基于ZigBee和MLX90614的铝电解槽温度监测系统的设计*

吴意乐,何 庆,徐同伟

(贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳 550025)



基于ZigBee和MLX90614的铝电解槽温度监测系统的设计*

吴意乐,何 庆*,徐同伟

(贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳 550025)

针对铝电解槽侧壁传统温度检测误差大、时间不连续、成本昂贵、信噪比低等问题,设计了一种基于ZigBee和MLX90614非接触式红外温度传感器的铝电解槽侧壁温度监测系统。系统硬件选用CC2530为主芯片,MLX90614为温度测量传感器;系统软件基于TI公司的ZStack-2.5.1a协议栈进行设计,同时开发基于B/S模式(服务器/浏览器模式)的上位机软件帮助工作人员实时查看和分析温度数据。现场测试结果证明:该系统部署方便,网络数据传输可靠,节点采集温度的误差在3 ℃以内,上位机软件正常工作。该系统能够实现铝电解槽侧壁温度的实时监测。

铝电解槽;ZigBee;MLX90614红外温度传感器;ZStack-2.5.1a协议栈;B/S模式

随着信息科学技术的发展,人们对信息传输质量的要求也在不断提高,传统的有线网络设备已经很难满足当前的需求,基于无线通信方式的通信技术,如ZigBee、Bluetooth、WiFi和UWB等通信技术应运而生,通过对上述通信技术对比可以发现ZigBee是一种低功耗、低速率、短距离和低成本的无线通信技术。目前,基于ZigBee技术的WSN的研发成为了国内外竞争发展的一个热点,在工业控制、家庭小数据传输、环境监控等领域都得到了广泛的应用[1]。

近年来,许多国内外学者对基于ZigBee技术的环境监测系统进行了研发和改进:文献[2]设计了一种基于DS18B20温度传感器的无线温度监测系统,解决了传统有线温度测量造价贵、信噪比低等问题;文献[3]设计了一种监测机房环境温度的ZigBee无线传感器网络系统,为机房温度的监控提供了一种新思路;文献[4]设计了基于ZigBee的无线医疗监护系统,其中传感器采用HK-2000A压电脉搏传感器和DS18B20温度传感器;文献[5]设计了基于ZigBee的可穿戴式病房无线监护系统,远程管理病人信息并提供报警功能。由于这些论文中的无线温度监测系统大多都只处于初始搭建阶段,且所使用的温度传感器都是传统热敏电阻或DS18B20温度传感器,存在量程小、误差大、灵敏度低等缺陷,不适合对恶劣环境进行实时监测。

铝电解槽炉膛形状的好坏直接反映到侧壁的温度上。目前大多数铝厂都是通过人工进行铝电解槽侧壁温度的检测,这种方法虽然简便,但存在误差大、易出错、时间不连续等问题;而有线温度测量存在线路复杂、成本昂贵、信噪比低等弊端,如文献[6]设计了一种基于Web的铝电解槽温度监测系统,该系统存在布线困难,成本昂贵的问题,且可测温度范围只有150 ℃～320 ℃,无法适应铝电解槽槽壳温度的实时采集。因此,本文将设计一种基于ZigBee协议栈的铝电解槽温度监测无线传感器网络,其中ZigBee芯片采用CC2530,温度传感器选用MLX90614红外温度传感器,同时开发基于B/S模式的温度数据显示和分析界面,形成一套安装方便,无需布置线路,适应能力强的铝电解槽侧壁温度实时监测系统。最后通过现场测试验证了本系统在无线网络数据传输、数据显示、数据精度等方面都能达到预期的效果,能够实现铝电解槽侧壁温度的实时监测;同时,该系统能够适应各种恶劣工业环境的温度监测要求,具有普遍的应用价值。

1 系统设计方案

1.1 ZigBee协议

ZigBee协议是建立在IEEE802.15.4标准的基础之上,它的主要特点是低速率、低功耗以及能够实现自组无线网络[7]。工作频率分别是2.4 GHz和868/915 MHz[8]。根据ZigBee协议,ZigBee网络中有3种不同的设备:协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端节点(End-Device)[9]。

ZigBee协议栈就是将各层定义的协议集合起来,并通过函数的形式实现,供用户在应用层内直接调用。在开发基于ZigBee协议栈的应用时需要做的主要是在应用层进行相应的程序编写和改进。

1.2 本文系统整体结构

该系统的基本组成单元包括协调器、路由器、终端节点、中心服务器。其中,协调器的主要功能是建立ZigBee无线传感器网络,分配网络内所有节点地址,管理节点并将终端节点采集到的温度数据发送到中心服务器;终端节点的主要功能是加入ZigBee网络,与协调器进行通信,同时采集温度数据并发送给协调器[10];路由器的主要功能是扩大ZigBee网络的覆盖范围,当终端节点无法与协调器进行直接通信,则需要路由器转发温度数据;中心服务器将接收到的温度数据存入数据库,并通过B/S模式将温度数据在浏览器中在线实时显示。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图

2 系统硬件设计

2.1 芯片及温度传感器选型

相比CC2430,CC2530的缓存作了进一步增大,存储容量最大支持256 kbyte,CC2430最大只支持128 kbyte;同时,CC2530的功耗相比CC2430有所降低;在ZigBee协议支持方面,CC2530支持全新的ZigBee 2007/PRO协议,该协议相比之前的协议具有更好的节点密度管理、数据负荷管理等优势,并且CC2530的价格更加低廉。基于上述这些优越特性以及铝电解厂恶劣的工作环境,本文使用CC2530作为ZigBee无线传感器网络设备的主芯片。

温度传感器方面,由于铝电解槽侧壁温度一般大于200 ℃,传统的DS18B20温度传感器的测温范围是-25 ℃～125 ℃,无法达到测得铝电解槽侧壁温度,且它是一种接触式温度传感器,灵敏度低,同时,由于侧壁温度过高,接触后容易烧坏。MELEXIS公司生产的MLX90614温度传感器是一种非接触式红外温度传感器,该温度传感器内部集成了红外感应热电堆探测器芯片MLX81101和信号处理专用集成芯片MLX90302,它的测量范围是-70 ℃～382.2 ℃,精度高,误差小,灵敏度高[11]。综合考虑后,本文选用MLX90614温度传感器。

2.2 终端节点硬件设计

由于铝电解槽恶劣的工作环境,终端节点在实现对侧壁温度的实时采集功能外,还需要有安装方便、通信距离远、功耗低等优点。终端节点由CC2530处理器模块、MLX90614温度传感器模块、射频天线模块、时钟电路模块和电池电源模块组成,其硬件结构如图2所示。

图2 终端节点硬件结构图

CC2530处理器模块的功能是执行ZigBee通信协议,完成数据的处理、接收和发送以及对MLX90614温

度传感器模块的管理等;MLX90614温度传感器模块的功能是采集铝电解槽侧壁温度数据;射频天线模块由无线射频电路和天线构成,用于完成无线传感器网络的通信任务。终端节点具体电路原理图如图3所示。

MLX90614温度传感器有4个引脚:GND地、Vdd外部电源电压、SCL两线通信协议的串行时钟信号、SDA数字信号I/O。MLX90614通过SMBus串口通信方式与CC2530芯片相连接,其中SCL引脚和SDA引脚分别通过22 kΩ的上拉电阻与CC2530的两个I/O口P0_6和P0_7相连,上拉电阻与3.3 V电源连接,保证I/O口确定的电平信号。

图3 终端节点电路原理图

图5 CH340G串口通信模块电路原理图

2.3 协调器和路由器硬件设计

ZigBee无线传感器网络协调器需要与服务器进行串口通信,无需采集温度数据,且协调器放置在服务器附近,使用USB供电即可,无需电池供电。因此,其硬件结构如图4所示。结构图中CH340G串口通信模块电路图如图5所示。

图4 协调器硬件结构图

CC2530处理器通过P0_2口和P0_3口与USB进行通信,中心服务器可以接收来自协调器发来的数据或发送数据给协调器。

与协调器相比,路由器无需与服务器进行串口通信,它只做数据中继功能,即将接收到的温度数据转发给父节点,延伸通信距离[12]。其硬件结构如图6所示。

图6 路由器硬件结构图

图7 协调器软件流程图

3 系统软件设计

3.1 ZigBee无线传感器网络软件设计

ZigBee网络的软件部分采用C语言在IAR平台上完成开发和调试,协议栈使用TI公司的ZStack-2.5.1a。协调器的任务是选择合适的信道、合适的网络号新建网络,分配节点地址,接收节点采集的温度数据并发送给服务器,它的软件流程图如图7所示。

终端节点的任务是搜索ZigBee无线网络并加入网络,周期性的采集、处理和发送温度数据,它的软件流程图如图8所示。

图8 终端节点软件流程图

MLX90614温度传感器与CC2530之间通过SMBus串口协议进行数据传输[13]。MLX90614作为唯一的从设备识别地址为0x00,它有16个RAM存储单元,地址范围为0x00-0x0F。其中,0x06和0x07两个地址分别存储了环境温度Ta和物体温度To。CC2530(主设备)和MLX90614(从设备)之间发送和接收数据都是基于SMBus协议的标准格式以字节为单位进行(1个字节等于8 bit)。CC2530每次发送1个字节,如果MLX90614有应答,则CC2530继续发下1个字节;如果MLX90614无应答,则CC2530重复发送原来的字节,直到接收到MLX90614的应答信号,重复达到一定次数后还未收到应答信号,则停止发送字节。

首先,CC2530通过SMBus串口协议向MLX90614发送0x00,如果MLX90614有应答信号,则表明成功访问MLX90614,否则重复发送该字节,直到接收到应答信号为止,超过10次则停止发送;然后发送0x07读取MLX90614该地址单元内的物体温度数据To(发送0x06则读取环境温度数据Ta)。

由于读取到的温度数据To是16 bit二进制数据,首先将其转换为十进制数据Tod:

Tod=256ToH+ToL

(1)

Tod是华氏温度的50倍,因此,被测物体的摄氏温度T的求解表达式为:

T=Tod/50-273.15

(2)

3.2 上位机软件设计

本系统通过B/S模式设计上位机软件,对多个终端温度测量节点进行实时监控,其主要功能有:

①历史数据存储和查询:通过PHP串口类dio读取USB串口接收到的温度数据并存入MySQL数据库,工作人员可以输入时间范围和节点号进行实时查询。②实时数据显示:通过PHP读取MySQL数据库内不同节点的温度数据、日期和时间,并在Web界面实时显示。③温度报警:可以设置温度阈值,当某节点温度超过阈值,颜色变红,从而实现报警功能。

4 系统测试

4.1 网络可靠性测试

通过自组建无线传感器网络,网络中协调器、路由器和终端节点各一个,数据3 s发送一次,测试两个节点之间随着距离的变化的数据传输丢包率,表1为网络中路由器和终端节点在不同通信距离的数据传输丢包情况。

从表1可以看出,当两节点之间距离在40 m内,数据传输基本不会出现丢包,当距离达到60 m,数据基本全部丢失。在铝厂中,两个铝电解槽的间距不超过5 m,铝电解槽长度在10 m左右,因此,每个铝电解槽边安装一个路由器,可以保证无线传感器网络数据的可靠传输。

表1 不同距离数据传输情况

4.2 现场测试

在遵义铝电解厂现场进行系统初步测试,使用8个终端测温节点对一个铝电解槽不同位置的侧壁进行温度监控,温度读取时间间隔为60 s,铝电解槽附近放置两个路由器节点为铝电解槽两边的传感器节点做中继功能,具体网络配置图如图9所示。

由于现场温度高,传感器节点电路板难以持续在较高温度下进行工作,因此,本系统终端传感器节点由硅酸钙保温盒包裹,其实物图如图10所示。

系统上电,待无线传感器网络建立,所有节点加入网络并开始工作后,铝厂工作人员通过浏览器查看和分析铝电解槽侧壁温度数据,基于B/S模式的温度显示界面(截图)和历史温度分析界面分别如图11和12所示。

图11 B/S模式节点温度显示界面(截图)

图9 网络配置图

图10 终端节点实物图

图12 B/S模式节点历史温度分析界面

其中,上位机软件设置报警温度为300 ℃(可变),可以看到,当某节点采集的温度超过300 ℃,该节点方框内字体颜色变红。

为了测试本系统终端节点温度采集的精确度,现在对其精度进行测试,将红外温枪所测温度和节点D的采集温度做对比,对比结果如图13所示。

图13 节点和红外温枪测量温度对比

通过上述测试可以看出,本文设计的系统所测温度的误差保持在3 ℃以内(铝厂工作人员要求误差在5 ℃以内),可以相对精确的完成对铝电解槽侧壁温度的实时监测;相对于文献[2]和文献[6]中的系统,本文系统温度传感器能够采集320 ℃以上的温度(一般铝电解槽侧报警温度阈值一般设置在320 ℃以上),且该系统部署方便,无需布置线路;上位机软件方面,相比文献[2-3]中的系统,该系统实现了以折线图的形式呈现不同节点任意时间段内采集温度的变化趋势,有效帮助铝厂工作人员进行铝电解槽槽况分析。

5 结论

本文针对铝厂传统人工铝电解槽侧壁温度检测的误差大、易出错、时间不连续,有线温度测量的线路复杂、成本昂贵、信噪比低等问题,设计了以CC2530和MLX90614温度传感器为核心的铝电解槽侧壁无线传感器网络监测系统。其中详细介绍了网络节点硬件和软件的设计,其节点设计简单、性能稳定、实用性强,同时开发了基于B/S模式的上位机软件,能够有效帮助工作人员进行实时查看和分析铝电解槽侧壁不同位置当前温度数据和历史温度数据变化趋势。

通过现场测试结果表明:相比其他文献中的系统,本文设计的基于ZigBee和MLX90614的铝电解槽侧壁温度监测系统安装方便,无需布置线路,在适应能力、数据传输、数据显示、数据精度等方面都达到了预期的效果,能够实现对铝电解槽侧壁温度的实时监测;同时该系统测温范围广,性能稳定,能够适应各种恶劣工业环境的温度监测要求,具有普遍的应用价值。

[1] Dahlback A A,Eide H A,Hoeiskar B A K,et al. Comparison of Data for Ozone Amounts and Ultraviolet Doses Obtained from Simultaneous Measurements with Various Standard Ultraviolet Instruments[J]. Optical Engineering,2005,44(4):041010.

[2] 魏明明,关咏梅,郭涛,等. 基于CC2530的无线温度传感器网络的设计[J]. 计算机测量与控制,2015,23(6):2233-2236.

[3] 宁洁. 基于ZigBee的通信机房温度监测系统[D]. 西安:西安电子科技大学,2012.

[4] 周林,冯婷婷. 基于ZigBee的无线医疗监护系统的研究与设计[J]. 电视技术,2013,37(14):64-67.

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[6] 吴丽丽. 基于Web的铝电解槽槽壳温度监测系统设计[D]. 山东大学,2009.

[7] 宋丽伟. 基于CC2530的智能家居内部网络ZigBee协议栈的设计与实现[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[8] 宁洁. 基于ZigBee的通信机房温度监测系统[D]. 西安:西安电子科技大学,2012.

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[11] Jin G,Zhang X,Fan W,et al. Design of Non-Contact Infra-Red Thermometer Based on the Sensor of MLX90614[J]. Open Automation and Control Systems Journal,2015,7(2):6-18.

[12] 邓心方,文玉梅,李平. 采用自供电无线传感网络的电线安全监测系统[J]. 传感技术学报,2014,27(6):842-846.

[13] 崔健,鲁志平. SMBus协议分析及其在双MCU通讯中的应用[J]. 微计算机信息:测控仪表自动化,2004,20(6):99-100.

吴意乐(1991-),男,硕士研究生,贵州大学大数据与信息工程学院,主要研究方向为无线传感器网络、智能算法,250770274@qq.com;

何 庆(1982-),男,副教授,硕士生导师,贵州大学大数据与信息工程学院,主要研究方向为无线传感器网络,认知无线网络,16353735@qq.com;

徐同伟(1991-),男,硕士研究生,贵州大学大数据与信息工程学院,主要研究方向为认知无线网络,981667856@qq.com。

FDesign of Temperature Monitoring System for Aluminum Reduction Cells Based on ZigBee and MLX90614*

WUYile,HEQing*,XUTongwei

(College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Aiming at the problems through the traditional temperature measurement in side wall of aluminum reduction cells that error is large,time is not continuous,cost is expensive and SNR is low,a temperature monitoring system for the side wall of aluminum reduction cells based on ZigBee and MLX90614 non contact infrared temperature sensor is designed. CC2530 is selected as the master chip and MLX90614 is selected as the temperature measuring sensor of the hardware of the system. The software of the system is designed based on ZStack-2.5.1a protocol stack of TI company. At the same time, the upper computer software is developed based on B/S mode(server/browser mode)to help staff view and analyze temperature data in real time. The field test results show that the system is easy to deploy and the transmission of network data is reliable. The error of the temperature of node acquisition is less than 3 degrees Celsius and the upper computer software works properly. The system can realize the real-time monitoring of the temperature of the side wall of aluminum reduction cells.

aluminum reduction cells;ZigBee;MLX90614 infrared temperature sensor;ZStack-2.5.1a protocol stack;B/S mode

项目来源:贵州省科技厅项目基金(黔科合LH字[2014]7628);贵州省科技厅项目基金(黔科合J字[2012]2171);贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2016]124);贵州大学研究生创新基金项目(研理工2017012)

2016-09-22 修改日期:2016-10-29

TP393;TN92

A

1004-1699(2017)03-0477-07

C:7210G;6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.024