加直流電壓，可以對(duì)井下進(jìn)行直流供電。信號(hào)傳輸通道原理如圖1所示。在潛油電泵井下工作環(huán)境下，電壓容易受到干擾，而且在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)電纜的阻抗會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)有所影響，而電流信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，因此潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用兩線制4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)利用鎧皮作為地線進(jìn)行信號(hào)傳輸通道，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，無需單獨(dú)鋪設(shè)電纜，降低成本。
潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部硬件按功能主要可分為供電電路、通道切換電路、濾波電路和數(shù)據(jù)采集電路等。如圖2所示為系統(tǒng)原理圖。地面對(duì)井下電路進(jìn)行分時(shí)供電，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；濾波單元減小交流電壓對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的危害；井下通道切換電路根據(jù)地面供電電壓不同來切換測(cè)量通路；溫度和壓力變送器輸出的電流信號(hào)分時(shí)通過電纜鎧皮傳輸至地面，并通過三相動(dòng)力電纜和鎧皮連成一個(gè)回路。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 溫度壓力變送器選型
變送器的性能對(duì)潛油電泵井下參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性有著極大的影響，對(duì)變送器的選型應(yīng)滿足工作溫度下穩(wěn)定工作，且滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。本文選用西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的CYB15壓力變送器和SBYW溫度變送器，這兩款變送器均為直流電壓供電，二線制4～20mA電流信號(hào)輸出，適合石油化工領(lǐng)域的工業(yè)檢測(cè)和控制使用。
3.2 通道切換電路
由于系統(tǒng)需要采集溫度和壓力兩個(gè)信號(hào)量，因此需要在井下設(shè)計(jì)一個(gè)通道切換電路。本系統(tǒng)采用的通道切換電路是由多通道模擬選擇開關(guān)和電壓檢測(cè)電路兩部分所組成。以電流信號(hào)作為傳輸媒介，對(duì)溫度和壓力進(jìn)行分時(shí)數(shù)據(jù)采集。如D3所示為通道切換電路。ADG5404是一款互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬選擇開關(guān)，內(nèi)置4個(gè)單通道。并且它具有轉(zhuǎn)換時(shí)間快、小于10歐姆導(dǎo)通阻抗、工作輸入電壓范圍寬等特點(diǎn)。導(dǎo)通電阻曲線在整個(gè)模擬輸入范圍都非常平坦，可確保開關(guān)信號(hào)時(shí)擁有出色的線性度和低失真性能，完全符合本系統(tǒng)研制要求。
采用LM293芯片是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的時(shí)序時(shí)間可控，本系統(tǒng)設(shè)置切換時(shí)間為20s。在上位機(jī)程序上采用的是切斷井下供電延時(shí)1s再重新啟動(dòng)來達(dá)到消除時(shí)間累積的目的。ADG5405芯片通過加載在A0與A1端的時(shí)序信號(hào)來選通具體的導(dǎo)通端口。本系統(tǒng)應(yīng)用的是兩個(gè)參數(shù)，只需要兩路導(dǎo)通即可，所以應(yīng)用LM293作為ADG5404的時(shí)序觸發(fā)信號(hào)，在LM293的第3引腳輸出信號(hào)并連接到ADG5405的A0與A1管腳，如此便產(chǎn)生了00與11的時(shí)序信號(hào)，以此來導(dǎo)通S1與S4兩個(gè)端口，從而實(shí)現(xiàn)通道的選擇，使得溫度和壓力可以分時(shí)段切換傳輸。
3.3 濾波電路設(shè)計(jì)
潛油電泵井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要濾波器來消除變頻供電在電機(jī)星點(diǎn)中產(chǎn)生的高電壓和三相短路接地時(shí)在星點(diǎn)產(chǎn)生的極高脈沖電壓，保證裝置的長時(shí)間高效穩(wěn)定的工作。濾波電路如圖4所示。本文采用串聯(lián)電抗及并聯(lián)電容的方法來抑制高電壓和高脈沖電壓，從而有效地保護(hù)井下溫度壓力變送器。
3.4 溫度壓力采集電路設(shè)計(jì)
溫度壓力采集電路主要通過AD7705芯片和LPC2378單片機(jī)來完成。AD7705采用了Σ-Δ技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。具有兩個(gè)全差分輸入通道，可編程單極性或雙極性輸入，前端可編程增益等功能。AD7705具有高分辨率、抗噪聲、自校準(zhǔn)、低功耗等特點(diǎn)，十分適合儀表測(cè)量和工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。圖5所示為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路。
LPC2378是通過模擬的SPI通信方式以普通I/O接口與AD7705進(jìn)行連接。D1是穩(wěn)壓管，D2是肖特基二極管，其作用是為了防止電流過大將AD芯片燒壞。選擇R1、R2是為了增加采樣精度。AIN（+）為信號(hào)輸入端，AIN（-）通過+5V電壓、固定電阻R4、R5和可調(diào)電阻R3形成一個(gè)偽差分通道。通過調(diào)節(jié)R3可防止數(shù)據(jù)在輸入端和輸出端邊界時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)失真，使AD轉(zhuǎn)換的精度到達(dá)最高從而使其適應(yīng)每套系統(tǒng)下不同的電流。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，程序采用模塊化研制，具有可讀性強(qiáng)、移植性高的特點(diǎn)。潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用NXP公司的LPC2378，該芯片具有抗干擾性強(qiáng)、支持在線編程、低功耗、價(jià)格低等特點(diǎn)。其軟件部分主要分為兩部分，其中一部分控制井下電源信號(hào)的變化，用于數(shù)字濾波、參數(shù)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送。另一部分主要完成信號(hào)采樣、故障處理等功能。如圖6所示就是主程序的軟件流程圖。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化系統(tǒng)配置，然后開始讀取當(dāng)時(shí)的時(shí)間參數(shù)，此時(shí)單片機(jī)控制繼電器接通60V直流電，開始測(cè)量溫度參數(shù)，測(cè)量20s后，將采集到的時(shí)間和溫度參數(shù)進(jìn)行發(fā)送。然后將繼電器切換到90V直流電通道，開始測(cè)量壓力參數(shù)。再將壓力參數(shù)進(jìn)行發(fā)送。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文設(shè)計(jì)的潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了模擬工作試驗(yàn)。試驗(yàn)采集了大量有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析表明該系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，可以證明本文中所研究的系統(tǒng)可以在正常的工作環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且能夠保持溫度壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過多次測(cè)試，該系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。
6 結(jié)束語
本文對(duì)潛油電泵井下溫度壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)的硬件主要模塊和軟件主程序做了詳細(xì)講述。結(jié)合潛油電泵的特點(diǎn)，提出采用兩線制電流信號(hào)傳輸井下數(shù)據(jù)，通過地面系統(tǒng)對(duì)井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，通道切換電路對(duì)溫度和壓力進(jìn)行分時(shí)采集。電路調(diào)試已經(jīng)完成，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)滿足需求，并且具有較高的穩(wěn)定性和精確度，具備現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件。
參考文獻(xiàn)
[1]張文.井下信號(hào)傳輸與調(diào)理方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013.
[2]葉欣.潛油電泵井下溫度壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安石油大學(xué)，2013.
[3]付岳峰.潛油電泵井井下壓力溫度測(cè)試系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2008.
[4]王志平.井下數(shù)據(jù)采集與傳輸方法研究[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)，2011.
[5]蒙麗娜.電泵井下測(cè)試系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2010.
作者簡(jiǎn)介：白山（1959-），男，教授級(jí)高工，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。
【關(guān)鍵詞】ZigBee;星形網(wǎng);溫度采集;遠(yuǎn)程監(jiān)控
1.引言
溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于對(duì)溫度敏感的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等現(xiàn)場(chǎng)，如通信基站機(jī)房、礦井、糧倉、智能家居等環(huán)境中。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需在所監(jiān)測(cè)區(qū)域布置大量的信號(hào)傳輸線，體積寵大，成本相對(duì)較高，且不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。如何解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的有線網(wǎng)絡(luò)所帶來鋪設(shè)、維護(hù)等諸多不便已成為目前研究的熱點(diǎn)。本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能有效解決上述的問題。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低速率、低復(fù)雜度的雙向的無線通信技術(shù)，它是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)[1-5]。以ZigBee技術(shù)組成無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的微型溫度傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信構(gòu)成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)[6]，能夠?qū)崟r(shí)地感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的溫度信息，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)處理并在服務(wù)器Web網(wǎng)頁上，用戶可以登陸網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)自組網(wǎng)的特性，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成一個(gè)星型網(wǎng)進(jìn)行通信[5]，移動(dòng)終端（手機(jī)、平板電腦以及個(gè)人電腦）通過連接指定網(wǎng)絡(luò)后通過Web瀏覽器訪問溫度數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁面顯示界面。如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2.2 系統(tǒng)的功能
本系統(tǒng)分為三大模塊：1）溫度感知模塊;2）控制處理以及射頻收發(fā)模塊;3）數(shù)據(jù)接收顯示模塊。主要有兩大功能：1）環(huán)境溫度數(shù)據(jù)無線采集功能：測(cè)溫節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集所探測(cè)環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，通過無線傳輸?shù)姆绞桨巡杉降臏囟葦?shù)據(jù)都發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。2）環(huán)境溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能：系統(tǒng)采用的是B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，只需一個(gè)可以訪問網(wǎng)頁的終端即可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。另外可以在網(wǎng)頁顯示界面上按需設(shè)置監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的上限值和下限值，環(huán)境溫度一旦超過所設(shè)置的上限值或者低于設(shè)置的下限值就會(huì)有相對(duì)應(yīng)警報(bào)提醒。
3.硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的2.4GHz ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530的無線單片機(jī)方案。TI公司免費(fèi)提供了ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容IEEE802.15.4與ZigBee2007協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧代碼和開發(fā)文檔，并為提供了豐富的開發(fā)調(diào)試工具[2-4]。
CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存[2]，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530具有21個(gè)可用I/O、4個(gè)定時(shí)器、ADC 、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、AES加密/解密內(nèi)核、DAC、DMA、Flash控制器、RF射頻收發(fā)器等眾多外設(shè)[4]。
圖2 CC2530電路
節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)：
測(cè)溫的節(jié)點(diǎn)由CC2530與DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成，采用電池進(jìn)行供電[7]。CC2530通過單總線通信協(xié)議控制DS18B20數(shù)字溫度傳感器并獲取實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度值，再發(fā)送到協(xié)議器節(jié)點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器與CC2530接口示意圖如圖3所示。
圖3 硬件框架圖
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)直接由上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線供電。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收所有測(cè)溫節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過片內(nèi)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過CC2530 ZigBee開發(fā)底板USB口把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。
4.軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ZigBee星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信，涉及到協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的編程[7]。協(xié)議器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行維護(hù)，接收各不同的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的溫度信息融合后再進(jìn)行控制。終端節(jié)點(diǎn)必須加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)中，并開始定期采集溫度并發(fā)送到協(xié)調(diào)器上。協(xié)調(diào)器把融合后的溫度經(jīng)過串口在Web服務(wù)器上，供指定用戶登陸站點(diǎn)進(jìn)行訪問。
協(xié)調(diào)器上電后，根據(jù)編譯時(shí)指定的參數(shù)，選擇適合當(dāng)前通信環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)號(hào)以及信道來建立星形網(wǎng)[6]。協(xié)調(diào)器的程序圖如圖4所示。
終端節(jié)點(diǎn)上電并初始化硬件以及協(xié)議棧后，會(huì)搜索是否存在著對(duì)應(yīng)編號(hào)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)[3]，如果存在則加入對(duì)應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)，然后啟動(dòng)定期采集溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至協(xié)調(diào)器。
圖4 協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
Web服務(wù)器顯示界面是基于MyEclipse Enterprise Workbench 9.0平臺(tái)的，用Jsp技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于Web的串口通信方法。頁面利用Jsp技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示功能，然后利用JavaBean和Servlet在后臺(tái)獲取串口的數(shù)據(jù)，并通過Json對(duì)象將數(shù)據(jù)傳送到前端頁面。最后利用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁面的定時(shí)自動(dòng)刷新更新數(shù)據(jù)，以及利用JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁面按鈕和功能事件的觸發(fā)。
5.顯示界面
網(wǎng)頁顯示界面分為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和參數(shù)設(shè)置區(qū)域兩大部分。顯示區(qū)域內(nèi)分別顯示傳感器編號(hào)、獲取時(shí)間以及溫度值共三項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容。參數(shù)設(shè)置區(qū)域里需要設(shè)置的主要參數(shù)有四個(gè)，分別是串口號(hào)、波特率、高溫警告和低溫警告，其他均保持默認(rèn)即可。顯示界面可以獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的溫度數(shù)據(jù)，且用戶通過高溫警告與低溫警告來進(jìn)行溫度保護(hù)。
圖5 工作界面
6.結(jié)論
本文通過實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度敏感的環(huán)境實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。可以通過布置多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控多個(gè)區(qū)域的溫度，可以應(yīng)用的范圍的很廣，該系統(tǒng)具有低功耗，低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無人值守，檢測(cè)準(zhǔn)確度高，抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，能夠長時(shí)間穩(wěn)定地工作，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012，05.
[2]李文促，段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航空大學(xué)出版社，2009.
[3]Shahin Farahani.ZigBee Wirless Networks and Transceivers[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2013，08.
[4]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，06.
[5]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.
[6]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)華出版社，2005.
[7]武風(fēng)波，強(qiáng)云霄.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），20084，38（5）.
本文屬廣州市教改項(xiàng)目（No.2013A022）資助;華軟校級(jí)項(xiàng)目（No.ky201206）資助。
作者簡(jiǎn)介：
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合； DSl8B20；風(fēng)機(jī)；監(jiān)測(cè)；算術(shù)平均值
隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及其開采的深度延伸，礦井里瓦斯涌出量不斷上升，加之環(huán)境溫度變化反差大，增加了井下隔爆風(fēng)機(jī)溫度監(jiān)測(cè)的難度，而由風(fēng)機(jī)溫度升高引發(fā)的爆炸事故頻繁，因而對(duì)煤礦井下通風(fēng)隔爆電機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究變得尤為緊迫和重要。為此，我們?cè)趯?duì)煤礦井下隔爆風(fēng)機(jī)及其工作環(huán)境進(jìn)行了深入地調(diào)研和仔細(xì)地分析后發(fā)現(xiàn)：目前井下隔爆通風(fēng)電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)主要集中在觀測(cè)點(diǎn)難以確定、測(cè)量方法單一，測(cè)量過程出現(xiàn)不確定性以及準(zhǔn)確性低等。針對(duì)這些問題，我們選擇了電機(jī)溫度變化顯著的部位及其工作環(huán)境溫度變化明顯的不同空間位置為觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行內(nèi)外環(huán)境溫度同時(shí)獨(dú)立采集，然后采用數(shù)據(jù)融合算法，在時(shí)間域上求得一組融合值，再進(jìn)行優(yōu)化處理，尋找出其溫度與時(shí)間的動(dòng)態(tài)規(guī)律性，并對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)控，便可提高溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。第一作者的姓名、性別、出生年、民族、職稱、學(xué)位、研究方向、聯(lián)系電話請(qǐng)?jiān)诟寮醉擁撃_注明。 1.數(shù)據(jù)融合簡(jiǎn)介
數(shù)據(jù)融合技術(shù)即采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干觀測(cè)信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。按其融合方法分為基于統(tǒng)計(jì)理論融合、基于信息論融合和基于認(rèn)識(shí)模型融合等。
數(shù)據(jù)融合在現(xiàn)代傳測(cè)控技術(shù)中應(yīng)用，主要利用多個(gè)傳感器資源，通過對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)的信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象一致性解釋或描述?？梢?，數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)是多傳感器系統(tǒng)，加工對(duì)象是源信息，核心是協(xié)調(diào)優(yōu)化與綜合處理。其基本目標(biāo)就是通過數(shù)據(jù)的組合推導(dǎo)出更多的信息，最佳的協(xié)同作用結(jié)果，提高傳感器系統(tǒng)的有效性和被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2．溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
2.1控制方案的確定
由于采用等準(zhǔn)確度的傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，所以溫度檢測(cè)元件我們選用了具有等準(zhǔn)確度的DSl8B20，在風(fēng)機(jī)的三相定子繞組的每相埋設(shè)兩個(gè)傳感器以及風(fēng)機(jī)的兩端軸承處各埋設(shè)一個(gè)，共用8個(gè)傳感器；同時(shí)在隔爆風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境，即采煤工作面的不同空間位置選了8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各埋設(shè)了一個(gè)傳感器，便獲取16路獨(dú)立的溫度數(shù)據(jù)，再將16路數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入主機(jī)PLC的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，獲得真實(shí)值，再進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，參數(shù)的修正等，并通過RS-845聯(lián)機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下隔爆風(fēng)機(jī)溫度的智能化在線監(jiān)控，原理圖如圖2-1所示。
圖2-1溫度檢測(cè)與控制原理結(jié)構(gòu)圖
2.2 溫度采集電路的設(shè)計(jì)
由于數(shù)字溫度傳感器（DSl8820）能夠獨(dú)立完成信號(hào)調(diào)理或線性化，且測(cè)量溫度范圍為[-55,+125] 0C，能夠滿足礦井溫度范圍變化大的要求，并可通過數(shù)據(jù)總線直接與主機(jī)PLC相連，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，因此本系統(tǒng)的檢測(cè)元件采用DSl8820，采集電路如圖2-2所示。
圖2-2 十六路Sl8820與PLC的總線接線圖
2.3 溫度數(shù)據(jù)融合算法規(guī)則
為了避免傳統(tǒng)的單一的算術(shù)平均值算法的不足，本系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)融合算法，即將由16路傳感器測(cè)得值送入PLC的CPU中，通過分布圖法剔除疏失誤差后得出一致性測(cè)量數(shù)據(jù)，然后按傳感器所在空間位置不相鄰的準(zhǔn)則將其分成兩組，先求出兩組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，再進(jìn)行分批估計(jì)算法，估計(jì)出溫度真實(shí)值的融合值T，從而消除測(cè)量過程不確定性，獲得采煤工作面的溫度測(cè)量真實(shí)值，具體步驟如下：
設(shè)被測(cè)溫度真值為T0， H為測(cè)量溫度方程系數(shù)矩陣，V為誤差向量，則測(cè)量溫度方程可表示為：T=HT0+V
式(2-1)及(2-2)中的i，j分別是第一、二組中傳感器的編號(hào)，則對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別是：
根據(jù)分批估計(jì)理論，分批估計(jì)后得溫度的融合值的標(biāo)準(zhǔn)誤差是：
(2-8)公式說明:若實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)誤差越大,即分得的兩組數(shù)據(jù)誤差越大，則公式 (2-8)對(duì)改善誤差的效果越明顯；反之，其相對(duì)于求算術(shù)平均值的優(yōu)越性也就不顯著了，所以此測(cè)溫方法適合于溫度反差變化大的環(huán)境場(chǎng)所。
3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3．1數(shù)據(jù)采集
為了使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠充分滿足數(shù)據(jù)融合法規(guī)的要求，我們把淮南礦業(yè)集團(tuán)的新莊孜煤礦井下3#采煤工段的隔爆風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，在風(fēng)機(jī)的內(nèi)外變化溫度明顯處選擇了16個(gè)測(cè)視點(diǎn)，各埋設(shè)一個(gè)DSl8B20，同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的溫度測(cè)量，共獲得16路數(shù)據(jù)，溫度采集電路如上圖2-2所示。通過顯示器（LCD）獲得不同時(shí)刻的真實(shí)值，即融合值，∈ [8 、12.5、15、 16.6、18、19.7 、20、 21.5、 22、23、24.6、 25、26] 0C，對(duì)應(yīng)的融合時(shí)間t∈[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14]h,對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖如3-1所示.
此圖表明:采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)計(jì)算的測(cè)量結(jié)果較接近于線性測(cè)量,可把溫度的非線性測(cè)量轉(zhuǎn)換為線性測(cè)量,大大降低了測(cè)量控制的難度.
3.2 數(shù)據(jù)處理
采用先進(jìn)的應(yīng)用軟件,如MATALAB對(duì)通過多次反復(fù)數(shù)據(jù)融合值進(jìn)行線性擬合,并進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、優(yōu)化,得到最佳的溫度監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)關(guān)系式為:
y=at+b (3-1)
這里的a,b對(duì)于某一測(cè)控對(duì)象是確定的值,但當(dāng)測(cè)量對(duì)象發(fā)生變化時(shí),其值需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正. 我們?cè)谛虑f孜礦1#采煤區(qū)求得實(shí)驗(yàn)擬合函數(shù)式為:
y=1.133t+11.4813 (3-2)
t為實(shí)際溫度動(dòng)態(tài)跟蹤的數(shù)據(jù)融合值，對(duì)應(yīng)的溫度監(jiān)測(cè)波形如3-2所示.此圖表明: 采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算溫度值,用此值擬合出溫度檢測(cè)系統(tǒng)的函數(shù), 再反控被測(cè)對(duì)象,提高了控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.
4.總結(jié)
理論分析和實(shí)踐檢驗(yàn)表明： 該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，計(jì)算量較小，適用于數(shù)字化溫度采集系統(tǒng)。特別是被控對(duì)象在環(huán)境溫度惡劣的條件下作業(yè)，如煤礦井下隔爆風(fēng)機(jī)，采用多路傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度在線測(cè)量，便可獲得可靠的實(shí)時(shí)性的測(cè)量數(shù)據(jù)，不僅可以消除測(cè)量過程中的不確定性，而且能夠提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，值得進(jìn)一步推廣與研究。
參考文獻(xiàn):
[1]韓芳,朱玉琴.煤礦風(fēng)機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2009,30(2):142-143.
[2]鄭曉東，朱玉琴等.一種防爆對(duì)旋式風(fēng)機(jī)智能器動(dòng)器[J].煤礦機(jī)電.2009,2(1):89-91.
[3] 隋明發(fā).電機(jī)實(shí)時(shí)溫度測(cè)量技術(shù)的研究[D].沈陽理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文，2008.1.
