基于低功耗技术的回转窑测温多点通信系统

曾小信，邱立运

（中冶长天国际工程有限责任公司，长沙 410007）

回转窑是一种对物料进行干燥、焙烧的热工设备。回转窑窑内各点温度检测的准确与否，对产品的质量、产量、能源消耗、成本及设备安全运转起着关键性的作用。回转窑的转动给准确测量回转窑内的温度带来了诸多不便，因此选择测量准确、经济、实用的回转窑测温系统是保证回转窑正常生产的重要手段[1]。

本文所述基于热电偶测温方法的多站点无线测温系统，是在回转窑上安装若干支测温热电偶，热电偶可以采用完全插入窑内或者插入回转窑内衬的方法，但最终都是通过随回转窑转动的无线发射装置发送测温数据，安装在回转窑所在平面附近的无线固定接收装置接收数据，最后经现场通信总线传输给监控系统。本文对多站点无线通信测温系统以及系统的低功耗技术进行了介绍。

1 一点对多点通信系统原理介绍

图1 单点对多点通信网络Fig.1 Diagram of point to multipoint wireless communication network

2 回转窑测温多点通信系统

回转窑单点对多点无线测温示意如图2所示，根据工艺生产要求可以在窑头、窑中、窑尾分别设置一定数量的测温点，每1圈各设1个无线测温发射装置，在回转窑附近位置设置1个无线接收装置，从而构成单点对多点的无线测温系统。

图2 回转窑单点对多点无线测温示意Fig.2 Diagram of point to multipoint wireless measuring temperature of rotary kiln

2.1 回转窑测温多点通信系统架构

回转窑一点对多点无线测温系统如图3所示，系统主要由无线发射装置以及固定接收装置组成。整个系统中无线发射装置可以有1个或多个，固定接收装置只有1个。无线发射装置采集热电偶的温度信号，通过无线射频技术将数据发送给固定接收装置，固定接收装置再通过现场总线把数据传输给监控系统。

图3 回转窑多点无线测温系统结构Fig.3 Structure diagram of multipoint wireless measuring temperature of rotary kiln

无线发射装置主要由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、供电单元组成。数据采集单元一般采集若干组热电偶信号及热电阻信号，数据处理单元一般采用低功耗单片机对数据进行处理。数据传输单元采用成熟可靠的无线传输模块，供电单元一般采用耐高温高能量的不可充电锂亚电池。

固定接收装置主要由无线数据接收单元、数据处理单元、通信总线数据传输单元及供电单元组成，整套装置固定安装于回转窑附近，采用220 V交流电源供电。其中无线数据接收单元采用与无线发射装置配套的无线射频模块；数据处理单元可以选择一款运算速度较快、资源丰富的MCU，除了满足当前的数据处理外，还要考虑到以后的功能扩展；通信总线数据传输距离及现场的实际情况采用RS485总线或者DP总线。

2.2 回转窑测温多点通信系统的工作过程

无线发射装置接通电源后系统直接启动开始工作，每次访问均由固定接收装置向无线发射装置发出访问请求，循环进行。当循环周期时间T1到，固定接收装置按照无线通信协议格式，发送请求命令给第一个无线发射装置，若在规定的时间T2内没有收到相应的应答数据，则重发一次请求命令，然后等待下一个循环周期时间到，固定接收装置发送请求命令给下一个无线发射装置，直到请求命令发送给最后一个无线发射装置，然后固定接收装置又从第一个无线发射装置开始，发送请求命令，如此循环访问无线发射装置。假设有M个无线发射装置，循环周期时间设为N s，则固定接收装置完成一次完整的轮询请求，需要M×N s的时间。

神人兽面纹与鸟纹在这面钺上分别置于刃角的上下方，它们是有不同的功能的。神人兽面纹是族徽或者说墓主人个人的标志。而鸟纹很可能才是真正的神，是历代良渚人共同的信仰。这种鸟纹在玉琮中不独立出现了，它被整合到神人兽面纹之中，而在这儿出现了。它说明，虽然鸟图腾的意识在这个时候已经淡化，但并没有消除。

3 软件及通信协议

3.1 通信协议

本系统采用杭州利尔达公司的无线数据传输模块，其模块接口都是串行接口，TTL电平，模块支持空中唤醒功能和自动进入休眠功能。

无线数据传输时，由于现场环境恶劣，电磁干扰严重，数据包可能会丢失或者一帧数据中个别字节会改变，从而干扰混淆了有效数据包，为了得到真实可靠的数据内容，本文定义了数据帧协议格式，通过该协议格式，可以避免无线模块接收数据出错。无线数据帧格式如图4所示。

图4 无线数据帧格式Fig.4 Wireless data frame format

帧格式数据说明：

帧头：2个字节，以0x3030开头；

功能码：1个字节，每帧数据不同的数据信息或者控制指令；

长度：1个字节，帧长最长不超过256个字节，表示帧所有字节个数和，包括帧头、功能码、长度、流水号、设备编号、数据、校验和以及帧尾；

流水号：1个字节，以0x00起始，每发送一帧数据，流水号加1；

设备编号：4个字节，系统以无线射频模块的ID作为设备编号；

校验和：2个字节，表示校验字节之前所有字节的16位CRC校验和，不包含帧尾；

帧尾：1个字节，以0x55结尾。

以下举例说明数据帧格式，例如有一帧数据内容如下：

“30 30 01 0e 00 30 00 53 08 60 04 b3 92 55”其中：0x3030表示帧头；0x01表示功能码；0x0e表示数据长度，即14个字节长度，跟在数据长度字节之后的0x00表示帧流水号；0x30005308表示设备编号；0x460表示温度数据；0x92b3表示CRC16校验和；0x55表示帧尾。

3.2 软件设计

3.2.1 无线发射装置软件设计

无线发射装置的主程序流程如图5所示，主要包括实现系统初始化、热电偶信号采集及线性处理、冷端温度采集、电池电压采集、无线数据发射等任务，其中冷端温度补偿采用PT100热电阻信号。

系统定时器设置一个定时采集周期，定时周期根据采集速度可以修改，当定时周期时间到，则系统退出休眠模式，采集电池电压、PT100冷端温度信号、热电偶信号及线性化处理，然后判断是否接收到固定接收装置的请求数据发送命令，若收到请求命令，则把电池电压、冷端温度及热电偶温度按照无线通信协议格式组帧，帧数据通过串口发送给无线射频模块，无线射频模块接收到数据自动发送出去，最后程序进入低功耗休眠模式。

图5 无线发射装置的主程序流程Fig.5 Flow chart of main program of wireless transmitting equipment

无线射频模块上电初始，默认进入到休眠模式，并且支持空中唤醒功能，即在休眠模式下也能接收到无线网关模块发射的请求命令，并且把接收到的请求命令通过串口发送给无线发射装置的CPU。

3.2.2 固定接收装置软件设计

在本文描述的回转窑无线测温系统中，固定接收装置的无线网关模块需要接收3个无线发射终端的数据。

固定接收装置采用循环访问方式，请求无线发射装置的测温数据，设置轮询周期为M s，则每个无线发射装置间隔3M s，无线发射装置收到请求命令，然后把测温数据发送出去。

固定接收装置要实现的功能主要包括循环请求无线发射装置的数据，解析无线接收的数据，通过RS485总线把数据发送给监控计算机，周期性采集热电阻信号（测量回转窑附近的环境温度）。软件主体控制程序采用嵌入式多任务操作，包含有4个子任务，每个任务都有一定的任务执行周期，任务执行标志位置1，则执行该任务，直到该任务执行完毕，然后判断下一个任务的执行标志位，如此循环执行主控制程序。固定接收装置主循环程序流程如图6所示。

4 无线发射装置低功耗技术研究

由于无线发射装置采用电池供电，其容量有限，电池的工作时间由电池容量和无线发射装置的功耗决定，功耗越低，电池工作时间越长。因此，通过降低无线发射装置的功耗，可以延长电池的工作时间及减少更换电池的次数。降低无线发射装置的功耗，可以从以下几个方面着手[3]。

图6 固定接收装置主循环程序流程Fig.6 Flow chart of main program of fixing receiving equipment

4.1 硬件设计

（1）微处理器选型

无线发射装置系统的CPU是主要耗能元件，选择一款低功耗的单片机，可以极大地降低系统功耗。结合系统所需要的外部接口资源、工作电压和工作频率，选择TI公司的低功耗单片机MSP430F2618，该单片机有多种低功耗模式，待机模式（VLO）功耗只有 0.5 μA，关断模式（RAM 保持）只有 0.1 μA，并且可在不到1 μs的时间从待机模式唤醒。

（2）外围集成电路芯片选型

电源芯片选择一款低静态电流的LDO芯片S-1112B33MC，其工作时静态电流不到50 μA。热电偶信号采集芯片选择了一款AD公司的带省电模式、工作静态电流低的AD转换芯片AD7795，省电模式下功耗只有0.5 μA，工作模式下电流不到300 μA。AD7795的外部基准电源芯片选择了低静态电流，带使能引脚的基准电源芯片AD3425，工作模式下低静态电流不到100 μA，使能引脚关断情况下电流不到 5 μA。

（3）无线射频模块选型

无线射频模块是无线发射装置的主要耗能部件，无线射频模块的正确选型对降低装置的功耗起着关键作用。无线射频模块必须具有休眠模式，并且支持空中唤醒功能，即在休眠模式下，也能接收到无线网关发送的请求命令数据，以及无线发射装置的主控CPU通过串口发送的应答数据。无线射频模块无线接收和发送完数据，会自动进入到休眠模式，不需要主控CPU通过IO引脚设置。

4.2 软件设计

（1）对于CPU没有使用的IO管脚，软件也要进行初始化，若不进行初始化，也可能会增加单片机的漏电流，因此须将其设置为输出模式，输出为低电平。

（2）对于CPU中未使用的外设资源，都要通过程序关闭外设，这样也可以降低CPU的功耗。

（3）主循环程序执行完毕，会马上进入低功耗休眠模式，因此主程序执行时间越短越好，程序执行过程中，尽量不要采用延时等待函数。

（4）在CPU休眠模式下，定时中断函数也能执行，因此可以把部分AD采集函数放在定时中断函数中执行，例如电池电压采集，以及冷端温度采集。

5 结语

本文利用无线射频模块的单点对多点通信技术，实现了回转窑的多点测温，满足了工艺生产的要求，并且对无线发射装置的低功耗技术进行了深入的研究，采用低功耗技术，可以极大地降低系统功耗，从而延长了电池的使用时间，减少电池的更换次数，保证了回转窑测温系统的可靠正常运行。目前该技术及装备的研究成果已经成功应用于某氧化球团厂的回转窑温度检测，并取得了良好的应用效果。

[1]王勇，万忠炎.几种不同类型的回转窑温度检测方法[J].山东冶金，2008，30（4）：68-70.

[2]许高俊，马宏忠，李超群，等.基于无线传感器网络的高压开关柜多点温度检测[J].中国电力，2014，47（12）：121-126.

[3]毕莹.无线传感器网络节点低功耗的设计[D].长春：吉林大学，2008.