无线测温技术的发展与应用

甘如华，郝 倩，曹韦瑜，成 兵，汪建民

（1.武汉钢铁股份有限公司炼铁总厂，湖北 武汉 430080；2.北京工业大学，北京 100124；3.武汉蜂网科技公司，湖北 武汉 430083；4.武汉昊海立德科技有限公司，湖北 武汉 430080）

一、低功耗无线测温系统概述

微电子技术的进步推动了低功耗多功能传感器技术的快速发展。其中的一个主流研究方向就是无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）。它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送至中控室。

当前，很多无线测温系统采用红外或蓝牙等进行数据传输，但红外技术传播有方向性且距离短，同时要求设备相对固定，另外无法辨识所测温度为空气温度还是所测介质温度，测量结果波动较大，不利于系统控制；蓝牙技术复杂且功耗大，不宜在各测量点运用。目前，如何高效使用能量来最大化节点的生命周期是一个问题。动态电源管理、动态电压调节技术是开发测温节点常用的方法。节点处理器和传感器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，因此无线通信模块必须大部分时间处于空闲状态。在节点的低功耗设计方面，运用CMOS技术开发的节点，接收和发送的功耗可以降到毫瓦级。对于现有的各种无线通信技术，Zig Bee(紫蜂)短程无线通信技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，工作在2.4GHz公用频段，采用调频技术，具有很强的抗干扰特性。Zig Bee网络的容量大，能同时最多支持65 535个网络节点。强大的组网能力能自动构建星状网络(Star)、簇状网络(Cluster)以及网状网络(Mesh)。它主要为工业现场自动化控制数据传输而建立，其结构简单、使用方便、工作可靠、价格低廉。在低耗电待机模式下，两节5号干电池可支持一个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙仅能工作数周，WiFi则仅可工作数小时。基于以上优点，一般选用Zig Bee来完成无线网络的建立。

二、系统构成

1.硬件部分

无线传感器网络的硬件通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。在构建无线网络方面有两种选择，其一是利用已经存在的通信公用网，如公用蜂窝网，这种方式通常采用无线短程网采集数据，再通过无线网络及有线网络的网关送入上位计算机存储和处理。其二是建立一个个人的无线网络，如低功耗低速率的无线网络协议IEEE802.15.4，Zig Bee技术就基于此无线通信协议。常见无线测温系统如图1所示。

另外，形成完整网络应用所需要的定位技术、时间同步技术、无线电跳频扩频技术、时分多址控制技术、数据管理技术以及数据融合技术是系统实现的支撑技术，而跟踪系统和监测系统的软硬件研究平台则是系统实现的应用技术。

2.软件部分

软件上对Zig Bee协议栈（如图2所示）进行配置，构成结构简单、功耗低的星型网络,即一个网络协调器和若干个从机模块。与PC机相连的模块作为网络协调器，它的主要任务有两个：（1）负责组织无线网络，即自动搜寻网络中的从机节点，并给从机分配网络ID号；（2）从从机节点取得PC主机需要的数据，实现无线网络与PC机之间的通信。从机模块即为与温度传感器相连的Zig Bee模块，一个从机模块可以根据需要连接多个测温探头或温度传感器。

图2 Zig Bee协议栈结构

三、多路无线测温系统概述

多处测温费时费力，且不便于实现控制。多路无线测温系统是解决此问题的一种方案，工作人员在一个地方就能够测量到多处异地的温度。接收范围大于80m，常温测量精度小于±0.5℃，电路设有警戒温度自动闪烁报警功能。该解决方案省时省力，测量方便，易于和其他装置连接，实现系统自动控制。

多路无线测温与单路测温的根本区别在于每只发射机都包含有定时自动测温发射功能。每只发射机在不需要自己测温发射的时候处于关闭状态。到了自己的测温发射时间就自动开启发射。这样，各发射机之间的测温发射时间可以相互错开，实现了多路测温的可能性。各发射机除测温发射时间设定不同外，其他各参数全部相同。这样，一只接收机就可以接收到多只发射机发送来的信号，只是在不同的时间内接收到的是不同的发射机发送来的信号。综合考虑设备成本和抗干扰性能，采用频率作为系统的无线传送信号。所以，每只发射机在其工作的时间内，要把自己测到的温度信号转换成对应的频率去调制载波，并发射到空中。而接收机把接收下来的信号解调后，一路把频率转换成对应的电压去驱动显示电路，另一路直接送给报警电路，由报警电路根据预先设定的警戒温度(频率)决定是否需要报警。

合理设计监测网络的拓扑结构可以进一步增加网络的容量与覆盖范围，使系统具有功耗低、结构简单、通信效率高、抗干扰性强、稳定性好的特点，可广泛应用于环境比较复杂的检测场所和自动控制领域。针对目前工业现场对功耗、成本以及无线网络的要求,低功耗无线测温系统是该领域的一个发展趋势。

四、应用实例

将无线测温技术应用于炼钢高炉齿轮箱的测温中，具体实施方案如图3所示。该高炉无线测温系统用于检测大型机械设备温度的无线测温装置放置于冷轧卷曲机上，此处在高温时极易出现润滑失效，导致机械设备故障。监测该处的实时温度，可实现对故障的预知诊断，防止事故的发生，保证现场的安全生产。

图3 无线测温实际应用示意图

无线测温系统完成数据采集后，在计算机上安装数据采集软件就可以远程读取机械设备的温度信息，在软件界面上可以实时监测设备的温度状态，显示设备测点处准确的温度数值，真正做到了远距离无线测温。当被测点温度超过预先设定的阈值时，就发出红色报警信号，及时提醒有关人员采取相应的措施，实现现场温度的实时监测和预警。

五、结论

无线测温技术在工业中的应用越来越多。温度指标也成为工业测量领域的一个重要数据。在工程设计和实践中，应结合工程实际采用适合的测温方案，准确的记录各类机械设备的运行状况，保证工业系统的安全运行。

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