基于低功耗技術的回轉窯測溫多點通信系統

曾小信，邱立運

（中冶長天國際工程有限責任公司，長沙 410007）

回轉窯是一種對物料進行干燥、焙燒的熱工設備。回轉窯窯內各點溫度檢測的準確與否，對產品的質量、產量、能源消耗、成本及設備安全運轉起著關鍵性的作用。回轉窯的轉動給準確測量回轉窯內的溫度帶來了諸多不便，因此選擇測量準確、經濟、實用的回轉窯測溫系統是保證回轉窯正常生產的重要手段[1]。

本文所述基于熱電偶測溫方法的多站點無線測溫系統，是在回轉窯上安裝若干支測溫熱電偶，熱電偶可以采用完全插入窯內或者插入回轉窯內襯的方法，但最終都是通過隨回轉窯轉動的無線發射裝置發送測溫數據，安裝在回轉窯所在平面附近的無線固定接收裝置接收數據，最后經現場通信總線傳輸給監控系統。本文對多站點無線通信測溫系統以及系統的低功耗技術進行了介紹。

1 一點對多點通信系統原理介紹

圖1 單點對多點通信網絡Fig.1 Diagram of point to multipoint wireless communication network

2 回轉窯測溫多點通信系統

回轉窯單點對多點無線測溫示意如圖2所示，根據工藝生產要求可以在窯頭、窯中、窯尾分別設置一定數量的測溫點，每1圈各設1個無線測溫發射裝置，在回轉窯附近位置設置1個無線接收裝置，從而構成單點對多點的無線測溫系統。

圖2 回轉窯單點對多點無線測溫示意Fig.2 Diagram of point to multipoint wireless measuring temperature of rotary kiln

2.1 回轉窯測溫多點通信系統架構

回轉窯一點對多點無線測溫系統如圖3所示，系統主要由無線發射裝置以及固定接收裝置組成。整個系統中無線發射裝置可以有1個或多個，固定接收裝置只有1個。無線發射裝置采集熱電偶的溫度信號，通過無線射頻技術將數據發送給固定接收裝置，固定接收裝置再通過現場總線把數據傳輸給監控系統。

圖3 回轉窯多點無線測溫系統結構Fig.3 Structure diagram of multipoint wireless measuring temperature of rotary kiln

無線發射裝置主要由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、供電單元組成。數據采集單元一般采集若干組熱電偶信號及熱電阻信號，數據處理單元一般采用低功耗單片機對數據進行處理。數據傳輸單元采用成熟可靠的無線傳輸模塊，供電單元一般采用耐高溫高能量的不可充電鋰亞電池。

固定接收裝置主要由無線數據接收單元、數據處理單元、通信總線數據傳輸單元及供電單元組成，整套裝置固定安裝于回轉窯附近，采用220 V交流電源供電。其中無線數據接收單元采用與無線發射裝置配套的無線射頻模塊；數據處理單元可以選擇一款運算速度較快、資源豐富的MCU，除了滿足當前的數據處理外，還要考慮到以后的功能擴展；通信總線數據傳輸距離及現場的實際情況采用RS485總線或者DP總線。

2.2 回轉窯測溫多點通信系統的工作過程

無線發射裝置接通電源后系統直接啟動開始工作，每次訪問均由固定接收裝置向無線發射裝置發出訪問請求，循環進行。當循環周期時間T1到，固定接收裝置按照無線通信協議格式，發送請求命令給第一個無線發射裝置，若在規定的時間T2內沒有收到相應的應答數據，則重發一次請求命令，然后等待下一個循環周期時間到，固定接收裝置發送請求命令給下一個無線發射裝置，直到請求命令發送給最后一個無線發射裝置，然后固定接收裝置又從第一個無線發射裝置開始，發送請求命令，如此循環訪問無線發射裝置。假設有M個無線發射裝置，循環周期時間設為N s，則固定接收裝置完成一次完整的輪詢請求，需要M×N s的時間。

神人獸面紋與鳥紋在這面鉞上分別置于刃角的上下方，它們是有不同的功能的。神人獸面紋是族徽或者說墓主人個人的標志。而鳥紋很可能才是真正的神，是歷代良渚人共同的信仰。這種鳥紋在玉琮中不獨立出現了，它被整合到神人獸面紋之中，而在這兒出現了。它說明，雖然鳥圖騰的意識在這個時候已經淡化，但并沒有消除。

3 軟件及通信協議

3.1 通信協議

本系統采用杭州利爾達公司的無線數據傳輸模塊，其模塊接口都是串行接口，TTL電平，模塊支持空中喚醒功能和自動進入休眠功能。

無線數據傳輸時，由于現場環境惡劣，電磁干擾嚴重，數據包可能會丟失或者一幀數據中個別字節會改變，從而干擾混淆了有效數據包，為了得到真實可靠的數據內容，本文定義了數據幀協議格式，通過該協議格式，可以避免無線模塊接收數據出錯。無線數據幀格式如圖4所示。

圖4 無線數據幀格式Fig.4 Wireless data frame format

幀格式數據說明：

幀頭：2個字節，以0x3030開頭；

功能碼：1個字節，每幀數據不同的數據信息或者控制指令；

長度：1個字節，幀長最長不超過256個字節，表示幀所有字節個數和，包括幀頭、功能碼、長度、流水號、設備編號、數據、校驗和以及幀尾；

流水號：1個字節，以0x00起始，每發送一幀數據，流水號加1；

設備編號：4個字節，系統以無線射頻模塊的ID作為設備編號；

校驗和：2個字節，表示校驗字節之前所有字節的16位CRC校驗和，不包含幀尾；

幀尾：1個字節，以0x55結尾。

以下舉例說明數據幀格式，例如有一幀數據內容如下：

“30 30 01 0e 00 30 00 53 08 60 04 b3 92 55”其中：0x3030表示幀頭；0x01表示功能碼；0x0e表示數據長度，即14個字節長度，跟在數據長度字節之后的0x00表示幀流水號；0x30005308表示設備編號；0x460表示溫度數據；0x92b3表示CRC16校驗和；0x55表示幀尾。

3.2 軟件設計

3.2.1 無線發射裝置軟件設計

無線發射裝置的主程序流程如圖5所示，主要包括實現系統初始化、熱電偶信號采集及線性處理、冷端溫度采集、電池電壓采集、無線數據發射等任務，其中冷端溫度補償采用PT100熱電阻信號。

系統定時器設置一個定時采集周期，定時周期根據采集速度可以修改，當定時周期時間到，則系統退出休眠模式，采集電池電壓、PT100冷端溫度信號、熱電偶信號及線性化處理，然后判斷是否接收到固定接收裝置的請求數據發送命令，若收到請求命令，則把電池電壓、冷端溫度及熱電偶溫度按照無線通信協議格式組幀，幀數據通過串口發送給無線射頻模塊，無線射頻模塊接收到數據自動發送出去，最后程序進入低功耗休眠模式。

圖5 無線發射裝置的主程序流程Fig.5 Flow chart of main program of wireless transmitting equipment

無線射頻模塊上電初始，默認進入到休眠模式，并且支持空中喚醒功能，即在休眠模式下也能接收到無線網關模塊發射的請求命令，并且把接收到的請求命令通過串口發送給無線發射裝置的CPU。

3.2.2 固定接收裝置軟件設計

在本文描述的回轉窯無線測溫系統中，固定接收裝置的無線網關模塊需要接收3個無線發射終端的數據。

固定接收裝置采用循環訪問方式，請求無線發射裝置的測溫數據，設置輪詢周期為M s，則每個無線發射裝置間隔3M s，無線發射裝置收到請求命令，然后把測溫數據發送出去。

固定接收裝置要實現的功能主要包括循環請求無線發射裝置的數據，解析無線接收的數據，通過RS485總線把數據發送給監控計算機，周期性采集熱電阻信號（測量回轉窯附近的環境溫度）。軟件主體控制程序采用嵌入式多任務操作，包含有4個子任務，每個任務都有一定的任務執行周期，任務執行標志位置1，則執行該任務，直到該任務執行完畢，然后判斷下一個任務的執行標志位，如此循環執行主控制程序。固定接收裝置主循環程序流程如圖6所示。

4 無線發射裝置低功耗技術研究

由于無線發射裝置采用電池供電，其容量有限，電池的工作時間由電池容量和無線發射裝置的功耗決定，功耗越低，電池工作時間越長。因此，通過降低無線發射裝置的功耗，可以延長電池的工作時間及減少更換電池的次數。降低無線發射裝置的功耗，可以從以下幾個方面著手[3]。

圖6 固定接收裝置主循環程序流程Fig.6 Flow chart of main program of fixing receiving equipment

4.1 硬件設計

（1）微處理器選型

無線發射裝置系統的CPU是主要耗能元件，選擇一款低功耗的單片機，可以極大地降低系統功耗。結合系統所需要的外部接口資源、工作電壓和工作頻率，選擇TI公司的低功耗單片機MSP430F2618，該單片機有多種低功耗模式，待機模式（VLO）功耗只有 0.5 μA，關斷模式（RAM 保持）只有 0.1 μA，并且可在不到1 μs的時間從待機模式喚醒。

（2）外圍集成電路芯片選型

電源芯片選擇一款低靜態電流的LDO芯片S-1112B33MC，其工作時靜態電流不到50 μA。熱電偶信號采集芯片選擇了一款AD公司的帶省電模式、工作靜態電流低的AD轉換芯片AD7795，省電模式下功耗只有0.5 μA，工作模式下電流不到300 μA。AD7795的外部基準電源芯片選擇了低靜態電流，帶使能引腳的基準電源芯片AD3425，工作模式下低靜態電流不到100 μA，使能引腳關斷情況下電流不到 5 μA。

（3）無線射頻模塊選型

無線射頻模塊是無線發射裝置的主要耗能部件，無線射頻模塊的正確選型對降低裝置的功耗起著關鍵作用。無線射頻模塊必須具有休眠模式，并且支持空中喚醒功能，即在休眠模式下，也能接收到無線網關發送的請求命令數據，以及無線發射裝置的主控CPU通過串口發送的應答數據。無線射頻模塊無線接收和發送完數據，會自動進入到休眠模式，不需要主控CPU通過IO引腳設置。

4.2 軟件設計

（1）對于CPU沒有使用的IO管腳，軟件也要進行初始化，若不進行初始化，也可能會增加單片機的漏電流，因此須將其設置為輸出模式，輸出為低電平。

（2）對于CPU中未使用的外設資源，都要通過程序關閉外設，這樣也可以降低CPU的功耗。

（3）主循環程序執行完畢，會馬上進入低功耗休眠模式，因此主程序執行時間越短越好，程序執行過程中，盡量不要采用延時等待函數。

（4）在CPU休眠模式下，定時中斷函數也能執行，因此可以把部分AD采集函數放在定時中斷函數中執行，例如電池電壓采集，以及冷端溫度采集。

5 結語

本文利用無線射頻模塊的單點對多點通信技術，實現了回轉窯的多點測溫，滿足了工藝生產的要求，并且對無線發射裝置的低功耗技術進行了深入的研究，采用低功耗技術，可以極大地降低系統功耗，從而延長了電池的使用時間，減少電池的更換次數，保證了回轉窯測溫系統的可靠正常運行。目前該技術及裝備的研究成果已經成功應用于某氧化球團廠的回轉窯溫度檢測，并取得了良好的應用效果。

[1]王勇，萬忠炎.幾種不同類型的回轉窯溫度檢測方法[J].山東冶金，2008，30（4）：68-70.

[2]許高俊，馬宏忠，李超群，等.基于無線傳感器網絡的高壓開關柜多點溫度檢測[J].中國電力，2014，47（12）：121-126.

[3]畢瑩.無線傳感器網絡節點低功耗的設計[D].長春：吉林大學，2008.