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關鍵詞:CC2530；無線傳感器網絡；溫度傳感器；DS18B20
中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：A
引言
基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，構成無線傳感器網絡系統(tǒng)，其目的是協作地感知、采集網絡區(qū)域溫度信息發(fā)送給協調器節(jié)點，可與PC機通信，實現遠程監(jiān)測和收集監(jiān)測數據。該系統(tǒng)設備體積小，傳輸可靠性高，安全高，節(jié)點功耗低，監(jiān)測區(qū)域大等優(yōu)點，且無需鉆孔布線，使整個監(jiān)測系統(tǒng)更靈活有效。可用于危險工作環(huán)境，珍貴的古老建筑保護等現代工農業(yè)生產生活中。如果采用人工定時測量，不但要耗費大量的人力，而且，不能夠做到實時監(jiān)控，特別在某些高溫場所還有可能造成安全事故。為此，設計了一種基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）的溫度檢測系統(tǒng)[1]。
ZigBee技術填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，提供了豐富快捷的應用[3]。本設計正是采用ZigBee技術來架構溫度監(jiān)測系統(tǒng)。
1系統(tǒng)組成
如圖1所示，整個系統(tǒng)由測控主機、協調器以及若干無線溫度傳感器節(jié)點組成。其中測控主機主要由上位機、電源、無線收發(fā)模塊CC2530組成,通過MAX3232轉換電路，和PC機進行串口通信。 它能夠接收遠程各節(jié)點信息，監(jiān)控節(jié)點運行情況，并能根據上位機要求發(fā)送命令字到指定節(jié)點，用來控制各節(jié)點的功能。無線溫度傳感器節(jié)點主要由電源、溫度傳感器、無線收發(fā)模塊CC2530組成，能夠采樣并發(fā)送數據到測控主機,接收并執(zhí)行測控主機發(fā)送來的指令,并且可作為中轉站間接傳輸數據。限于篇幅，本文主要介紹無線溫度傳感器節(jié)點的硬件結構和軟件設計方法。
圖1系統(tǒng)結構圖
2硬件設計
該系統(tǒng)的協調器及傳感器節(jié)點電路如圖2所示。
核心芯片采用了TI公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的真正意義上的SoC ZigBee產品。CC2530片上系統(tǒng)功能模塊集成了CC2420RF收發(fā)器，具有極高的接受靈敏度和抗干擾性能，并支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議[3]。CC2591 [4]是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端，可將輸出功率提高＋22dBm，接收機靈敏度提高＋6dB。溫度傳感器采用美國Dallas公司推出的單線數字式溫度傳感器DS18B20，它將現場采集到的溫度數據直接轉換成數字量輸出到CC2530的IO口。
3 軟件設計
主程序包括單片機系統(tǒng)初始化、CC2530子系統(tǒng)配置初始化、ZigBee組網等。程序流程如下圖3所示。
圖3 程序流程圖
在PC機上，用VC++編寫上位機程序，把從傳感器接收到的數據描繪成曲線，并顯示當前值。圖4是一個置于空調前的溫度傳感器節(jié)點發(fā)回來的數據曲線圖，從該圖可以看出，節(jié)點溫度從32℃降到了19℃。
圖4 上位機界面
4 結語
本文針對當前溫濕度檢測中面臨的檢測點分散、布線困難和實時性差等特點，設計了基于ZigBee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以顯示各測試點的實時溫度，還可以通過RS232接口將數據上傳到PC機存儲，以便進一步分析處理。該系統(tǒng)采用了低功耗的集成化器件，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠度，在危險區(qū)域和大面積檢測中布置容易，能夠實現低成本連續(xù)在線檢測，較傳統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。
參考文獻
[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007：472.
[2]李文仲，段朝玉等.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社, 2008：23-30
[3]Chipcon Products from Texas Instruments CC2530 datasheet
關鍵詞：溫度；單片機；傳感器
引言
在國內，原來的糧庫對糧食檢測主要采取對各糧庫糧食進行取樣、記錄、分析、匯總數據等辦法，通過人工來進行，不僅工作量大、效率低下、而且可靠性和實時性差?，F在測量糧食的各種參數己逐步被電子檢測設備所取代。小的儲糧設備一般采用小型測溫、測濕度儀器檢測糧溫和濕度以及通風，目前我國大中型儲糧設備己開始配備微機測溫測濕和檢系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設計簡介
1.1 設計方案論證
該系統(tǒng)由模擬開關構成的開關電路板置于倉上，遠處倉上的溫度信號需要跨倉傳輸。各種糧倉上信號線傳遞溫度信號，控制線選擇溫度點及其電源線連在一起，構成一個龐大的樹狀網絡。在通常情況下，這種溫度方式可以正常工作，但是在儲糧倉多、各倉相距遠，特別是在電磁干擾較強的地方，該系統(tǒng)難以正常工作。為了克服由于儲糧倉系統(tǒng)龐大對于測量溫度精度和系統(tǒng)可靠性的影響，我們設計了單片機作為前沿機械進行溫度數據采集，用單片機與微機通信的方法送回溫度數據，構成特別適用于大型糧倉中應用的分布式微機測量溫度系統(tǒng)，并且能夠利用溫度傳感器送回的溫度數據進行糧位檢測。
1.2 系統(tǒng)框圖
圖1 糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖
2 系統(tǒng)的硬件設計
2.1 單片機
為了設計此系統(tǒng)，我們采用了89C51機作為控制芯片。它可以提供一個8位CPU ，4 KB的閃爍存儲器Flash ROM，256字節(jié)RAM ，4個8位并行I/0端口、2個16位定時器/計數器、1個可編程全雙工串行口、5個中斷源、片內振蕩電路和時鐘電路，64KB總線擴展控制器。89C51制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝。
2.2 溫度傳感器
對于糧倉所存儲的糧食來說，其所儲糧食的品質與溫度密切相關。因而對于糧倉的溫度檢測很早就開始應用了。最開始是采用玻璃溫度計，隨著電子測控技術的發(fā)展，使用對溫度敏感的元器件，如熱敏電阻來進行測量。由單線多點溫度傳感器（如DS1820）構成的單線多點溫度測量系統(tǒng)，雖然引線很少，但傳輸距離（不超過20米）。AD 590是一種電壓輸入、電流輸出型集成溫敏傳感器，測溫范圍為-55℃―+150℃，輸出電流與絕對溫度成正比，因而不必考慮多路模擬開關引入的附加電阻造成的誤差。該系統(tǒng)選用若干個集成溫度傳感器AD590接成矩陣形式，構成多點測溫系統(tǒng)。
2.3 多路模擬開關
常用的模擬開關有機電式和電子式兩類。機電式開關具有良好的通、斷性能，信號畸變小，但切換過渡時間較長。電子式開關切換時間很短，但通、斷性能不夠理想。切換模擬信號時，開關的非理想特性將引入誤差，并產生延時。CC4051是單八路模擬開關。它是由電平位移電路、帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對各個輸出分別加以控制的8個CMOS雙向模擬開關組成。
AD590矩陣的行、列分別與兩個CC4051相連，通過三位行、列選擇數字碼（由單片微機89C51產生）就可使矩陣被測點中的任何一個傳感器接入測控電路。
2.4 模擬小信號放大電路
被測物理量經傳感器轉換得到的電信號的幅度往往很小，無法進行A/D轉換，因此，需對這些模擬電信號進行放大處理。一般都采用集成運放。
該系統(tǒng)選用斬波穩(wěn)零集成運放ICL7650構成高增益、低漂移放大器，用于放大AD590的輸出信號。ICL7650內部有一個震蕩為200Hz的振蕩器，在這個震蕩器的控制下運放分節(jié)拍工作。每個振蕩周期分兩個節(jié)拍，第一個拍將輸入失調采集并存于一個點容器中，第二節(jié)拍采樣和放大信號，并將此刻的失調相抵消，所以運放總的失調和溫度極小，性能極為優(yōu)越和穩(wěn)定。
2.5 A/D轉換器
從放大器輸出的信號經過A/D轉換器，轉換成數字信號，才能進入89C51單片機測控系統(tǒng)。目前，國內外雙積分A/D轉換器集成電路芯片很多，大部分是用于數字測量儀器上。文章選擇常用的3.5位雙積分A/D轉換器MC14433，其精度高，抗干擾性能好。
2.6 鍵盤顯示接口
在單片機應用系統(tǒng)中，同時需要使用鍵盤與顯示器接口時，為了節(jié)省I/0口線，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，構成實用的鍵盤、顯示電路。文章采用8155并行擴展口構成鍵盤、顯示電路。
為了較少鍵盤與單片機接口時所占用的I/0線的數目，在鍵數較多時，通常都將鍵盤排列成行列矩陣形式。4個LED顯示器采用共陰極方式，段選碼由8155口提供，位控信號由PA口提供。鍵盤的列掃描輸出也由PA口提供，查詢行輸入由PCO～PC1提供。LED采用動態(tài)顯示軟件譯碼，鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式。
3 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)的各部分程序主要包括程序、A/D轉換程序、鍵盤掃描程序、打印程序、顯示程序等。（見圖2）
4 結束語
由于系統(tǒng)采用了全數字化的溫度、濕度傳感器，直接輸出的是表示溫度和濕度的數字信號，不存在由模擬量到數字量轉換的中間環(huán)節(jié)，所以該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、測量精度高、一致性好、無需任何調整、信號線長短不會影響其性能等優(yōu)點。實現糧食倉儲過程中的溫度控制。
參考文獻
[1]李朝青.單片機原理及接口技術網[M].北京：北京航天航空人學出版社，2005：38-47.
[2]何立民.MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計（第1版）[M].北京：，北京航空航天技術出版社，2002.
【關鍵詞】電站；溫度；在線監(jiān)測系統(tǒng)
1 系統(tǒng)概述
電站分A、B廠，總裝機容量240萬千瓦，安裝8臺機組。采用西門子S7 400的PLC從溫度傳感器直接進行數據采集，并將采集到的數據通過MODBUS發(fā)送到計算機監(jiān)控系統(tǒng)，考慮需要將數據接入到辦公網絡，已在西門子S7 PLC中安裝網卡模塊。
針對電站溫度采集系統(tǒng)現狀，構建溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的最終目的是實現機組溫度數據的采集，搭建數據實時顯示和分析，提供對機組運行狀態(tài)的實時顯示和溫度變化的分析，方便員工的遠程辦公以及進一步提升“無人值守”的電站管理原則，實現遠程辦公需要。
2 構建方案
硬件部分，在AB廠房機房各新增1臺工控機，通過局域網連與西門子S7 PLC連接，工控機另一端連接辦公網絡。服務器新增應用服務器，保證與新增工控機數據通訊正常，接收并保存工控機采集到的數據。
軟件部分，工控機端安裝專業(yè)工控軟件WINCC，通過WINCC配置測點，編寫的數據采集程序，采集WINCC中的測點數據并通過UDP協議發(fā)送至辦公網絡應用服務器。應用服務器端部署UDP數據接收程序、應用服務及開發(fā)新的應用程序，實時展現最新測點數據及其他統(tǒng)計分析功能。
系統(tǒng)數據源來自運行核心區(qū)，數據通訊采用單向UDP模式。工控機安裝有WINCC工控軟件，負責對S7 PLC進行硬件組態(tài)及對測點進行部署，工控機編寫有數據采集程序，連接WINCC軟件獲取測點數據并通過UDP協議往辦公網絡發(fā)送數據。
應用服務器安裝有UDP數據接收程序，接收并存儲工控機發(fā)送過來的測點數據供應用功能實時展現及其他統(tǒng)計分析使用。根據電力二次安防的防護要求，在工控機和應用服務器之間安裝增加隔離網閘，對生產區(qū)和信息區(qū)進行隔離。
數據通訊結構圖如下所示：
使用UDP協議進行數據傳輸，但是UDP本身是種不穩(wěn)定的協議，為了保證數據能夠正確傳輸到服務器，避免數據丟失，設計UDP數據交互流程規(guī)則。
在發(fā)送收到數據至應用服務器之前會先與應用服務器進行第一次握手，即發(fā)送數據準備信號，當在一定時間內未收到應用服務器的確認信號，工控機重發(fā)數據準備信號，正確收到應用服務器確認信號，將收到溫度數據發(fā)送至應用服務器，服務器收到數據后，會將收到數據的大小返回至工控機，工控機收到會與發(fā)送數據大小做比較，如果數據大小一致，發(fā)送數據一致命令至服務器，然后等待下次數據傳輸，如果數據大小不一致，會通知服務器進行數據重新傳輸。
3 業(yè)務功能
根據實際生產的需求，系統(tǒng)的功能設計如下：
WINCC數據采集，工控機端部署數據采集程序，連接WINCC軟件采集其部署的測點數據，全部為設備的溫度量，包括：發(fā)電機冷風溫度、鐵芯溫度、線圈溫度、下導油溫、水泵油溫、發(fā)電油溫、推力熱油、推力冷油、推力瓦溫、水導瓦溫、水導油溫、主軸密封溫度、迷宮環(huán)上溫度、迷宮環(huán)下溫度、上導油溫、上導瓦溫等。
工控機數據發(fā)送與服務器數據存儲，應用服務器部署數據接收程序并進行存儲。通過UDP協議接收工控機端發(fā)送過來的最新數據，并對數據精度存儲進行定義，保存存儲的最新數據及時有效。
實時數據圖形顯示，基于圖型的方式實時顯示對應采集點的溫度數據，方便電站專業(yè)人員對上導、下導、水導等設備運行狀態(tài)的查看。
實時數據曲線顯示，提供以曲線的方式實時查看溫度的變化情況。
歷史數據查詢功能，統(tǒng)計分析功能實現以下幾個方面的功能特點：
各種數據統(tǒng)計報表功能
多種統(tǒng)計數據視圖曲線
快捷查詢某個測點歷史數據
溫度量可以任意查詢變量及時間
可選擇和配置各數據存儲時間和歷史存儲時間段，數據存儲默認為時間為5秒，但可以由用戶進行歸檔時間設定。
對于歷史數據可以分多種模式進行統(tǒng)計，如曲線圖形分析，數據報表分析等等。
4 結束語
通過構建溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，對機組溫度數據進行采集，搭建數據實時顯示和分析，提供對機組運行狀態(tài)的實時顯示和溫度變化的分析，實現了遠程辦公的需要，對電站實行高效科學的管理具有積極意義。
關鍵詞：高壓開關柜；在線監(jiān)測；溫度；狀態(tài)維修
1引言
高壓開關柜設備是非常重要的輸配電設備，主要用于電力系統(tǒng)的控制和保護，保證電網中無故障部分的正常運行及設備、運行維修人員的安全。大多數高壓開關設備采用封閉結構，散熱條件差，而且長時間工作于高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中，很容易引起熱量的積累而導致其內部溫度升高。開關柜溫度過高可能會引起大范圍停電嚴重者還會誘發(fā)火災，這些都將給社會造成巨大的經濟損失。因此設計出一套可靠有效的開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行具有十分重要的意義。
目前高壓開關柜溫度在線監(jiān)測方法主要有CCD攝像頭監(jiān)測示溫蠟片測溫法、紅外測溫法、光纖測溫法和無線網絡法，這些方法沒有考慮開關柜實際運行環(huán)境和負荷等信息，都只孤立地對溫度進行測量，屬于預防性維修和試驗的范疇。本系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)開關柜監(jiān)測方法的缺點和不足，并且為達到狀態(tài)維修的目的，提出兩組新的監(jiān)測量，系統(tǒng)結構簡單、性能可靠，能夠很大程度上提高高壓開關柜運行水平，降低事故發(fā)生率。
2系統(tǒng)設計方案
高壓開關內部結構分為母線室、開關室、電纜室，本設計系統(tǒng)的數據采集模塊分別采集和實時監(jiān)測三室的溫度、外界環(huán)境溫度以及通過開關柜的電流，并在這五組參數的基礎上根據溫度和電流的關系以及一定時間內溫度變化對三室的影響提出了兩組新的監(jiān)測量進行實時監(jiān)測。
2.1系統(tǒng)結構
本設計系統(tǒng)主要包括數據采集模塊，通訊模塊，上位機監(jiān)控中心3大部分，如圖1所示。數據采集模塊由溫度和電流采集模塊組成，四路溫度傳感器選用薄膜鉑電阻，分別傳輸母線室溫度、開關室溫度、電纜室溫度和環(huán)境溫度；電流傳感器選用閉環(huán)霍爾電流傳感器，傳輸開關柜的三相交流電。整個系統(tǒng)的數據采集模塊和上位機監(jiān)控中心通過RS-485總線通信，上位機監(jiān)控中心提供友好的交互界面，供用戶進行監(jiān)控和操作。
2.2監(jiān)測量
對開關柜各室溫度進行單獨越限報警雖然簡單，但通常情況下某室出現溫度異常時，開關柜已接近或處于故障狀態(tài)。為盡早發(fā)現各種隨機因素引起的故障，降低維修成本，我們提出兩組新的監(jiān)測量：
（1）監(jiān)測系統(tǒng)上電開始采集后每1h內每隔6min分別對各室測一次溫度t，同時記錄此刻通過開關柜的電流I和外部環(huán)境溫度t環(huán)溫。根據溫度變化和電流平方成正相關原理，提出參數P：
P=（P8+P9+P10）/3
其中，各室P取每小時后三個記錄點Pn的平均值。Pn=（t-t環(huán)溫）/I2，n=1，2，…，10。
若P>（1+5%）P0，則觸發(fā)報警（P0表示監(jiān)測系統(tǒng)開始采集后第一個小時內P的計算值）。
（2）監(jiān)測系統(tǒng)上電開始采集后每隔1h分別對母線室、開關室、電纜室各測一次溫度記為：t0、t1、t2，同時記錄此刻開關柜外部環(huán)境溫度t環(huán)溫。經研究發(fā)現開關柜內部相鄰兩室之間溫度變化的比值對開關柜的運行也會造成一定影響，因此提出K參數：
K1=-（t0-t環(huán)溫）/（t1-t環(huán)溫）
K2-（t1-t環(huán)溫）/（t2-t環(huán)溫）
K3-（t2-t環(huán)溫）/（t0-t環(huán)溫）
Kn分別代表母線室、開關室、電纜室的K值，n=1，2，3。
若Kn>（1+9%）K0，則觸發(fā)報警（K0表示監(jiān)測系統(tǒng)開始采集后第一個小時內K的計算值）。
3系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件主要負責溫度和電流的采集，并把數據通過RS485總線傳輸給上位機，進行后續(xù)處理。其主要分為溫度采集模塊和電流采集模塊。
3.1溫度采集模塊
溫度采集模塊選用集智達公司6通道熱電阻輸入模塊RemoDAQ-8036，特性參數如表1所示。
3.2電流采集模塊
電流采集模塊為自行設計，處理器采用的是意法半導體推出的STM32F103ZET6微控制器。該微控制器采用高性能的ARM Cortex-M3內核，它的最高工作頻率為72MHz，內置高速存儲器。整個電流采集模塊由AD轉換電路、信號調理電路、通信狀態(tài)指示燈、電源電路、RS485電路、前端濾波電路等組成。模塊硬件結構如圖2所示。
3.2.1AD7606芯片與STM32的接口設計
模數轉換芯片采用8通道16位同步采樣的AD7606，其所有通道均能以高達200kSPS的速率進行采樣，具有可編程的數字濾波器且數據傳輸接口可選擇為并行模式和串行模式，采用5V單電源供電不再需要正負雙電源并支持真正的雙極性信號輸入，而且輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16.5V的電壓。
本設計使用前三個通道進行同步采集，其與微控制器數據傳輸采用并行工作模式，數據輸出端與STM32的D組GPIO連接，這樣STM32通過對D組GPIO口整體操作很容易讀取一個通道的數據。把AD7606的RANGE端接地，使其采集電壓范圍為±5V。由下位機程序來控制過采樣。AD7606與STM32的連接如圖3所示。
3.2.2STM32與RS485接口的設計
STM32收發(fā)TTL電平信號而RS485總線收發(fā)差分信號，因此需要設計一個接口使兩者無障礙傳輸數據。本模塊中把RS-485通信模式設置成半雙工工作模式，把STM32F103的串口1接口轉化成RS-485接口，用STM32的GPIOA7口來作為控制數據傳輸方向，我們選用的電平轉換芯片是SN75LBC184，在差分輸出間接一個100歐的電阻。電路連接如圖4所示。
4系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件基于Delphi 2007完成，通過發(fā)送相關指令，采用輪詢的方式對總線上不同地址的采集模塊進行操作。監(jiān)控軟件運用模塊化設計思路，如圖5所示。系統(tǒng)設置模塊主要用于設置各硬件模塊地址、額定電流、各監(jiān)測量報警閾值等信息；串口通信模塊負責命令的發(fā)送和數據的接收及解析；數據分析模塊基于五個直接監(jiān)測量算出p、k值，達到越限報警的在線監(jiān)測目的；數據存儲模塊完成數據存儲、回放、制表打印等功能。經過多次試驗測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，如圖6所示，截取了部分現場試驗數據。
關鍵詞：潛油電泵井下溫度壓力監(jiān)測；星點等勢法；電流傳輸信號'
1 概述
潛油電泵井下壓力和溫度參數的監(jiān)測對提升采油技術水平，實現對機組進行故障預測與健康管理，保證潛油電泵持續(xù)高效穩(wěn)定的工作，具有著重要的實際價值。
2 總體方案
綜合潛油電泵的特點，系統(tǒng)利用星點等勢法為井下供電。在井上制作一個三相電抗器作為工星點，并且保證該電抗器的三個繞組各相的參數相同，在電抗器的對稱性足夠好的情況下，星點相當于零點，電機繞組的中性點與地面電抗器的中性點等電勢，三相電抗器可以消除三相高電壓不平衡對系統(tǒng)造成的損害，同時在地面星點處疊加直流電壓，可以對井下進行直流供電。信號傳輸通道原理如圖1所示。在潛油電泵井下工作環(huán)境下，電壓容易受到干擾，而且在遠距離傳輸時電纜的阻抗會對傳輸信號有所影響，而電流信號相對穩(wěn)定，因此潛油電泵井下溫度壓力參數監(jiān)測系統(tǒng)采用兩線制4～20mA電流信號進行數據傳輸。本系統(tǒng)利用鎧皮作為地線進行信號傳輸通道，具有較強的抗干擾能力，無需單獨鋪設電纜，降低成本。
潛油電泵井下溫度壓力參數監(jiān)測系統(tǒng)內部硬件按功能主要可分為供電電路、通道切換電路、濾波電路和數據采集電路等。如圖2所示為系統(tǒng)原理圖。地面對井下電路進行分時供電，對數據進行采集；濾波單元減小交流電壓對監(jiān)測系統(tǒng)的危害；井下通道切換電路根據地面供電電壓不同來切換測量通路；溫度和壓力變送器輸出的電流信號分時通過電纜鎧皮傳輸至地面，并通過三相動力電纜和鎧皮連成一個回路。
3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 溫度壓力變送器選型
變送器的性能對潛油電泵井下參數監(jiān)測系統(tǒng)的信號檢測精度和穩(wěn)定性有著極大的影響，對變送器的選型應滿足工作溫度下穩(wěn)定工作，且滿足系統(tǒng)設計的性能指標。本文選用西安新敏電子科技有限公司生產的CYB15壓力變送器和SBYW溫度變送器，這兩款變送器均為直流電壓供電，二線制4～20mA電流信號輸出，適合石油化工領域的工業(yè)檢測和控制使用。
3.2 通道切換電路
由于系統(tǒng)需要采集溫度和壓力兩個信號量，因此需要在井下設計一個通道切換電路。本系統(tǒng)采用的通道切換電路是由多通道模擬選擇開關和電壓檢測電路兩部分所組成。以電流信號作為傳輸媒介，對溫度和壓力進行分時數據采集。如D3所示為通道切換電路。ADG5404是一款互補金屬氧化物半導體（CMOS）模擬選擇開關，內置4個單通道。并且它具有轉換時間快、小于10歐姆導通阻抗、工作輸入電壓范圍寬等特點。導通電阻曲線在整個模擬輸入范圍都非常平坦，可確保開關信號時擁有出色的線性度和低失真性能，完全符合本系統(tǒng)研制要求。
采用LM293芯片是因為其產生的時序時間可控，本系統(tǒng)設置切換時間為20s。在上位機程序上采用的是切斷井下供電延時1s再重新啟動來達到消除時間累積的目的。ADG5405芯片通過加載在A0與A1端的時序信號來選通具體的導通端口。本系統(tǒng)應用的是兩個參數，只需要兩路導通即可，所以應用LM293作為ADG5404的時序觸發(fā)信號，在LM293的第3引腳輸出信號并連接到ADG5405的A0與A1管腳，如此便產生了00與11的時序信號，以此來導通S1與S4兩個端口，從而實現通道的選擇，使得溫度和壓力可以分時段切換傳輸。
3.3 濾波電路設計
潛油電泵井下監(jiān)測系統(tǒng)需要濾波器來消除變頻供電在電機星點中產生的高電壓和三相短路接地時在星點產生的極高脈沖電壓，保證裝置的長時間高效穩(wěn)定的工作。濾波電路如圖4所示。本文采用串聯電抗及并聯電容的方法來抑制高電壓和高脈沖電壓，從而有效地保護井下溫度壓力變送器。
3.4 溫度壓力采集電路設計
溫度壓力采集電路主要通過AD7705芯片和LPC2378單片機來完成。AD7705采用了Σ-Δ技術，可以獲得16位無誤碼數據輸出。具有兩個全差分輸入通道，可編程單極性或雙極性輸入，前端可編程增益等功能。AD7705具有高分辨率、抗噪聲、自校準、低功耗等特點，十分適合儀表測量和工業(yè)控制等領域的應用。圖5所示為本系統(tǒng)數據采集電路。
LPC2378是通過模擬的SPI通信方式以普通I/O接口與AD7705進行連接。D1是穩(wěn)壓管，D2是肖特基二極管，其作用是為了防止電流過大將AD芯片燒壞。選擇R1、R2是為了增加采樣精度。AIN（+）為信號輸入端，AIN（-）通過+5V電壓、固定電阻R4、R5和可調電阻R3形成一個偽差分通道。通過調節(jié)R3可防止數據在輸入端和輸出端邊界時導致轉換的數據失真，使AD轉換的精度到達最高從而使其適應每套系統(tǒng)下不同的電流。
4 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程實現，程序采用模塊化研制，具有可讀性強、移植性高的特點。潛油電泵井下溫度壓力參數監(jiān)測系統(tǒng)使用NXP公司的LPC2378，該芯片具有抗干擾性強、支持在線編程、低功耗、價格低等特點。其軟件部分主要分為兩部分，其中一部分控制井下電源信號的變化，用于數字濾波、參數采樣和數據發(fā)送。另一部分主要完成信號采樣、故障處理等功能。如圖6所示就是主程序的軟件流程圖。系統(tǒng)上電后，先進行初始化系統(tǒng)配置，然后開始讀取當時的時間參數，此時單片機控制繼電器接通60V直流電，開始測量溫度參數，測量20s后，將采集到的時間和溫度參數進行發(fā)送。然后將繼電器切換到90V直流電通道，開始測量壓力參數。再將壓力參數進行發(fā)送。
5 實驗結果
本文設計的潛油電泵井下溫度壓力參數監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室中進行了模擬工作試驗。試驗采集了大量有效數據，數據分析表明該系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，可以證明本文中所研究的系統(tǒng)可以在正常的工作環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且能夠保持溫度壓力測量的準確性。經過多次測試，該系統(tǒng)表現穩(wěn)定可靠。所測得的數據如表1所示。
6 結束語
本文對潛油電泵井下溫度壓力參數監(jiān)測的硬件主要模塊和軟件主程序做了詳細講述。結合潛油電泵的特點，提出采用兩線制電流信號傳輸井下數據，通過地面系統(tǒng)對井下監(jiān)測系統(tǒng)進行供電，通道切換電路對溫度和壓力進行分時采集。電路調試已經完成，實驗所得數據滿足需求，并且具有較高的穩(wěn)定性和精確度，具備現場的試驗條件。
參考文獻
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作者簡介：白山（1959-），男，教授級高工，碩士生導師，研究方向為特種電機及其控制。
【關鍵詞】ZigBee;星形網;溫度采集;遠程監(jiān)控
1.引言
溫度監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應用于對溫度敏感的工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學等現場，如通信基站機房、礦井、糧倉、智能家居等環(huán)境中。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)需在所監(jiān)測區(qū)域布置大量的信號傳輸線，體積寵大，成本相對較高，且不能實現遠程監(jiān)測。如何解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用的有線網絡所帶來鋪設、維護等諸多不便已成為目前研究的熱點。本文提出一種基于ZigBee技術的遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能有效解決上述的問題。ZigBee技術是一種低功耗、低成本、低速率、低復雜度的雙向的無線通信技術，它是無線傳感網絡的主流技術[1-5]。以ZigBee技術組成無線溫度傳感器網絡，由部署在監(jiān)測范圍內的微型溫度傳感器節(jié)點通過無線電通信構成的一個多跳的自組織網絡[6]，能夠實時地感知、收集和處理網絡覆蓋范圍內的溫度信息，并通過匯聚節(jié)點處理并在服務器Web網頁上，用戶可以登陸網頁進行實時監(jiān)控。
2.系統(tǒng)總體結構
2.1 系統(tǒng)的結構
本系統(tǒng)采用ZigBee技術自組網的特性，測溫節(jié)點與協調節(jié)點節(jié)點自動組成一個星型網進行通信[5]，移動終端（手機、平板電腦以及個人電腦）通過連接指定網絡后通過Web瀏覽器訪問溫度數據的網頁面顯示界面。如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2.2 系統(tǒng)的功能
本系統(tǒng)分為三大模塊：1）溫度感知模塊;2）控制處理以及射頻收發(fā)模塊;3）數據接收顯示模塊。主要有兩大功能：1）環(huán)境溫度數據無線采集功能：測溫節(jié)點自動采集所探測環(huán)境的溫度數據，通過無線傳輸的方式把采集到的溫度數據都發(fā)送給協調器節(jié)點。2）環(huán)境溫度數據遠程實時監(jiān)測功能：系統(tǒng)采用的是B/S（Browser/Server）結構，只需一個可以訪問網頁的終端即可遠程監(jiān)測環(huán)境溫度數據。另外可以在網頁顯示界面上按需設置監(jiān)測環(huán)境溫度的上限值和下限值，環(huán)境溫度一旦超過所設置的上限值或者低于設置的下限值就會有相對應警報提醒。
3.硬件設計
本系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的2.4GHz ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530的無線單片機方案。TI公司免費提供了ZigBee聯盟認證的全面兼容IEEE802.15.4與ZigBee2007協議規(guī)范的協議棧代碼和開發(fā)文檔，并為提供了豐富的開發(fā)調試工具[2-4]。
CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存[2]，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530具有21個可用I/O、4個定時器、ADC 、隨機數發(fā)生器、AES加密/解密內核、DAC、DMA、Flash控制器、RF射頻收發(fā)器等眾多外設[4]。
圖2 CC2530電路
節(jié)點硬件設計：
測溫的節(jié)點由CC2530與DS18B20數字溫度傳感器組成，采用電池進行供電[7]。CC2530通過單總線通信協議控制DS18B20數字溫度傳感器并獲取實時的環(huán)境溫度值，再發(fā)送到協議器節(jié)點。DS18B20數字溫度傳感器與CC2530接口示意圖如圖3所示。
圖3 硬件框架圖
協調器節(jié)點直接由上位機通過USB數據線供電。協調器節(jié)點接收所有測溫節(jié)點發(fā)送過來的數據，經過片內程序進行數據處理后，通過CC2530 ZigBee開發(fā)底板USB口把數據上傳到上位機。
4.軟件設計
系統(tǒng)實現ZigBee星形拓撲結構的網絡通信，涉及到協調器與終端節(jié)點的編程[7]。協議器負責建立網絡并進行維護，接收各不同的終端節(jié)點發(fā)送過來的溫度信息融合后再進行控制。終端節(jié)點必須加入協調器組建的網絡中，并開始定期采集溫度并發(fā)送到協調器上。協調器把融合后的溫度經過串口在Web服務器上，供指定用戶登陸站點進行訪問。
協調器上電后，根據編譯時指定的參數，選擇適合當前通信環(huán)境的網絡號以及信道來建立星形網[6]。協調器的程序圖如圖4所示。
終端節(jié)點上電并初始化硬件以及協議棧后，會搜索是否存在著對應編號的ZigBee網絡[3]，如果存在則加入對應的無線網絡，然后啟動定期采集溫度數據，并發(fā)送至協調器。
圖4 協調器與終端節(jié)點軟件流程圖
Web服務器顯示界面是基于MyEclipse Enterprise Workbench 9.0平臺的，用Jsp技術實現的基于Web的串口通信方法。頁面利用Jsp技術實現了數據的顯示功能，然后利用JavaBean和Servlet在后臺獲取串口的數據，并通過Json對象將數據傳送到前端頁面。最后利用Ajax技術實現了頁面的定時自動刷新更新數據，以及利用JavaScript技術實現了頁面按鈕和功能事件的觸發(fā)。
5.顯示界面
網頁顯示界面分為數據顯示區(qū)域和參數設置區(qū)域兩大部分。顯示區(qū)域內分別顯示傳感器編號、獲取時間以及溫度值共三項數據內容。參數設置區(qū)域里需要設置的主要參數有四個，分別是串口號、波特率、高溫警告和低溫警告，其他均保持默認即可。顯示界面可以獲取各個節(jié)點發(fā)送回來的溫度數據，且用戶通過高溫警告與低溫警告來進行溫度保護。
圖5 工作界面
6.結論
本文通過實現基于ZigBee的遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現對溫度敏感的環(huán)境實施遠程監(jiān)控?？梢酝ㄟ^布置多個終端節(jié)點來監(jiān)控多個區(qū)域的溫度，可以應用的范圍的很廣，該系統(tǒng)具有低功耗，低成本，結構簡單，無人值守，檢測準確度高，抗干擾能力等優(yōu)點，能夠長時間穩(wěn)定地工作，具有很高的應用價值。
參考文獻
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本文屬廣州市教改項目（No.2013A022）資助;華軟校級項目（No.ky201206）資助。
作者簡介：
關鍵詞：數據融合； DSl8B20；風機；監(jiān)測；算術平均值
隨著煤炭產業(yè)的發(fā)展及其開采的深度延伸，礦井里瓦斯涌出量不斷上升，加之環(huán)境溫度變化反差大，增加了井下隔爆風機溫度監(jiān)測的難度，而由風機溫度升高引發(fā)的爆炸事故頻繁，因而對煤礦井下通風隔爆電機的監(jiān)測系統(tǒng)的研究變得尤為緊迫和重要。為此，我們在對煤礦井下隔爆風機及其工作環(huán)境進行了深入地調研和仔細地分析后發(fā)現：目前井下隔爆通風電機溫度監(jiān)測的難點主要集中在觀測點難以確定、測量方法單一，測量過程出現不確定性以及準確性低等。針對這些問題，我們選擇了電機溫度變化顯著的部位及其工作環(huán)境溫度變化明顯的不同空間位置為觀測點，對電機進行內外環(huán)境溫度同時獨立采集，然后采用數據融合算法，在時間域上求得一組融合值，再進行優(yōu)化處理，尋找出其溫度與時間的動態(tài)規(guī)律性，并對其進行溫度監(jiān)控，便可提高溫度監(jiān)測的準確性和穩(wěn)定性。第一作者的姓名、性別、出生年、民族、職稱、學位、研究方向、聯系電話請在稿件首頁頁腳注明。 1.數據融合簡介
數據融合技術即采用計算機技術對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評計任務而進行的信息處理過程。按其融合方法分為基于統(tǒng)計理論融合、基于信息論融合和基于認識模型融合等。
數據融合在現代傳測控技術中應用，主要利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補的信息依據某種準則進行組合，以獲得被測對象一致性解釋或描述?？梢姡瑪祿诤系挠布A是多傳感器系統(tǒng)，加工對象是源信息，核心是協調優(yōu)化與綜合處理。其基本目標就是通過數據的組合推導出更多的信息，最佳的協同作用結果，提高傳感器系統(tǒng)的有效性和被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2．溫度監(jiān)測系統(tǒng)
2.1控制方案的確定
由于采用等準確度的傳感器進行溫度測量，其測量結果具有正態(tài)分布的特點，所以溫度檢測元件我們選用了具有等準確度的DSl8B20，在風機的三相定子繞組的每相埋設兩個傳感器以及風機的兩端軸承處各埋設一個，共用8個傳感器；同時在隔爆風機的工作環(huán)境，即采煤工作面的不同空間位置選了8個觀測點，各埋設了一個傳感器，便獲取16路獨立的溫度數據，再將16路數據通過數據總線送入主機PLC的CPU進行數據融合處理，獲得真實值，再進行系統(tǒng)結構優(yōu)化，參數的修正等，并通過RS-845聯機通信，實現對井下隔爆風機溫度的智能化在線監(jiān)控，原理圖如圖2-1所示。
圖2-1溫度檢測與控制原理結構圖
2.2 溫度采集電路的設計
由于數字溫度傳感器（DSl8820）能夠獨立完成信號調理或線性化，且測量溫度范圍為[-55,+125] 0C，能夠滿足礦井溫度范圍變化大的要求，并可通過數據總線直接與主機PLC相連，節(jié)省設計時間，因此本系統(tǒng)的檢測元件采用DSl8820，采集電路如圖2-2所示。
圖2-2 十六路Sl8820與PLC的總線接線圖
2.3 溫度數據融合算法規(guī)則
為了避免傳統(tǒng)的單一的算術平均值算法的不足，本系統(tǒng)對采集數據采用數據融合算法，即將由16路傳感器測得值送入PLC的CPU中，通過分布圖法剔除疏失誤差后得出一致性測量數據，然后按傳感器所在空間位置不相鄰的準則將其分成兩組，先求出兩組數據的算術平均值，再進行分批估計算法，估計出溫度真實值的融合值T，從而消除測量過程不確定性，獲得采煤工作面的溫度測量真實值，具體步驟如下：
設被測溫度真值為T0， H為測量溫度方程系數矩陣，V為誤差向量，則測量溫度方程可表示為：T=HT0+V
式(2-1)及(2-2)中的i，j分別是第一、二組中傳感器的編號，則對應的標準誤差分別是：
根據分批估計理論，分批估計后得溫度的融合值的標準誤差是：
(2-8)公式說明:若實際測量數據誤差越大,即分得的兩組數據誤差越大，則公式 (2-8)對改善誤差的效果越明顯；反之，其相對于求算術平均值的優(yōu)越性也就不顯著了，所以此測溫方法適合于溫度反差變化大的環(huán)境場所。
3.實驗驗證
3．1數據采集
為了使實驗設計能夠充分滿足數據融合法規(guī)的要求，我們把淮南礦業(yè)集團的新莊孜煤礦井下3#采煤工段的隔爆風機為研究對象，在風機的內外變化溫度明顯處選擇了16個測視點，各埋設一個DSl8B20，同時進行獨立的溫度測量，共獲得16路數據，溫度采集電路如上圖2-2所示。通過顯示器（LCD）獲得不同時刻的真實值，即融合值，∈ [8 、12.5、15、 16.6、18、19.7 、20、 21.5、 22、23、24.6、 25、26] 0C，對應的融合時間t∈[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14]h,對應的關系圖如3-1所示.
此圖表明:采用數據融合技術計算的測量結果較接近于線性測量,可把溫度的非線性測量轉換為線性測量,大大降低了測量控制的難度.
3.2 數據處理
采用先進的應用軟件,如MATALAB對通過多次反復數據融合值進行線性擬合,并進行反復調試、優(yōu)化,得到最佳的溫度監(jiān)測動態(tài)關系式為:
y=at+b (3-1)
這里的a,b對于某一測控對象是確定的值,但當測量對象發(fā)生變化時,其值需要通過實驗進行修正. 我們在新莊孜礦1#采煤區(qū)求得實驗擬合函數式為:
y=1.133t+11.4813 (3-2)
t為實際溫度動態(tài)跟蹤的數據融合值，對應的溫度監(jiān)測波形如3-2所示.此圖表明: 采用多傳感器數據融合的動態(tài)模型計算溫度值,用此值擬合出溫度檢測系統(tǒng)的函數, 再反控被測對象,提高了控制的準確性和穩(wěn)定性.
4.總結
理論分析和實踐檢驗表明： 該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)相比，實時性較強，計算量較小，適用于數字化溫度采集系統(tǒng)。特別是被控對象在環(huán)境溫度惡劣的條件下作業(yè)，如煤礦井下隔爆風機，采用多路傳感器融合技術實現溫度在線測量，便可獲得可靠的實時性的測量數據，不僅可以消除測量過程中的不確定性，而且能夠提高測量結果的準確性和可靠性，值得進一步推廣與研究。
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