無線通訊在生物質電廠料場測溫的設計應用

（江蘇國信如東生物質發電有限公司，如東 226400）

隨著計算機技術和無線通訊網絡的飛速發展，各種先進的測控技術、測控設備和測控手段在現代工業中有了廣泛的應用。依照當前通訊領域的發展趨勢，無線通訊的應用勢必將逐步取代有線通訊。

生物質電廠在燃料堆放貯存過程中易積熱自燃，存在較大的火情隱患，且燃料堆垛內部蓬松，一旦發生火情，過火面積蔓延迅速，撲救難度極大，給生物質電廠消防管理帶來很大的難度。因此在火災發生前能夠及時、準確地監測料垛溫度變化并發出預警，對避免火災的發生顯得尤為重要。

針對常規測溫手段費時費力、實時性差、受安裝環境限制大等不足，以及現代消防安全監控系統的要求，提出了一種基于無線通訊技術的遠程測溫系統的設計方案。該方案利用無線通訊技術低成本、低功耗、數據傳輸可靠和抗干擾能力強的特點，降低了硬件成本，提高了系統的穩定性。

1 系統架構及工作原理

基于無線通訊技術的遠程測溫系統網絡架構如圖1所示。為了使系統具有功能可擴展性，采用了由測溫終端、無線數據傳輸和遠程監控中心相分離的三層體系結構組成，實現測溫數據的監測、傳輸和處理功能。其中測溫終端負責溫度信息的采集、存儲、轉換和發送；無線通訊網絡負責實時數據傳輸，實現內部網絡的組建，起橋梁紐帶作用；遠程監控中心負責收集測溫終端子節點的溫度信息，管理子節點的網絡分布，并負責數據匯總、處理、顯示、報警功能等。測溫終端可以包含多個相互獨立的監測子節點，實現對料垛由點到面，全方位多區域覆蓋監控；測溫點位置選取靈活多變，安裝方便。

圖1 網絡架構Fig.1 Network architecture diagram

2 測溫終端設計與實現

2.1 測溫終端結構

基于無線通訊技術的遠程測溫終端結構示意如圖2所示。該終端由溫度傳感器、單片機控制單元、存儲單元、無線通信模塊等部分組成。通過溫度傳感器的單片微處理器控制將料垛內部的溫度信號轉換成數字信號，再通過無線通訊網絡發射至無線接收設備，微處理器將采集到的溫度信息數據上傳至上位機，直接接入遠程監控中心。

2.2 溫度測量

圖2 終端結構示意Fig.2 Terminal structure diagram

溫度采集的主要器件為溫度傳感器，選擇時主要考慮傳感器的測溫范圍、精度及其與單片機的通信連接。常用的溫度檢測元件主要有熱電阻Pt100、熱敏電阻、熱電偶等。熱電阻Pt100的缺點是熱響應比較慢、成本高；熱敏電感測量的穩定性和復現性差，且變化率非線性；熱電偶式傳感器體積較大、靈敏度比較低。

生物質料垛一般選用DS18B20[3]集成數字式溫度傳感器。DS18B20是美國Dallas半導體公司推出的一種智能數字溫度傳感器，它能夠直接讀出被測溫度，并可根據要求通過編程實現9～12位的數字值讀數方式。其測溫范圍-55～125℃，自帶功率放大器可將信號放大，輸出線性特性好、精度高，與單片機通信配合簡單、成本較低、節省系統資源、可靠性高，適用于溫度慢變場所的長時間溫度測量。DS18B20有PR-35和SOSI 2種封裝方式，如圖3所示。本次設計采用PR-35式封裝。

圖3 DS18B20封裝示意Fig.3 DS18B20 assembly diagram

2.3 無線網絡

系統無線傳輸平臺采用ZigBee無線傳輸協議[1]。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率，且在有障礙時也可以進行傳輸。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

ZigBee標準規定的網絡節點由協調器、路由器和終端節點組成。ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。ZigBee協議棧采用模塊化設計，擴展性強，層次分明。Zig-Bee無線網絡流程[2]如圖4所示。

圖4 ZigBee無線網絡設計流程Fig.4 ZigBee wireless network design flow chart

2.4 計算機監控中心服務端

服務端管理上位機軟件在VC++集成開發環境下編程開發[4]。無線測溫通訊數據主要由上位機軟件完成。運行開始需對通訊通道進行初始化，然后按照初始設定的默認時間進行周期性檢測現場數據，實現定時上傳和主從式上傳檢測參數的功能。上位機界面如圖5所示。

圖5 測溫系統上位機界面Fig.5 PC interface of temperature measuring system

分布式測溫終端經ZigBee無線網絡發送到遠程監控中心服務端工控機的IP地址與端口后，服務器負責數據的接收、存儲和管理，由上位機軟件進行可靠的數據解析與分析。利用后臺運行的SQL數據庫，實現實時參數顯示、設備狀態檢測、數據查詢、報表、實時趨勢曲線及故障報警等功能。服務端管理軟件包含三大模塊：

（1）實時監控模塊：實時地監測各個測溫終端的溫度信息、設備狀態，并進行直觀的顯示；可以根據現場實際情況將某個測溫終端進行區域劃分，并設置和調整區域報警值或某個測溫終端的報警值。當發生溫度超限時，界面上顯示報警信號，并發出音響報警，提醒料場管理人員抵達現場進行檢查、處理情況；

（2）數據查詢、報表功能及歷史分析模塊：由于燃料堆場料垛需要長期監測，料場管理人員定期通過管理界面對各料垛測溫數據進行查詢，分析溫度變化趨勢，制定燃料貯存和消耗計劃。對發現有發熱炭化現象及時調整消耗計劃，確保料場堆垛安全；

（3）通訊管理模塊：模塊通過局域網絡設備完成與測溫終端的數據交互，實現數據無擾的實時傳輸。

3 系統實施效果

該系統已應用于某生物質電廠燃料堆場日常管理中。對3組測溫終端進行抽樣檢測，使用重復和對比的方法，同時對同一種測量物體進行連續測量，將測量結果進行對比、分析，以觀察測量結果的一致性和準確性。料垛測溫對比和熱水測溫對比結果如表1和表2所示。

表1 料垛測溫對比測試結果Tab.1 Fuel stack temperature contrast test results

表2 熱水測溫對比測試結果Tab.2 Hot water temperature contrast test results

與常規的測溫手段相比，本文設計的無線測溫系統具有以下幾點創新和優勢：

（1）采用先進的數字及無線傳輸技術，無線傳輸距離遠、抗干擾能力強、無線穿透能力強、實時準確、運行安全可靠；

（2）測溫點位置選取靈活多變、安裝方便，避免了經常的插拔，節省了大量的管理成本，大大減輕了工作人員的勞動強度；

（3）保證使用距離的情況下，采用超低功耗，傳感器電池供電時間2～3月，可充電，使用壽命長；

（4）無需布線，使用方便經濟，性價比高。沒有二次電纜，只有1根光纖，節省了投資，也簡化了施工與維護，數據采集層設備之間無任何連線，提高了一次設備的安全性和可靠性；

（5）采用分布式測溫終端，提高了系統的可靠性，任一部分設備有故障時，只影響局部，測溫終端傳感器采用DS18B20不銹鋼封裝，插桿長度3 m，防護等級為IP65。

4 結語

基于無線網絡的遠程測溫系統由于其傳輸速度快、可靠性高、覆蓋范圍廣、組建成本低，將會是未來遠程監控系統發展的趨勢。本系統的開發和應用為國內生物質電廠料場的測溫管理提供了可借鑒的樣板和技術，具有較好的實際意義和社會價值。

[1]高守瑋.ZigBee技術實踐教程[M].北京：航空航天大學出版社，2009.

[2]周武斌.Zigbee無線組網技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.

[3]周繼明.傳感技術與應用[M].長沙：中南大學出版社，2009

[4]David J.Kruglinski.Visual C++6.0技術內幕[M].北京：希望電子出版社，1999.