基于ZigBee的超低功耗冻结井壁无线测温系统

黎　冠　刘永涛　卜祥丽　翟延忠

(华北科技学院安全监测监控重点实验室，北京　101601)

基于ZigBee的超低功耗冻结井壁无线测温系统

黎冠刘永涛卜祥丽翟延忠

(华北科技学院安全监测监控重点实验室，北京101601)

摘要：针对传统煤矿立井施工测温系统不易布线的问题，开发了基于ZigBee协议栈BitCloud的超低功耗冻结井壁无线测温系统。系统以ATmega128RFR2作为协调器和路由器的控制核心，利用单总线测温技术，构成了一个多路由的树型网络。给出了系统方案设计、测温节点软硬件设计和超低功耗设计。实际冻结工程项目测试结果表明，测温系统稳定，温度数据可靠，无线测温网络寿命大于井壁浇筑施工周期。与传统测温方法相比，该测温系统的施工难度进一步简化，无线组网方式更为灵活。

关键词：ZigBee单总线Z-StackDS18B20矿井温度传感器测温系统

0引言

在煤矿井筒冻结法凿井施工过程中，混凝土凝固过程释放大量的热量，故井壁混凝土温度监控对井壁施工质量起着关键作用[1-2]。传统矿井冻结法施工过程中一般多采用温度传感器多点测温。近年来，出现很多新的研究。文献[3]利用传感器的寄生电源供电，实现了单总线超远距离多点测温；文献[4]采用nRF905射频网络对井壁压力和温度进行远程监测，但是需要外接电源，不便施工布线。目前，较为先进的井壁测温方式是光纤测温法[5]。通过光纤拉曼(Raman)散射现象，实现光纤沿线温度测量。光纤测温不怕电磁干扰、抗腐蚀性强、传输距离远，但设备成本过高，不能在冻结井壁施工中广泛地推广应用[6]。随着近几年ZigBee无线通信技术的快速发展，该技术在环境监测、工业测控等领域得到了广泛应用[7]。

结合煤矿冻结工程施工实际需求，针对千米冻结井施工项目，采用单总线测温传感器，采集冻结壁内多点混凝土固化温度；在冻结井筒内构建ZigBee无线通信网络，将各温度数据传送至井口网络协调器；协调器将数据上传至监控PC，实现冻结井壁温度监测。

1系统设计

1.1无线组网方案

ZigBee网络有星型、树型和网状型3种网络拓扑结构[8]。根据冻结井筒的现场应用情况，设计时需要考虑以下几点特殊要求。①测温传感器一旦施工安装后，就不能取出更换，电源采用电池供电。因此，只能在有限的能量供给下，尽可能延长无线网络的寿命。设计时，必须考虑能量消耗和能量均衡等问题。②对传感器采样速率、响应时间要求不是很高。③MCU的资源有限，不宜进行比较复杂的路由计算。综合以上分析，系统采用树型组网方案。

1.2系统方案设计

井壁ZigBee无线测温网络的节点根据角色可分为：协调器、路由器和测温节点。系统总体结构图如图1所示。路由器不仅具有温度采集的功能，而且具有路由功能，即与附近测温节点进行通信，收集并转发温度数据，最终将温度数据传达至协调器。协调器将接收到的数据传输到地面监控主机，监控主机将收到的各点温度数据进行显示，包括实时曲线、预测曲线以及历史曲线显示。同时，路由器还具有可将数据存入数据库和设置报警等功能。

图1　系统结构图

2测温节点硬件设计

2.1测温节点设计

文献[9]对当前主流ZigBee芯片的灵敏度、收发电流等参数进行了比较，根据结论，系统的协调器、路由器和终端节点均采用Atmel公司的ZigBee芯片ATmega128RFR2实现，硬件电路结构基本相同。测温节点负责与数字温度传感器DS18B20通信，获取温度数据，再将数据传输至协调器。路由器自身在完成测温功能的同时，还需要转发测温节点发送的数据。测温节点的硬件结构图如图2所示。

图2　测温节点电路结构图

测温节点主要由主控芯片ATmega128RFR2、DS18B20温度传感器、振荡芯片748421245、DS18B20驱动电路、实时时钟芯片DS1302和供电单元组成。

2.2主控芯片

2.3温度采集

本系统选用DS18B20单总线数字温度传感器，采用寄生电源供电。所谓寄生供电是指DS18B20通过两线制(数据线和地线)与MCU进行连接，既用来给传感器提供电能，又用来传输数据。在实际使用过程中，电源与数据线之间通过一个4.7 kΩ上拉电阻连接。DS18B20内置寄生电容，数据线高电平期时储存电能，低电平期内消耗内部电容里的能量工作，如此往复循环。当总线上并联传感器较多时，需要设计驱动电路。对于单总线两线制测温，文献[10]进行了深入探讨，本文不再详述。

2.4供电单元设计

由于无线测温系统实施过程都是一次性施工，所以每个测温节点和路由器都必须满足超低功耗、长时间待机的要求，待机时间至少是一个井壁浇筑周期的1.5倍。本设计中，选择ATmega128RFR2超低功耗芯片作为网络终端节点的主控制器。ATmega128RFR2具有较宽的工作电压范围(1.8～3.6 VDC)和工作频率(0～16 MHz)，系统的功耗比其他方案降低了很多。另外，DS18B20工作电压为 3～5 VDC，采用两线制寄生电源供电，可大大降低DS18B20的功耗。选用升压芯片MAX1675，为系统提供+3.3 V电压。文献[9]对系统的软件设计进行了深入的讨论，这里借用其结果进行功耗计算分析。供电单元采用18650锂电池，根据测算结果，理论上网络寿命达到8个月。

3软件设计

软件部分主要包括测温节点硬件控制程序设计、协调器控制程序设计和上位机监控软件设计。测温节点和协调器的软件开发环境为IAR5.5，采用汇编语言和C语言混合编程。监控计算机应用软件采用工业组态软件FameView，实现上位计算机监测界面设计。通过Modbus RTU通信协议组态，利用串口无线RS-485/232通信接口，实现协调器与上位机的数据通信。

3.1控制程序

主要程序流程如图3所示。程序采用模块化编程的方法。协调器负责建立网络，并通过路由器扩张其网络，测温节点就近选择路由器入网。温度采集采用两线制单总线通信方式。DS18B20对总线操作时序要求非常严格，编程时，采用混合式编程，即采取C语言嵌入汇编语言的编程方式，其他子程序采用C语言编写。

图3　主程序流程图

BitCloud[11-12]是Atmel 公司开发的一个全功能、专业级的嵌入式ZigBee协议栈，类似TI 的Z-Stack 。它提供了一个安全可靠、扩展性强的应用软件开发平台，可运行在Atmel的MCU及无线收发器上。区别于Z-Stack的开源形式，ZigBee标准描述的各层次的功能组件模块，在BitCloud中核心栈内容以封装库的形式呈现。

3.2上位机监控

上位机监控软件采用工业组态软件FameView7.6.9进行开发，实现监控画面设计、Modbus协议通信驱动组态以及数据归档处理。画面显示可以显示当前各测温节点的温度数据和实时趋势曲线。根据历史数据，还可以绘制出未来指定时间的预测曲线。同时还实现了操作人员权限设置、历史趋势曲线、历史数据查询以及报表打印等功能。

4实验结果与分析

4.1测试实验

基于ZigBee的超低功耗冻结井壁无线测温系统在某煤矿风井施工现场进行了系统测试。测试过程主要有测温电缆敷设和测温节点的安装。无线测温系统分布如图4所示。

图4　无线测温系统分布图

测试重点是各测温节点能否将采集到的温度数据传送至路由器，路由器将数据传送给协调器，协调器最终将数据传送至上位机。上位机放置在地面监控机房，协调器安装在冻结井口。第1个路由节点与测温协调器的距离为200 m，第2个路由节点与第1个路由节点的距离为220 m，第3个路由节点与第2个路由节点的距离为180 m。每个测温节点连接一根测温电缆，电缆上并联连接5～12个DS18B20温度传感器，共计40个DS18B20。

4.2低功耗设计与分析

由于是采用电池供电，系统采用超低功耗模式运行，即采用间歇式测温。测试节点连接了8个DS18B20，设置测温时间间隔为5 s，即每个节点每隔5 s采集一次温度数据，同时搜索一次路由，其他时间进入低功耗休眠状态。供电单元电池容量为2 200 mA。节点实际耗电情况如表1所示。测试开始后，每天测量电池的能量消耗情况，表1给出了每隔7天的电池电压数据。数据表明，该测温节点运行36天后，电池电压有0.13 V的压降。根据这个结果，可以推算出在100%满电量情况下，该测温节点可以正常运行170天左右。若时间间隔设置为12 s，则该测温节点的运行时间能够达到360天，满足冻结井壁施工周期的要求。

表1　节点实际耗电情况

从开始浇筑混凝土，到敷设测温电缆48 h后的温度数据曲线图，如图5所示。

图5　测温节点48 h温度曲线图

图5中，从4～8号测温传感器的温度数据曲线可以看出，井壁混凝土水化热释放温度曲线符合国家的标准曲线。通过ZigBee无线网络，省去了通信电缆和电源电缆敷设，布线施工更加方便，为进一步研究冻结井温度场分布规律、冻结井壁混凝土水化热释放规律以及井壁灾害预防提供有效的数据支持。

5结束语

根据当前煤矿立井冻结井壁施工测温系统的实际需要，设计了基于ZigBee的超低功耗冻结井壁无线测温系统。重点对协调器、路由器和测温节点软硬件、超低功耗模式进行了设计与测试。相比过去的测温方法，该测温系统的施工更加简单，无线组网方式更为灵活。在实际工程应用中，验证了系统的可靠性、稳定性以及低功耗性能。无线测温系统的运行寿命能够满足冻结井施工周期的需要，可有效地实现冻结井施工过程中井壁混凝土温度数据的长期监测。本次测试只测试了几个测温节点、几十个传感器，还不能满足整个井壁测温的需求。如何扩大网络容量，延长测温节点运行寿命将是下一步的研究方向。

参考文献

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ZigBee-based Wireless Temperature Measurement System with Ultra-low Power Consumption for Freezing Shaft Wall

Abstract：Aiming at the difficult wiring problem of temperature measurement system in construction of traditional coalmine vertical shaft,the wireless temperature measurement system with low power consumption based on ZigBee protocol stack BitCloud is developed for freezing shaft wall.With ATmega128RFR2 as the control core of coordinator and router,a tree type network with multiple routings is constituted by using the 1-wire bus temperature measurement technology.The designs of system scheme,hardware,software and low power consumption for temperature measurement node are given.The test results in actual freezing engineering project show that this temperature measurement system is stable,the temperature data are reliable,and the life cycle of wireless temperature measuring network is longer than the pouring construction period of shaft wall.Comparing with traditional temperature measurement methods,the difficulty of construction of this temperature measurement system is further simplified,and the wireless networking is more flexible.

Keywords:ZigBee1-wire busZ-StackDS18B20MineTemperature sensorTemperature measurement system

中图分类号：TH7;TP277

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605012

中央高校基本科研业务费基金资助项目(编号：3142014073、3142014126)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黎冠(1981-)，男，2008年毕业于天津理工大学检测技术与自动化装置专业，获硕士学位，讲师；主要从事工业测控系统与智能化方向的研究。