無線測溫技術的發展與應用

甘如華，郝 倩，曹韋瑜，成 兵，汪建民

（1.武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵總廠，湖北 武漢 430080；2.北京工業大學，北京 100124；3.武漢蜂網科技公司，湖北 武漢 430083；4.武漢昊海立德科技有限公司，湖北 武漢 430080）

一、低功耗無線測溫系統概述

微電子技術的進步推動了低功耗多功能傳感器技術的快速發展。其中的一個主流研究方向就是無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）。它由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送至中控室。

當前，很多無線測溫系統采用紅外或藍牙等進行數據傳輸，但紅外技術傳播有方向性且距離短，同時要求設備相對固定，另外無法辨識所測溫度為空氣溫度還是所測介質溫度，測量結果波動較大，不利于系統控制；藍牙技術復雜且功耗大，不宜在各測量點運用。目前，如何高效使用能量來最大化節點的生命周期是一個問題。動態電源管理、動態電壓調節技術是開發測溫節點常用的方法。節點處理器和傳感器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。傳感器節點傳輸信息時要比執行計算時更消耗電能，因此無線通信模塊必須大部分時間處于空閑狀態。在節點的低功耗設計方面，運用CMOS技術開發的節點，接收和發送的功耗可以降到毫瓦級。對于現有的各種無線通信技術，Zig Bee(紫蜂)短程無線通信技術是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術，工作在2.4GHz公用頻段，采用調頻技術，具有很強的抗干擾特性。Zig Bee網絡的容量大，能同時最多支持65 535個網絡節點。強大的組網能力能自動構建星狀網絡(Star)、簇狀網絡(Cluster)以及網狀網絡(Mesh)。它主要為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，其結構簡單、使用方便、工作可靠、價格低廉。在低耗電待機模式下，兩節5號干電池可支持一個節點工作6～24個月，甚至更長。相比較，藍牙僅能工作數周，WiFi則僅可工作數小時。基于以上優點，一般選用Zig Bee來完成無線網絡的建立。

二、系統構成

1.硬件部分

無線傳感器網絡的硬件通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。在構建無線網絡方面有兩種選擇，其一是利用已經存在的通信公用網，如公用蜂窩網，這種方式通常采用無線短程網采集數據，再通過無線網絡及有線網絡的網關送入上位計算機存儲和處理。其二是建立一個個人的無線網絡，如低功耗低速率的無線網絡協議IEEE802.15.4，Zig Bee技術就基于此無線通信協議。常見無線測溫系統如圖1所示。

另外，形成完整網絡應用所需要的定位技術、時間同步技術、無線電跳頻擴頻技術、時分多址控制技術、數據管理技術以及數據融合技術是系統實現的支撐技術，而跟蹤系統和監測系統的軟硬件研究平臺則是系統實現的應用技術。

2.軟件部分

軟件上對Zig Bee協議棧（如圖2所示）進行配置，構成結構簡單、功耗低的星型網絡,即一個網絡協調器和若干個從機模塊。與PC機相連的模塊作為網絡協調器，它的主要任務有兩個：（1）負責組織無線網絡，即自動搜尋網絡中的從機節點，并給從機分配網絡ID號；（2）從從機節點取得PC主機需要的數據，實現無線網絡與PC機之間的通信。從機模塊即為與溫度傳感器相連的Zig Bee模塊，一個從機模塊可以根據需要連接多個測溫探頭或溫度傳感器。

圖2 Zig Bee協議棧結構

三、多路無線測溫系統概述

多處測溫費時費力，且不便于實現控制。多路無線測溫系統是解決此問題的一種方案，工作人員在一個地方就能夠測量到多處異地的溫度。接收范圍大于80m，常溫測量精度小于±0.5℃，電路設有警戒溫度自動閃爍報警功能。該解決方案省時省力，測量方便，易于和其他裝置連接，實現系統自動控制。

多路無線測溫與單路測溫的根本區別在于每只發射機都包含有定時自動測溫發射功能。每只發射機在不需要自己測溫發射的時候處于關閉狀態。到了自己的測溫發射時間就自動開啟發射。這樣，各發射機之間的測溫發射時間可以相互錯開，實現了多路測溫的可能性。各發射機除測溫發射時間設定不同外，其他各參數全部相同。這樣，一只接收機就可以接收到多只發射機發送來的信號，只是在不同的時間內接收到的是不同的發射機發送來的信號。綜合考慮設備成本和抗干擾性能，采用頻率作為系統的無線傳送信號。所以，每只發射機在其工作的時間內，要把自己測到的溫度信號轉換成對應的頻率去調制載波，并發射到空中。而接收機把接收下來的信號解調后，一路把頻率轉換成對應的電壓去驅動顯示電路，另一路直接送給報警電路，由報警電路根據預先設定的警戒溫度(頻率)決定是否需要報警。

合理設計監測網絡的拓撲結構可以進一步增加網絡的容量與覆蓋范圍，使系統具有功耗低、結構簡單、通信效率高、抗干擾性強、穩定性好的特點，可廣泛應用于環境比較復雜的檢測場所和自動控制領域。針對目前工業現場對功耗、成本以及無線網絡的要求,低功耗無線測溫系統是該領域的一個發展趨勢。

四、應用實例

將無線測溫技術應用于煉鋼高爐齒輪箱的測溫中，具體實施方案如圖3所示。該高爐無線測溫系統用于檢測大型機械設備溫度的無線測溫裝置放置于冷軋卷曲機上，此處在高溫時極易出現潤滑失效，導致機械設備故障。監測該處的實時溫度，可實現對故障的預知診斷，防止事故的發生，保證現場的安全生產。

圖3 無線測溫實際應用示意圖

無線測溫系統完成數據采集后，在計算機上安裝數據采集軟件就可以遠程讀取機械設備的溫度信息，在軟件界面上可以實時監測設備的溫度狀態，顯示設備測點處準確的溫度數值，真正做到了遠距離無線測溫。當被測點溫度超過預先設定的閾值時，就發出紅色報警信號，及時提醒有關人員采取相應的措施，實現現場溫度的實時監測和預警。

五、結論

無線測溫技術在工業中的應用越來越多。溫度指標也成為工業測量領域的一個重要數據。在工程設計和實踐中，應結合工程實際采用適合的測溫方案，準確的記錄各類機械設備的運行狀況，保證工業系統的安全運行。

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