基于ZigBee和MLX90614的鋁電解槽溫度監測系統的設計*

吳意樂,何 慶,徐同偉

(貴州大學大數據與信息工程學院,貴陽 550025)

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基于ZigBee和MLX90614的鋁電解槽溫度監測系統的設計*

吳意樂,何 慶*,徐同偉

(貴州大學大數據與信息工程學院,貴陽 550025)

針對鋁電解槽側壁傳統溫度檢測誤差大、時間不連續、成本昂貴、信噪比低等問題,設計了一種基于ZigBee和MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器的鋁電解槽側壁溫度監測系統。系統硬件選用CC2530為主芯片,MLX90614為溫度測量傳感器;系統軟件基于TI公司的ZStack-2.5.1a協議棧進行設計,同時開發基于B/S模式(服務器/瀏覽器模式)的上位機軟件幫助工作人員實時查看和分析溫度數據。現場測試結果證明:該系統部署方便,網絡數據傳輸可靠,節點采集溫度的誤差在3 ℃以內,上位機軟件正常工作。該系統能夠實現鋁電解槽側壁溫度的實時監測。

鋁電解槽;ZigBee;MLX90614紅外溫度傳感器;ZStack-2.5.1a協議棧;B/S模式

隨著信息科學技術的發展,人們對信息傳輸質量的要求也在不斷提高,傳統的有線網絡設備已經很難滿足當前的需求,基于無線通信方式的通信技術,如ZigBee、Bluetooth、WiFi和UWB等通信技術應運而生,通過對上述通信技術對比可以發現ZigBee是一種低功耗、低速率、短距離和低成本的無線通信技術。目前,基于ZigBee技術的WSN的研發成為了國內外競爭發展的一個熱點,在工業控制、家庭小數據傳輸、環境監控等領域都得到了廣泛的應用[1]。

近年來,許多國內外學者對基于ZigBee技術的環境監測系統進行了研發和改進:文獻[2]設計了一種基于DS18B20溫度傳感器的無線溫度監測系統,解決了傳統有線溫度測量造價貴、信噪比低等問題;文獻[3]設計了一種監測機房環境溫度的ZigBee無線傳感器網絡系統,為機房溫度的監控提供了一種新思路;文獻[4]設計了基于ZigBee的無線醫療監護系統,其中傳感器采用HK-2000A壓電脈搏傳感器和DS18B20溫度傳感器;文獻[5]設計了基于ZigBee的可穿戴式病房無線監護系統,遠程管理病人信息并提供報警功能。由于這些論文中的無線溫度監測系統大多都只處于初始搭建階段,且所使用的溫度傳感器都是傳統熱敏電阻或DS18B20溫度傳感器,存在量程小、誤差大、靈敏度低等缺陷,不適合對惡劣環境進行實時監測。

鋁電解槽爐膛形狀的好壞直接反映到側壁的溫度上。目前大多數鋁廠都是通過人工進行鋁電解槽側壁溫度的檢測,這種方法雖然簡便,但存在誤差大、易出錯、時間不連續等問題;而有線溫度測量存在線路復雜、成本昂貴、信噪比低等弊端,如文獻[6]設計了一種基于Web的鋁電解槽溫度監測系統,該系統存在布線困難,成本昂貴的問題,且可測溫度范圍只有150 ℃～320 ℃,無法適應鋁電解槽槽殼溫度的實時采集。因此,本文將設計一種基于ZigBee協議棧的鋁電解槽溫度監測無線傳感器網絡,其中ZigBee芯片采用CC2530,溫度傳感器選用MLX90614紅外溫度傳感器,同時開發基于B/S模式的溫度數據顯示和分析界面,形成一套安裝方便,無需布置線路,適應能力強的鋁電解槽側壁溫度實時監測系統。最后通過現場測試驗證了本系統在無線網絡數據傳輸、數據顯示、數據精度等方面都能達到預期的效果,能夠實現鋁電解槽側壁溫度的實時監測;同時,該系統能夠適應各種惡劣工業環境的溫度監測要求,具有普遍的應用價值。

1 系統設計方案

1.1 ZigBee協議

ZigBee協議是建立在IEEE802.15.4標準的基礎之上,它的主要特點是低速率、低功耗以及能夠實現自組無線網絡[7]。工作頻率分別是2.4 GHz和868/915 MHz[8]。根據ZigBee協議,ZigBee網絡中有3種不同的設備:協調器(Coordinator)、路由器(Router)和終端節點(End-Device)[9]。

ZigBee協議棧就是將各層定義的協議集合起來,并通過函數的形式實現,供用戶在應用層內直接調用。在開發基于ZigBee協議棧的應用時需要做的主要是在應用層進行相應的程序編寫和改進。

1.2 本文系統整體結構

該系統的基本組成單元包括協調器、路由器、終端節點、中心服務器。其中,協調器的主要功能是建立ZigBee無線傳感器網絡,分配網絡內所有節點地址,管理節點并將終端節點采集到的溫度數據發送到中心服務器;終端節點的主要功能是加入ZigBee網絡,與協調器進行通信,同時采集溫度數據并發送給協調器[10];路由器的主要功能是擴大ZigBee網絡的覆蓋范圍,當終端節點無法與協調器進行直接通信,則需要路由器轉發溫度數據;中心服務器將接收到的溫度數據存入數據庫,并通過B/S模式將溫度數據在瀏覽器中在線實時顯示。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 芯片及溫度傳感器選型

相比CC2430,CC2530的緩存作了進一步增大,存儲容量最大支持256 kbyte,CC2430最大只支持128 kbyte;同時,CC2530的功耗相比CC2430有所降低;在ZigBee協議支持方面,CC2530支持全新的ZigBee 2007/PRO協議,該協議相比之前的協議具有更好的節點密度管理、數據負荷管理等優勢,并且CC2530的價格更加低廉。基于上述這些優越特性以及鋁電解廠惡劣的工作環境,本文使用CC2530作為ZigBee無線傳感器網絡設備的主芯片。

溫度傳感器方面,由于鋁電解槽側壁溫度一般大于200 ℃,傳統的DS18B20溫度傳感器的測溫范圍是-25 ℃～125 ℃,無法達到測得鋁電解槽側壁溫度,且它是一種接觸式溫度傳感器,靈敏度低,同時,由于側壁溫度過高,接觸后容易燒壞。MELEXIS公司生產的MLX90614溫度傳感器是一種非接觸式紅外溫度傳感器,該溫度傳感器內部集成了紅外感應熱電堆探測器芯片MLX81101和信號處理專用集成芯片MLX90302,它的測量范圍是-70 ℃～382.2 ℃,精度高,誤差小,靈敏度高[11]。綜合考慮后,本文選用MLX90614溫度傳感器。

2.2 終端節點硬件設計

由于鋁電解槽惡劣的工作環境,終端節點在實現對側壁溫度的實時采集功能外,還需要有安裝方便、通信距離遠、功耗低等優點。終端節點由CC2530處理器模塊、MLX90614溫度傳感器模塊、射頻天線模塊、時鐘電路模塊和電池電源模塊組成,其硬件結構如圖2所示。

圖2 終端節點硬件結構圖

CC2530處理器模塊的功能是執行ZigBee通信協議,完成數據的處理、接收和發送以及對MLX90614溫

度傳感器模塊的管理等;MLX90614溫度傳感器模塊的功能是采集鋁電解槽側壁溫度數據;射頻天線模塊由無線射頻電路和天線構成,用于完成無線傳感器網絡的通信任務。終端節點具體電路原理圖如圖3所示。

MLX90614溫度傳感器有4個引腳:GND地、Vdd外部電源電壓、SCL兩線通信協議的串行時鐘信號、SDA數字信號I/O。MLX90614通過SMBus串口通信方式與CC2530芯片相連接,其中SCL引腳和SDA引腳分別通過22 kΩ的上拉電阻與CC2530的兩個I/O口P0_6和P0_7相連,上拉電阻與3.3 V電源連接,保證I/O口確定的電平信號。

圖3 終端節點電路原理圖

圖5 CH340G串口通信模塊電路原理圖

2.3 協調器和路由器硬件設計

ZigBee無線傳感器網絡協調器需要與服務器進行串口通信,無需采集溫度數據,且協調器放置在服務器附近,使用USB供電即可,無需電池供電。因此,其硬件結構如圖4所示。結構圖中CH340G串口通信模塊電路圖如圖5所示。

圖4 協調器硬件結構圖

CC2530處理器通過P0_2口和P0_3口與USB進行通信,中心服務器可以接收來自協調器發來的數據或發送數據給協調器。

與協調器相比,路由器無需與服務器進行串口通信,它只做數據中繼功能,即將接收到的溫度數據轉發給父節點,延伸通信距離[12]。其硬件結構如圖6所示。

圖6 路由器硬件結構圖

圖7 協調器軟件流程圖

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee無線傳感器網絡軟件設計

ZigBee網絡的軟件部分采用C語言在IAR平臺上完成開發和調試,協議棧使用TI公司的ZStack-2.5.1a。協調器的任務是選擇合適的信道、合適的網絡號新建網絡,分配節點地址,接收節點采集的溫度數據并發送給服務器,它的軟件流程圖如圖7所示。

終端節點的任務是搜索ZigBee無線網絡并加入網絡,周期性的采集、處理和發送溫度數據,它的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 終端節點軟件流程圖

MLX90614溫度傳感器與CC2530之間通過SMBus串口協議進行數據傳輸[13]。MLX90614作為唯一的從設備識別地址為0x00,它有16個RAM存儲單元,地址范圍為0x00-0x0F。其中,0x06和0x07兩個地址分別存儲了環境溫度Ta和物體溫度To。CC2530(主設備)和MLX90614(從設備)之間發送和接收數據都是基于SMBus協議的標準格式以字節為單位進行(1個字節等于8 bit)。CC2530每次發送1個字節,如果MLX90614有應答,則CC2530繼續發下1個字節;如果MLX90614無應答,則CC2530重復發送原來的字節,直到接收到MLX90614的應答信號,重復達到一定次數后還未收到應答信號,則停止發送字節。

首先,CC2530通過SMBus串口協議向MLX90614發送0x00,如果MLX90614有應答信號,則表明成功訪問MLX90614,否則重復發送該字節,直到接收到應答信號為止,超過10次則停止發送;然后發送0x07讀取MLX90614該地址單元內的物體溫度數據To(發送0x06則讀取環境溫度數據Ta)。

由于讀取到的溫度數據To是16 bit二進制數據,首先將其轉換為十進制數據Tod:

Tod=256ToH+ToL

(1)

Tod是華氏溫度的50倍,因此,被測物體的攝氏溫度T的求解表達式為:

T=Tod/50-273.15

(2)

3.2 上位機軟件設計

本系統通過B/S模式設計上位機軟件,對多個終端溫度測量節點進行實時監控,其主要功能有:

①歷史數據存儲和查詢:通過PHP串口類dio讀取USB串口接收到的溫度數據并存入MySQL數據庫,工作人員可以輸入時間范圍和節點號進行實時查詢。②實時數據顯示:通過PHP讀取MySQL數據庫內不同節點的溫度數據、日期和時間,并在Web界面實時顯示。③溫度報警:可以設置溫度閾值,當某節點溫度超過閾值,顏色變紅,從而實現報警功能。

4 系統測試

4.1 網絡可靠性測試

通過自組建無線傳感器網絡,網絡中協調器、路由器和終端節點各一個,數據3 s發送一次,測試兩個節點之間隨著距離的變化的數據傳輸丟包率,表1為網絡中路由器和終端節點在不同通信距離的數據傳輸丟包情況。

從表1可以看出,當兩節點之間距離在40 m內,數據傳輸基本不會出現丟包,當距離達到60 m,數據基本全部丟失。在鋁廠中,兩個鋁電解槽的間距不超過5 m,鋁電解槽長度在10 m左右,因此,每個鋁電解槽邊安裝一個路由器,可以保證無線傳感器網絡數據的可靠傳輸。

表1 不同距離數據傳輸情況

4.2 現場測試

在遵義鋁電解廠現場進行系統初步測試,使用8個終端測溫節點對一個鋁電解槽不同位置的側壁進行溫度監控,溫度讀取時間間隔為60 s,鋁電解槽附近放置兩個路由器節點為鋁電解槽兩邊的傳感器節點做中繼功能,具體網絡配置圖如圖9所示。

由于現場溫度高,傳感器節點電路板難以持續在較高溫度下進行工作,因此,本系統終端傳感器節點由硅酸鈣保溫盒包裹,其實物圖如圖10所示。

系統上電,待無線傳感器網絡建立,所有節點加入網絡并開始工作后,鋁廠工作人員通過瀏覽器查看和分析鋁電解槽側壁溫度數據,基于B/S模式的溫度顯示界面(截圖)和歷史溫度分析界面分別如圖11和12所示。

圖11 B/S模式節點溫度顯示界面(截圖)

圖9 網絡配置圖

圖10 終端節點實物圖

圖12 B/S模式節點歷史溫度分析界面

其中,上位機軟件設置報警溫度為300 ℃(可變),可以看到,當某節點采集的溫度超過300 ℃,該節點方框內字體顏色變紅。

為了測試本系統終端節點溫度采集的精確度,現在對其精度進行測試,將紅外溫槍所測溫度和節點D的采集溫度做對比,對比結果如圖13所示。

圖13 節點和紅外溫槍測量溫度對比

通過上述測試可以看出,本文設計的系統所測溫度的誤差保持在3 ℃以內(鋁廠工作人員要求誤差在5 ℃以內),可以相對精確的完成對鋁電解槽側壁溫度的實時監測;相對于文獻[2]和文獻[6]中的系統,本文系統溫度傳感器能夠采集320 ℃以上的溫度(一般鋁電解槽側報警溫度閾值一般設置在320 ℃以上),且該系統部署方便,無需布置線路;上位機軟件方面,相比文獻[2-3]中的系統,該系統實現了以折線圖的形式呈現不同節點任意時間段內采集溫度的變化趨勢,有效幫助鋁廠工作人員進行鋁電解槽槽況分析。

5 結論

本文針對鋁廠傳統人工鋁電解槽側壁溫度檢測的誤差大、易出錯、時間不連續,有線溫度測量的線路復雜、成本昂貴、信噪比低等問題,設計了以CC2530和MLX90614溫度傳感器為核心的鋁電解槽側壁無線傳感器網絡監測系統。其中詳細介紹了網絡節點硬件和軟件的設計,其節點設計簡單、性能穩定、實用性強,同時開發了基于B/S模式的上位機軟件,能夠有效幫助工作人員進行實時查看和分析鋁電解槽側壁不同位置當前溫度數據和歷史溫度數據變化趨勢。

通過現場測試結果表明:相比其他文獻中的系統,本文設計的基于ZigBee和MLX90614的鋁電解槽側壁溫度監測系統安裝方便,無需布置線路,在適應能力、數據傳輸、數據顯示、數據精度等方面都達到了預期的效果,能夠實現對鋁電解槽側壁溫度的實時監測;同時該系統測溫范圍廣,性能穩定,能夠適應各種惡劣工業環境的溫度監測要求,具有普遍的應用價值。

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吳意樂(1991-),男,碩士研究生,貴州大學大數據與信息工程學院,主要研究方向為無線傳感器網絡、智能算法,250770274@qq.com;

何 慶(1982-),男,副教授,碩士生導師,貴州大學大數據與信息工程學院,主要研究方向為無線傳感器網絡,認知無線網絡,16353735@qq.com;

徐同偉(1991-),男,碩士研究生,貴州大學大數據與信息工程學院,主要研究方向為認知無線網絡,981667856@qq.com。

FDesign of Temperature Monitoring System for Aluminum Reduction Cells Based on ZigBee and MLX90614*

WUYile,HEQing*,XUTongwei

(College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Aiming at the problems through the traditional temperature measurement in side wall of aluminum reduction cells that error is large,time is not continuous,cost is expensive and SNR is low,a temperature monitoring system for the side wall of aluminum reduction cells based on ZigBee and MLX90614 non contact infrared temperature sensor is designed. CC2530 is selected as the master chip and MLX90614 is selected as the temperature measuring sensor of the hardware of the system. The software of the system is designed based on ZStack-2.5.1a protocol stack of TI company. At the same time, the upper computer software is developed based on B/S mode(server/browser mode)to help staff view and analyze temperature data in real time. The field test results show that the system is easy to deploy and the transmission of network data is reliable. The error of the temperature of node acquisition is less than 3 degrees Celsius and the upper computer software works properly. The system can realize the real-time monitoring of the temperature of the side wall of aluminum reduction cells.

aluminum reduction cells;ZigBee;MLX90614 infrared temperature sensor;ZStack-2.5.1a protocol stack;B/S mode

項目來源:貴州省科技廳項目基金(黔科合LH字[2014]7628);貴州省科技廳項目基金(黔科合J字[2012]2171);貴州省教育廳青年科技人才成長項目(黔教合KY字[2016]124);貴州大學研究生創新基金項目(研理工2017012)

2016-09-22 修改日期:2016-10-29

TP393;TN92

A

1004-1699(2017)03-0477-07

C:7210G;6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.024