基于物聯網技術的電弧爐無線測溫系統設計*

錢承山，許 強，胡二猛，俞 露，劉 驍

（1.南京信息工程大學江蘇省網絡監控工程中心，南京 210044；2.南京信息工程大學信息與控制學院，南京 210044）

溫度檢測在建筑、電力、水利、冶金等工程領域有著非常廣泛的應用，鋼鐵廠煉鋼電弧爐需要對溫度實時監測，鋼液溫度是冶金過程中的重要參數之一。但是面對日益老化的電弧爐，傳統有線測溫經常發生線被燒斷的情況。物聯網技術作為一門新興技術，利用無線傳感網絡解決目前電弧爐有線測溫的不足［1-3］。傳統的測溫系統測溫點少、布線麻煩、系統的兼容性差［4］。本文根據具體項目要求將物聯網技術應用在煉鋼廠電弧爐的分布式溫度采集系統中，設計了一種基于ZigBee無線通信技術為基礎的無線測溫系統。ZigBee技術是一種近距離雙向無線傳輸技術，其特點是功耗低、可靠性高以及復雜度低［5-7］。本系統中通過ZigBee網絡技術實現傳感器節點與中心節點的無線通信，通過RS232和RS485通信協議實現中心節點和上位機的通信。

1 系統總體設計

系統由測溫節點，測溫監測儀即中心節點，上位機3個部分組成，測溫監測儀通過RS485工業總線相連接，再經過RS485轉RS232模塊連接上位機。系統總體設計如圖1所示。

系統測溫節點以QRF0600無線收發模塊、DS18B20傳感器以及PIC單片機為核心。測溫監測儀以QRF0 600和AVR單片機為核心。系統工作過程為：測溫節點通過DS18B20溫度傳感器獲取相應位置的溫度，無線收發模塊QRF0600將數據打包經無線傳輸到測溫監測儀，監測儀顯示溫度值并且通過RS485和RS232的轉換將接收到的數據傳給上位機以實現數據的存儲、查詢、顯示等功能。

圖1 無線測溫系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 測溫節點

測溫節點負責采集和發送溫度數據。它由溫度傳感器DS18B20、單片機PIC16F648A、無線收發模塊QRF0600和電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 測溫節點硬件結構圖

考慮測溫節點的數量多，鋼鐵廠環境還比較惡劣，測溫節點微控制器選擇Microchip生產的PIC16F648A高抗干擾單片機，通過選用單片機的4個I/O口模擬SPI總線的串行數據輸入（MISO）、串行數據輸出（MOSI）、串行通信時鐘（SCK）和片選控制（/SS）引腳對QRF0600的寄存器進行讀寫控制。

QRF0600是一個高輸出功率傳輸模塊，集成了無線收發芯片UZ2400，天線。UZ2400性能穩定且功耗極低，它的選擇性和靈敏性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性［8］。

電源模塊采用以色列TADIRAN塔迪蘭進口電池，該電池是工業上常用的鋰電池，電壓為3.6 V，容量為1 200 mAH。該電池的特點是安全、可靠、重量輕、電壓穩定等。電池使用壽命需要根據測溫節點發射數據時間而定。本文測溫節點工作模式功耗為休眠定時喚醒，經過示波器測試，發射一次數據為9 mA，休眠時為5 μA，這樣大大降低了測溫節點的功耗。如果測溫節點設置3 min發射一次數據，該電池大概可以使用3y。從而避免的測溫節點經常更換電池的麻煩。

2.2 中心節點

中心節點負責接收測溫節點傳來的信息并上傳給上位機，同時用液晶屏顯示方便現場察看。中心節點結構如圖3所示。

圖3 中心節點硬件結構圖

綜合考慮價格、功耗、性能，中心節點MCU選擇AVR單片機。Atmega128a的數據吞吐率高達1（Million Instruction/s）/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾［9］。由于中心節點需要長期工作，所以電源采用電網交流供電。

普通計算機輸出串口為RS232串行總線標準，傳輸速率慢，傳輸距離短［10］。中心節點通過RS485總線連接，不僅提高通信的可靠性和傳輸距離，還增加了多點雙向通信能力。PC機和中心節點之間需要實現RS232與RS485間的轉換，其轉換電路如圖4所示。

圖4 RS232-RS485串口通信轉換電路

3 系統軟件設計

無線測溫系統軟件設計包括測溫節點、中心節點和上位機3部分。

測溫節點上電后先對硬件進行初始化，然后搜索ZigBee網絡，如果存在則加入，加入后系統進入低功耗工作模式狀態，當設定采集定時時間到，測溫節點進行溫度采集和無線發送，程序流程如圖5所示。

圖5 測溫節點流程圖

中心節點程序流程如圖6所示。系統擁有中心節點和多個測溫節點，各節點之間通過不同的物理地址信息進行區分，中心控制節點在進行查詢操作時，首先需要確定目的節點的物理地址。本系統設計中通過軟件已將各節點物理地址固定［11-12］。

Visual Studio是Windows平臺目前最流行的應用程序開發環境，上位機軟件是基于Visual Studio 2010使用C#語言開發的應用程序。實現對各個測溫節點溫度數據的處理和動態顯示；溫度曲線動態顯示和歷史曲線查詢；報警溫度設置和歷史報警查詢。

圖6 中心節點流程圖

4 實驗

在完成了軟硬件設計和調試之后，對整個電弧爐分布式溫度采集系統進行實地測試。測試地點為安徽馬鞍山鋼鐵廠。測試用到3個測溫節點和1個中心節點。中心節點通過4×4矩陣按鍵設置時間和測溫點數目，并且通過485轉232模塊連接至上位機。與上位機通信參數設置如圖7所示。其中被測名稱為測溫節點的名字，序號為測溫節點的地址，測試所用3個測溫節點分別為A01、A04、A05。測溫節點每隔1 min發送一次數據，測溫節點與中心節點的距離為50 m并且中途隔2層墻，某一時刻所測數據部分截圖如圖8所示，A01測溫曲線如圖9所示，本次實驗設置報警溫度為30℃，若超過報警溫度，上位機溫度顯示值變為紅色，同時中心節點發出報警聲音。

圖7 電弧爐無線測溫參數設置

圖8 電弧爐無線測溫實驗數據

圖9 測試所測溫度曲線

5 結束語

實踐證明物聯網技術能夠應用在鋼鐵廠電弧爐分布式溫度采集系統中，由PIC16F648A單片機控制的測溫節點，Atmega128a單片機控制的中心節點，和基于ZigBee技術的無線傳輸模塊QRF0600的無線測溫系統具備測溫準確、組網靈活、抗干擾能力強、性能穩定等特點。該系統能夠實現對電弧爐的無線測溫，可以實現對溫度測量要求較高且不宜進行有線數據采集、傳輸和監測的場合，應用前景十分廣闊。

［1］陳麗華，劉曉文，戴吉，等.基于無線傳感網絡的礦用溫度監測系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2008（12）：87-89.

［2］NiSha，Su Junfeng，Nie Lili.Design of Multi-Point Wirele-Ss Tem?perature Measuring System.IEEE International C-Onference on Modeling，2012，9：422-425.

［3］劉威.基于DS18B20和nRF9E5的多點無線測溫系統［D］.吉林：吉林大學，2007.

［4］崔陸軍，尚會超.基于AVR單片機的無線測溫系統［J］.儀表技術與傳感器，2012（9）：57-59.

［5］王龍山，馬珺.基于物聯網的家居綜合監測系統［J］.電子技術應用，2013（2）：78-81.

［6］賀才軍，方厚輝，管于球，等.ZigBee技術在工業監控網絡中的應用［J］.計算機系統應用，2010，19（5）：179-182.

［7］Cai Bin，Jin Xinchao，Yan Shaomin，et al.Application Research on Temperature WSN Nodes in Switchgear Assemblies Based on Tin?yOS and ZigBee［C］//IEEE International Conferen-Ce on Electric Utility Deregulation and Restructuringand Power Technologies，2011：535-538.

［8］陸原，宋杰，王永青，等.一種用于供電系統的無線測溫網絡［J］.儀表技術與傳感器，2010（1）：45-47.

［9］孫鵬，錢承山，李俊.基于無線傳感技術的接觸網導線接頭及換相點溫度監測系統［J］.電子器件，2014，37（2）：292-296.

［10］胡瑋，魏偉.RS232與RS485串行接口轉換電路及其編程實現.實驗科學與技術，2012（1）：69-71.

［11］程春榮，毛祥根，武利珍.基于ZigBee技術的水質監測系統［J］.電子器件，2009，32（9）：942-945.

［12］賀玲玲.ZigBee傳感網絡Cluster-Tree改進路由算法研究［J］.傳感技術學報，2010，23（9）：1303-1307.

錢承山（1971-），男，漢族，山東泰安，南京信息工程大學，教授，碩士生導師，主要研究方向為電氣自動化、智能終端與物聯網應用，qianchengshan@163.com；

許 強（1989-），男，漢族，江蘇揚州，南京信息工程大學，碩士研究生，研究方向為物聯網應用，xuqiang8620862@163.com。