基于無線傳感器的瓦楞原紙溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 莉，邢 華

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島066004)

0 引 言

對于瓦楞原紙的生產(chǎn)過程而言，溫度是影響瓦楞紙質(zhì)量的一個至關(guān)重要的因素。原紙在進入單面機形成瓦楞之前，需要對原紙溫度加熱到一定的溫度，進入單面機的原紙最好能有70～90 ℃，這樣能生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙。如果原紙的溫度過高，原紙的水分會大幅度失去，輕者或發(fā)生斷紙降低生成效率，或產(chǎn)生碎楞致使產(chǎn)品作廢，重者還會因使原紙具有超高的溫度而燃燒，引起火災(zāi)。而當原紙溫度過低達不到需求溫度時，紙板將不能良好的粘合，生產(chǎn)出劣質(zhì)品。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙，不浪費材料資源，需要對進入單面機的原紙溫度進行監(jiān)控，隨時獲悉原紙溫度情況，保證生產(chǎn)過程的順利［1］。

原紙通過烘缸進行加熱，周圍環(huán)境溫度較高，長期處在高溫環(huán)境中，線路和儀器各種設(shè)備的耗損會比較大，并且高溫也會對其工作性能產(chǎn)生負面影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當今的前沿技術(shù)，而且發(fā)展的越來越成熟，在工業(yè)生產(chǎn)當中的應(yīng)用也越來越廣泛［2］，尤其是在監(jiān)控系統(tǒng)中，其具有微型化、容錯性、高靈活性、節(jié)省布線等優(yōu)點［3，4］。本文設(shè)計了基于無線溫度傳感器的原紙溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對原紙溫度的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)設(shè)計采用CC2530 芯片，數(shù)據(jù)采集模塊為紅外溫度傳感器，通過放大電路與CC2530 的A/D 轉(zhuǎn)換口連接，此外還有電源模塊和復(fù)位電路模塊。CC2530 具有無線通信功能，能收發(fā)無線信號，通過串行通信接口連接本地控制PLC，最后溫度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控計算機。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 外圍電路

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig 1 Working principle diagram of system

本系統(tǒng)選用的CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)具有128 kB可編程閃存，8 kBRAM等功能。2 個USART，可支持多種串行通信協(xié)議，有12 位分辨率的可配置的A/D 轉(zhuǎn)換器和8 路輸入，21 個通用GPIO 口［5，6］。CC2530 能根據(jù)需要切換不同的運行模式，具備低能耗、較強的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz 晶體等非常少的外圍電路就可以工作。外圍電路如圖2 所示。

圖2 外圍電路Fig 2 Peripheral circuit

其中，20 引腳所接電路為復(fù)位電路，如圖3 所示。

圖3 復(fù)位電路Fig 3 Reset circuit

2.2 電源模塊

電源電路如圖4 所示，采用AMS1117—3.3 芯片將常見的5 V 電源轉(zhuǎn)換為3.3 V 為電路供電。AMS1117 是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，有固定輸出版本和可調(diào)版本，此處采用的是固定輸出3.3V 的版本，電路接線非常簡單。

圖4 電源電路Fig 4 Power circuit

2.3 傳感器模塊

監(jiān)控系統(tǒng)具有瓦楞原紙運動速度快，環(huán)境溫度高、灰塵多等特點，采用接觸式測溫傳感器，觸碰紙張會引起紙張變形損壞等后果，因此，在此監(jiān)控系統(tǒng)中采用了具有非接觸式測溫功能的紅外溫度傳感器SMTIR9902SIL，能夠不破壞測溫現(xiàn)場，響應(yīng)速度快，非常適合運動著的原紙溫度的監(jiān)測。

SMTIR9902SIL 紅外溫度傳感器是熱點堆型紅外傳感器，具有高精度、高敏感度、低阻抗等特點，有非常好的信噪比，響應(yīng)時間小于40 ms，可達到0.5%的精度。紅外溫度傳感器和放大電路如圖5 所示。

圖5 傳感器和放大電路Fig 5 Sensor and amplifying circuit

其中用到了AMS1117—ADJ 芯片，輸出電壓可調(diào)版本，輸出電壓的計算公式如下

其中，VREF=1.25 V，IAQDJ=60 μA。

根據(jù)計算公式，為得到2 V 的輸出電壓，取R3=820 Ω，R4=470 Ω。

2.4 串行通信接口電路

串行通信接口實現(xiàn)單片機與本地控制PLC 的連接，如圖6 所示。采用SP3232 芯片，串口采用常用的RS—232 接口，RS—232 有9 根引腳，實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的傳送，也能用于控制調(diào)制解調(diào)器。本系統(tǒng)用到的引腳有5 根，分別為RXD，TXD，RTS，CTS 和GND，它們的功能分別為接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、請求發(fā)送、清除發(fā)送和信號地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點在監(jiān)測系統(tǒng)中的作用是加入網(wǎng)絡(luò)、采集溫度數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)的初始化，包括硬件的初始化和協(xié)議棧的初始化。之后請求加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，會循環(huán)查詢是否有事件發(fā)生，有溫度采集事件發(fā)生，則節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到發(fā)送成功為止。程序流程如圖7 所示。

圖6 串口電路Fig 6 Serial port circuit

圖7 傳感器節(jié)點流程圖Fig 7 Flow chart of sensor nodes

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點在監(jiān)測系統(tǒng)的作用是建立網(wǎng)絡(luò)、允許子節(jié)點的加入、接收數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳送到上位機。節(jié)點上電后，首先進行的也是系統(tǒng)的初始化，即硬件的初始化和協(xié)議棧的初始化。之后建立網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后，同意請求的子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)接收成功，將其打包傳送到上位機。程序流程如圖8 所示。

4 實驗測試

本監(jiān)測系統(tǒng)借助造紙廠車間進行實驗，放置了3 個傳感器節(jié)點，進行了為期3 天的實驗測試。為保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的瓦楞紙，車間原紙溫控系統(tǒng)將理想的原紙溫度設(shè)置為了80 ℃，隨機選取了90 min 記錄的溫度，其曲線圖如圖9所示。

實驗結(jié)果表明:該溫度監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，溫度指示比較平穩(wěn)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)出高質(zhì)量瓦楞紙的目標要求。

5 結(jié)束語

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖Fig 8 Flow chart of coordinator nodes

圖9 溫度曲線Fig 9 Temperature curve

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了瓦楞原紙溫度的監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對原紙溫度的監(jiān)控，保障了生產(chǎn)高質(zhì)量高效率地進行。通過在生產(chǎn)車間的實驗測試，證明了監(jiān)測系統(tǒng)具有可靠性，能夠在生產(chǎn)車間中穩(wěn)定運行，并且此監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省布線、測量精度高、功耗低以及成本低廉等優(yōu)勢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中將是未來工業(yè)的發(fā)展趨勢。

［1］ 葉建美.基于PLC 的瓦楞原紙模糊PID 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［2］ 許家棟，張斌珍，王瑋冰，等.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車間多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(10):96－109.

［3］ 龔發(fā)根，汪 煒，秦 拯.基于Zig Bee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(1):86－89.

［4］ 安 璐，丁恩杰，李曙俏.基于Zig Bee 的采空區(qū)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(4):96－98.

［5］ 李新慧，俞阿龍，潘 苗.基于CC2530 的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3):85－88.

［6］ 劉 慧，王 鳴.基于CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2012，25(4):49－50.