基于ZigBee的超低功耗凍結井壁無線測溫系統

黎　冠　劉永濤　卜祥麗　翟延忠

(華北科技學院安全監測監控重點實驗室，北京　101601)

基于ZigBee的超低功耗凍結井壁無線測溫系統

黎冠劉永濤卜祥麗翟延忠

(華北科技學院安全監測監控重點實驗室，北京101601)

摘要：針對傳統煤礦立井施工測溫系統不易布線的問題，開發了基于ZigBee協議棧BitCloud的超低功耗凍結井壁無線測溫系統。系統以ATmega128RFR2作為協調器和路由器的控制核心，利用單總線測溫技術，構成了一個多路由的樹型網絡。給出了系統方案設計、測溫節點軟硬件設計和超低功耗設計。實際凍結工程項目測試結果表明，測溫系統穩定，溫度數據可靠，無線測溫網絡壽命大于井壁澆筑施工周期。與傳統測溫方法相比，該測溫系統的施工難度進一步簡化，無線組網方式更為靈活。

關鍵詞：ZigBee單總線Z-StackDS18B20礦井溫度傳感器測溫系統

0引言

在煤礦井筒凍結法鑿井施工過程中，混凝土凝固過程釋放大量的熱量，故井壁混凝土溫度監控對井壁施工質量起著關鍵作用[1-2]。傳統礦井凍結法施工過程中一般多采用溫度傳感器多點測溫。近年來，出現很多新的研究。文獻[3]利用傳感器的寄生電源供電，實現了單總線超遠距離多點測溫；文獻[4]采用nRF905射頻網絡對井壁壓力和溫度進行遠程監測，但是需要外接電源，不便施工布線。目前，較為先進的井壁測溫方式是光纖測溫法[5]。通過光纖拉曼(Raman)散射現象，實現光纖沿線溫度測量。光纖測溫不怕電磁干擾、抗腐蝕性強、傳輸距離遠，但設備成本過高，不能在凍結井壁施工中廣泛地推廣應用[6]。隨著近幾年ZigBee無線通信技術的快速發展，該技術在環境監測、工業測控等領域得到了廣泛應用[7]。

結合煤礦凍結工程施工實際需求，針對千米凍結井施工項目，采用單總線測溫傳感器，采集凍結壁內多點混凝土固化溫度；在凍結井筒內構建ZigBee無線通信網絡，將各溫度數據傳送至井口網絡協調器；協調器將數據上傳至監控PC，實現凍結井壁溫度監測。

1系統設計

1.1無線組網方案

ZigBee網絡有星型、樹型和網狀型3種網絡拓撲結構[8]。根據凍結井筒的現場應用情況，設計時需要考慮以下幾點特殊要求。①測溫傳感器一旦施工安裝后，就不能取出更換，電源采用電池供電。因此，只能在有限的能量供給下，盡可能延長無線網絡的壽命。設計時，必須考慮能量消耗和能量均衡等問題。②對傳感器采樣速率、響應時間要求不是很高。③MCU的資源有限，不宜進行比較復雜的路由計算。綜合以上分析，系統采用樹型組網方案。

1.2系統方案設計

井壁ZigBee無線測溫網絡的節點根據角色可分為：協調器、路由器和測溫節點。系統總體結構圖如圖1所示。路由器不僅具有溫度采集的功能，而且具有路由功能，即與附近測溫節點進行通信，收集并轉發溫度數據，最終將溫度數據傳達至協調器。協調器將接收到的數據傳輸到地面監控主機，監控主機將收到的各點溫度數據進行顯示，包括實時曲線、預測曲線以及歷史曲線顯示。同時，路由器還具有可將數據存入數據庫和設置報警等功能。

圖1　系統結構圖

2測溫節點硬件設計

2.1測溫節點設計

文獻[9]對當前主流ZigBee芯片的靈敏度、收發電流等參數進行了比較，根據結論，系統的協調器、路由器和終端節點均采用Atmel公司的ZigBee芯片ATmega128RFR2實現，硬件電路結構基本相同。測溫節點負責與數字溫度傳感器DS18B20通信，獲取溫度數據，再將數據傳輸至協調器。路由器自身在完成測溫功能的同時，還需要轉發測溫節點發送的數據。測溫節點的硬件結構圖如圖2所示。

圖2　測溫節點電路結構圖

測溫節點主要由主控芯片ATmega128RFR2、DS18B20溫度傳感器、振蕩芯片748421245、DS18B20驅動電路、實時時鐘芯片DS1302和供電單元組成。

2.2主控芯片

2.3溫度采集

本系統選用DS18B20單總線數字溫度傳感器，采用寄生電源供電。所謂寄生供電是指DS18B20通過兩線制(數據線和地線)與MCU進行連接，既用來給傳感器提供電能，又用來傳輸數據。在實際使用過程中，電源與數據線之間通過一個4.7 kΩ上拉電阻連接。DS18B20內置寄生電容，數據線高電平期時儲存電能，低電平期內消耗內部電容里的能量工作，如此往復循環。當總線上并聯傳感器較多時，需要設計驅動電路。對于單總線兩線制測溫，文獻[10]進行了深入探討，本文不再詳述。

2.4供電單元設計

由于無線測溫系統實施過程都是一次性施工，所以每個測溫節點和路由器都必須滿足超低功耗、長時間待機的要求，待機時間至少是一個井壁澆筑周期的1.5倍。本設計中，選擇ATmega128RFR2超低功耗芯片作為網絡終端節點的主控制器。ATmega128RFR2具有較寬的工作電壓范圍(1.8～3.6 VDC)和工作頻率(0～16 MHz)，系統的功耗比其他方案降低了很多。另外，DS18B20工作電壓為 3～5 VDC，采用兩線制寄生電源供電，可大大降低DS18B20的功耗。選用升壓芯片MAX1675，為系統提供+3.3 V電壓。文獻[9]對系統的軟件設計進行了深入的討論，這里借用其結果進行功耗計算分析。供電單元采用18650鋰電池，根據測算結果，理論上網絡壽命達到8個月。

3軟件設計

軟件部分主要包括測溫節點硬件控制程序設計、協調器控制程序設計和上位機監控軟件設計。測溫節點和協調器的軟件開發環境為IAR5.5，采用匯編語言和C語言混合編程。監控計算機應用軟件采用工業組態軟件FameView，實現上位計算機監測界面設計。通過Modbus RTU通信協議組態，利用串口無線RS-485/232通信接口，實現協調器與上位機的數據通信。

3.1控制程序

主要程序流程如圖3所示。程序采用模塊化編程的方法。協調器負責建立網絡，并通過路由器擴張其網絡，測溫節點就近選擇路由器入網。溫度采集采用兩線制單總線通信方式。DS18B20對總線操作時序要求非常嚴格，編程時，采用混合式編程，即采取C語言嵌入匯編語言的編程方式，其他子程序采用C語言編寫。

圖3　主程序流程圖

BitCloud[11-12]是Atmel 公司開發的一個全功能、專業級的嵌入式ZigBee協議棧，類似TI 的Z-Stack 。它提供了一個安全可靠、擴展性強的應用軟件開發平臺，可運行在Atmel的MCU及無線收發器上。區別于Z-Stack的開源形式，ZigBee標準描述的各層次的功能組件模塊，在BitCloud中核心棧內容以封裝庫的形式呈現。

3.2上位機監控

上位機監控軟件采用工業組態軟件FameView7.6.9進行開發，實現監控畫面設計、Modbus協議通信驅動組態以及數據歸檔處理。畫面顯示可以顯示當前各測溫節點的溫度數據和實時趨勢曲線。根據歷史數據，還可以繪制出未來指定時間的預測曲線。同時還實現了操作人員權限設置、歷史趨勢曲線、歷史數據查詢以及報表打印等功能。

4實驗結果與分析

4.1測試實驗

基于ZigBee的超低功耗凍結井壁無線測溫系統在某煤礦風井施工現場進行了系統測試。測試過程主要有測溫電纜敷設和測溫節點的安裝。無線測溫系統分布如圖4所示。

圖4　無線測溫系統分布圖

測試重點是各測溫節點能否將采集到的溫度數據傳送至路由器，路由器將數據傳送給協調器，協調器最終將數據傳送至上位機。上位機放置在地面監控機房，協調器安裝在凍結井口。第1個路由節點與測溫協調器的距離為200 m，第2個路由節點與第1個路由節點的距離為220 m，第3個路由節點與第2個路由節點的距離為180 m。每個測溫節點連接一根測溫電纜，電纜上并聯連接5～12個DS18B20溫度傳感器，共計40個DS18B20。

4.2低功耗設計與分析

由于是采用電池供電，系統采用超低功耗模式運行，即采用間歇式測溫。測試節點連接了8個DS18B20，設置測溫時間間隔為5 s，即每個節點每隔5 s采集一次溫度數據，同時搜索一次路由，其他時間進入低功耗休眠狀態。供電單元電池容量為2 200 mA。節點實際耗電情況如表1所示。測試開始后，每天測量電池的能量消耗情況，表1給出了每隔7天的電池電壓數據。數據表明，該測溫節點運行36天后，電池電壓有0.13 V的壓降。根據這個結果，可以推算出在100%滿電量情況下，該測溫節點可以正常運行170天左右。若時間間隔設置為12 s，則該測溫節點的運行時間能夠達到360天，滿足凍結井壁施工周期的要求。

表1　節點實際耗電情況

從開始澆筑混凝土，到敷設測溫電纜48 h后的溫度數據曲線圖，如圖5所示。

圖5　測溫節點48 h溫度曲線圖

圖5中，從4～8號測溫傳感器的溫度數據曲線可以看出，井壁混凝土水化熱釋放溫度曲線符合國家的標準曲線。通過ZigBee無線網絡，省去了通信電纜和電源電纜敷設，布線施工更加方便，為進一步研究凍結井溫度場分布規律、凍結井壁混凝土水化熱釋放規律以及井壁災害預防提供有效的數據支持。

5結束語

根據當前煤礦立井凍結井壁施工測溫系統的實際需要，設計了基于ZigBee的超低功耗凍結井壁無線測溫系統。重點對協調器、路由器和測溫節點軟硬件、超低功耗模式進行了設計與測試。相比過去的測溫方法，該測溫系統的施工更加簡單，無線組網方式更為靈活。在實際工程應用中，驗證了系統的可靠性、穩定性以及低功耗性能。無線測溫系統的運行壽命能夠滿足凍結井施工周期的需要，可有效地實現凍結井施工過程中井壁混凝土溫度數據的長期監測。本次測試只測試了幾個測溫節點、幾十個傳感器，還不能滿足整個井壁測溫的需求。如何擴大網絡容量，延長測溫節點運行壽命將是下一步的研究方向。

參考文獻

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ZigBee-based Wireless Temperature Measurement System with Ultra-low Power Consumption for Freezing Shaft Wall

Abstract：Aiming at the difficult wiring problem of temperature measurement system in construction of traditional coalmine vertical shaft,the wireless temperature measurement system with low power consumption based on ZigBee protocol stack BitCloud is developed for freezing shaft wall.With ATmega128RFR2 as the control core of coordinator and router,a tree type network with multiple routings is constituted by using the 1-wire bus temperature measurement technology.The designs of system scheme,hardware,software and low power consumption for temperature measurement node are given.The test results in actual freezing engineering project show that this temperature measurement system is stable,the temperature data are reliable,and the life cycle of wireless temperature measuring network is longer than the pouring construction period of shaft wall.Comparing with traditional temperature measurement methods,the difficulty of construction of this temperature measurement system is further simplified,and the wireless networking is more flexible.

Keywords:ZigBee1-wire busZ-StackDS18B20MineTemperature sensorTemperature measurement system

中圖分類號：TH7;TP277

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605012

中央高校基本科研業務費基金資助項目(編號：3142014073、3142014126)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黎冠(1981-)，男，2008年畢業于天津理工大學檢測技術與自動化裝置專業，獲碩士學位，講師；主要從事工業測控系統與智能化方向的研究。