氧化铝料塔料位无线遥测系统设计与应用*

刘 静，胡天宇，许 峰

(北方工业大学机电学院，北京 100144)

氧化铝电解生产过程中，电解槽内氧化铝粉末供给量关系到铝的生产质量，然而在氧化铝料塔上加装料位计存在很多实际困难，例如在塔顶布线不便且具有安全隐患，有线通讯的成本高，可靠性差。因此开发一种无线通信系统实时传输氧化铝料塔的料位数据非常必要。通过开发无线智能监测系统，来取代原有的人工监测方式，同时充分利用车间现有局域网，设计了星型无线传感器网络［1］系统，此无线测控系统也适用于其他工业自动化测控场合。

1 系统总体方案和工作原理

系统总体方案:参考文献［2-15］中的无线遥测系统设计方法，并根据铝电解过程中氧化铝料塔供给氧化铝的实际状况，确定了氧化铝料塔料位无线遥测系统方案。系统主要由一个主节点和多个终端节点组成(图1)。

图1 氧化铝料塔的料位遥测系统总体方案

终端节点将传感器测量到的料位数据处理后，通过433M 无线网络将数据发送给主节点。主节点收集终端所采集的数据。主节点与主机通过串口服务器传输数据，与企业局域网融合，实现氧化铝料位在局域网内任意位置的远程集中监测。

工作原理:本文无线遥测系统采用半双工通信，空闲时主节点与终端节点均处于接收命令状态。需要测量时，上位机通过网口发送测量命令，经串口服务器进行协议转换后，发送至STM32 控制板的串口，命令被控制板处理后，通过无线模块发送至终端节点，终端节点收到命令后首先返回握手信息告知主节点此次通信建立完毕，然后提取数据帧中的命令字，控制料位计进行相应的工作。测量完毕后，将所测数据发送给终端节点的STM32 控制板进行数据成帧等操作，再通过无线模块返回至主节点，主节点通过串口服务器将数据上传至上位机，显示此次测量的数据。

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件设计过程中需要考虑以下因素:

1)通信距离尽量远，由于中控室与料塔之间最远距离为800 m，中间有遮挡物、磁场等因素的影响，所以需要一种传输距离远，抗干扰能力强，通信可靠的无线传输模块。

2)尽量采用模块化设计，降低开发成本，提高系统稳定性和通用性。

2.1.1 主节点硬件设计

主节点主要由电源管理模块、STM32［16］控制模块、串口通信模块、串口服务器模块和无线通信模块等5 部分构成(图2)。

图2 主节点硬件框图

1)电源管理模块，系统采用24 V 开关电源供电，无线通信模块与串口服务器模块工作电压为5 V，STM32 控制模块工作电压为3.3 V，所以需设计电路将24 V 电压转换为5 V 与3.3 V。为满足无线通信模块与串口服务器功耗需求，设计的5 V 电压输出电流为3 A。选取的芯片为:a)24 V～5 V 采用的是LM2596，3 A 电流输出降压开关型集成稳压芯片。b)5 V～3.3 V 采用的是AMS1085，能保证输出电流为3 A，且工作压差可低至1 V。

2)串口通信模块主要负责STM32 控制模块与无线通信模块和串口服务器模块之间的通信。串口服务器与STM32 控制模块采用普通UART 方式通信。无线模块与STM32 控制模块使用RS485 通信。

3)STM32 控制模块，CPU 采用STM32 系列控制器STM32F103VC，主要工作为处理校验上位机命令字和终端返回的测量数据，并协调无线通信模块与串口服务器之间的工作。

4)无线通信模块，无线通信模块功能是将接收到的数据透明传输出去，内部不对数据做任何处理。

2.1.2 终端节点硬件设计

终端节点硬件框图如图3 所示。

1)并口通信模块，料位计数据采集通过CPLD 模块完成，终端节点通过普通I/O 口模拟并口方式与CPLD 模块进行通信，共12 位，其中6 位控制位，主要负责命令的传送;6位有效数据位，主要负责接收CPLD 采集的有效数据。

2)STM32 控制模块，在终端节点中该模块主要工作为:一是将CPLD 采集的数据打包成帧，并通过RS485 模块发送至无线模块;二是判断与校验主节点发来的命令帧，提取命令帧的有效命令字转换成相应的并口命令，通过并口发给CPLD 数据采集模块，从而控制料位计做出相应的测量动作。

2.2 软件设计

2.2.1 数据传输帧格式

CPLD 数据采集模块采集的数据为12 位，为方便监测无线通信系统数据传输的正确率，将12 位数据转换为4 字节十进制数进行传输，其帧格式如图4(以字节为单位)所示，所有多字节数据传输时均先发送低字节，再发送高字节。

图4 数据帧格式

2.2.2 主节点软件设计

主节点主要工作分三部分:无线模块与STM32 控制板之间的通信，STM32 控制板对采集到的数据与接收到的命令的数据处理和STM32 控制板与串口服务器之间的通信(串口编程方法参考文献［17］)。

通信时主节点首先对接收到的数据帧进行起始符与帧尾的检测，对符合定义的数据传输帧格式再进行处理，否则清除本次接收到的数据。然后进行有效数据的半byte 校验，校验无误后，通过无线模块发送给终端或通过串口服务器发送至主机显示。程序流程图如图5 所示。

图5 主节点程序流程图

上位机将测量命令发送至主节点，主节点通过无线模块发送出去后，等待接收终端节点的握手信息，如果未收到握手信息，主节点通知上位机再次发送测量命令，直到收到终端节点的握手信息，确认通信已经建立后停止重发。然后等待终端节点返回测量数据，接收到数据后，进行数据处理与校验，最后发送至上位机进行显示。

2.2.3 终端节点软件设计

终端节点主要工作分为无线模块与STM32 控制板的通信，STM32 控制板与CPLD 数据采集模块的通信和对采集到的数据的处理。主程序流程图如图6 所示。

图6 终端节点程序流程图

由于无线传感网络采用的是星型网络，多个终端节点对应一个主节点，故数据在传输过程中，尤其是终端节点向主节点上报测量数据时，容易产生冲突，例如，主节点正在接收某个终端的数据时，其它终端节点又发送来一帧数据，这样将导致这两帧数据无法通过校验而丢失。鉴于这种情况，针对不同ID 的终端节点，设置不同的延时来返回数据，从而避免冲突。实验证明这种方法能有效的避免主节点接收数据时的冲突。

3 实验与结果

表1 无线料位传感器测试数据

为检测本系统传输数据的正确率，在通信网络外另加一个无线通信模块，直接与PC 机相连，通过串口调试助手观察主节点与终端节点发送的数据帧，与无线遥测系统上位机软件接收的数据进行对比。上位机设置每隔10 分钟测量一次，每次测量完成后自动保存数据，任取其中15 组数据如表1 所示。通过工厂实际测量，未出现误码与丢帧现象。将两个不同显示平台数据进行对比，可计算出无线遥测系统数据传输的正确率为100%，在实测要求的距离范围内，丢帧率为0。

4 结论

利用433 MHz 频段无线通信技术与STM32 设计了一种氧化铝料塔料位无线遥测系统。经过多次现场测试，本系统数据传输可靠，且系统稳定性高，满足项目实际应用要求。

［1］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］冯涛.混合料料仓料位在线监测系统的研制［D］.重庆:重庆大学，2008.

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