摘 要：針對目前鋼鐵廠溫度采集系統(tǒng)對溫度進行準(zhǔn)確測量、多點采集和無線傳輸?shù)男枨螅岢隽嘶谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電弧爐無線測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以 QRF0600無線射頻收發(fā)模塊和單片機 Atmega128a、PIC16F648A 為核心，采用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進行準(zhǔn)確測溫，將采集的溫度發(fā)送至溫度監(jiān)測儀進行溫度實時顯示，監(jiān)測儀將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、顯示等功能。實踐結(jié)果表明該系統(tǒng)具有測溫節(jié)點功耗低、可靠性高、易于擴展、用戶界面操作簡單等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：電弧爐；物聯(lián)網(wǎng)；無線測溫系統(tǒng)

0 引言

        溫度檢測在建筑、電力、水利、冶金等工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，鋼鐵廠煉鋼電弧爐需要對溫度實時監(jiān)測，鋼液溫度是冶金過程中的重要參數(shù)之一。但是面對日益老化的電弧爐，傳統(tǒng)有線測溫經(jīng)常發(fā)生線被燒斷的情況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一門新興技術(shù)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決目前電弧爐有線測溫的不足。傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)測溫點少、布線麻煩、系統(tǒng)的兼容性差。本文根據(jù)具體項目要求將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在煉鋼廠電弧爐的分布式溫度采集系統(tǒng)中，設(shè)計了一種基于 ZigBee無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的無線測溫系統(tǒng)。ZigBee 技術(shù)是一種近距離雙向無線傳輸技術(shù)，其特點是功耗低、可靠性高以及復(fù)雜度低。本系統(tǒng)中通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)傳感器節(jié)點與中心節(jié)點的無線通信，通過 RS232 和 RS485 通信協(xié)議實現(xiàn)中心節(jié)點和上位機的通信。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        系統(tǒng)由測溫節(jié)點，測溫監(jiān)測儀即中心節(jié)點，上位機3個部分組成，測溫監(jiān)測儀通過 RS485 工業(yè)總線相連接，再經(jīng)過 RS485轉(zhuǎn)RS232模塊連接上位機。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

        系統(tǒng)測溫節(jié)點以QRF0600無線收發(fā)模塊、DS18B20傳感器以及PIC單片機為核心。測溫監(jiān)測儀以QRF0 600和AVR單片機為核心。系統(tǒng)工作過程為：測溫節(jié)點通過DS18B20溫度傳感器獲取相應(yīng)位置的溫度，無線收發(fā)模塊QRF0600將數(shù)據(jù)打包經(jīng)無線傳輸?shù)綔y溫監(jiān)測儀，監(jiān)測儀顯示溫度值并且通過RS485和RS232的轉(zhuǎn)換將接收到的數(shù)據(jù)傳給上位機以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、顯示等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1測溫節(jié)點

        測溫節(jié)點負(fù)責(zé)采集和發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。它由溫度傳感器 DS18B20、單片機 PIC16F648A、無線收發(fā)模塊 QRF0600 和電源模塊組成，如圖2所示。

        考慮測溫節(jié)點的數(shù)量多，鋼鐵廠環(huán)境還比較惡劣，測溫節(jié)點微控制器選擇Microchip生產(chǎn)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(shù)據(jù)輸入（MISO）、串行數(shù)據(jù)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(fā)芯片UZ2400，天線。UZ2400性能穩(wěn)定且功耗極低，它的選擇性和靈敏性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。電源模塊采用以色列TADIRAN塔迪蘭進口電池，該電池是工業(yè)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(wěn)定等。電池使用壽命需要根據(jù)測溫節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)時間而定。本文測溫節(jié)點工作模式功耗為休眠定時喚醒，經(jīng)過示波器測試，發(fā)射一次數(shù)據(jù)

為9 mA，休眠時為5μA，這樣大大降低了測溫節(jié)點的功耗。如果測溫節(jié)點設(shè)置3 min發(fā)射一次數(shù)據(jù)，該電池大概可以使用3y。從而避免的測溫節(jié)點經(jīng)常更換電池的麻煩。

2.2中心節(jié)點

        中心節(jié)點負(fù)責(zé)接收測溫節(jié)點傳來的信息并上傳給上位機，同時用液晶屏顯示方便現(xiàn)場察看。中心節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        綜合考慮價格、功耗、性能，中心節(jié)點 MCU 選 擇 AVR 單片機。Atmega128a 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1（Million Instruction/s）/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。由于中心節(jié)點需要長期工作，所以電源采用電網(wǎng)交流供電。普通計算機輸出串口為 RS232 串行總線標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率慢，傳輸距離短。中心節(jié)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(jié)點之間需要實現(xiàn) RS232與RS485間的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        無線測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計包括測溫節(jié)點、中心節(jié)點和上位機3部分。測溫節(jié)點上電后先對硬件進行初始化，然后搜索ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果存在則加入，加入后系統(tǒng)進入低功耗工作模式狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定采集定時時間到，測溫節(jié)點進行溫度采集和無線發(fā)送，程序流程如圖5所示。

        中心節(jié)點程序流程如圖 6 所示。系統(tǒng)擁有中心節(jié)點和多個測溫節(jié)點，各節(jié)點之間通過不同的物理地址信息進行區(qū)分，中心控制節(jié)點在進行查詢操作時，首先需要確定目的節(jié)點的物理地址。本系統(tǒng)設(shè)計中通過軟件已將各節(jié)點物理地址固定。Visual Studio是Windows平臺目前流行的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，上位機軟件是基于Visual Studio 2010使用C#語言開發(fā)的應(yīng)用程序。實現(xiàn)對各個測溫節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的處理和動態(tài)顯示；溫度曲線動態(tài)顯示和歷史曲線查詢；報警溫度設(shè)置和歷史報警查詢。

4 實驗

        在完成了軟硬件設(shè)計和調(diào)試之后，對整個電弧爐分布式溫度采集系統(tǒng)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(jié)點和 1個中心節(jié)點。中心節(jié)點通過4×4矩陣按鍵設(shè)置時間和測溫點數(shù)目，并且通過 485 轉(zhuǎn) 232 模塊連接至上位機。與上位機通信參數(shù)設(shè)置如圖7所示。其中被測名稱為測溫節(jié)點的名字，序號為測溫節(jié)點的地址，測試所用 3 個測溫節(jié)點分別為 A01、A04、A05。測溫節(jié)點每隔 1 min 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，測溫節(jié)點與中心節(jié)點的距離為 50 m并且中途隔 2層墻，某一時刻所測數(shù)據(jù)部分截圖如圖8所示，A01測溫曲線如圖9所示，本次實驗設(shè)置報警溫度為 30 ℃，若超過報警溫度，上位機溫度顯示值變?yōu)榧t色，同時中心節(jié)點發(fā)出報警聲音。

5 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型

        安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款專業(yè)的無線測溫軟件。

5.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖10），系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

5.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

5.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息

■溫度查詢

        溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

        查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.

■實時報警

        壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設(shè)備提供以下凡種告警方式：

        a.彈岀事件報驚窗口.

        b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

        C.短信吿警，可以向發(fā)送吿警信息短信（需選配）.

■歷史告警査詢

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權(quán)限管理

        Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

        通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設(shè)置

        用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

        展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

        實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

        接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

        能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。

        運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

        設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

        安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖11）。

5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

        無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

 

 

6 結(jié)束語

        實踐證明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠應(yīng)用在鋼鐵廠電弧爐分布式溫度采集系統(tǒng)中，由 PIC16F648A 單片機控制的測溫節(jié)點，Atmega128a單片機控制的中心節(jié)點，和基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸模塊 QRF0600的無線測溫系統(tǒng)具備測溫準(zhǔn)確、組網(wǎng)靈活、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定等特點。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電弧爐的無線測溫，可以實現(xiàn)對溫度測量要求較高且不宜進行有線數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)測的場合，應(yīng)用前景十分廣闊。

 

【參考文獻】

[1]陳麗華,劉曉文,戴吉,等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦用溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008（12）:87-89.

[2]錢承山,許強,胡二猛,俞露,劉驍.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電弧爐無線測溫系統(tǒng)設(shè)計.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.