基于無線傳感器的瓦楞原紙溫度監控系統設計

劉 莉，邢 華

(燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島066004)

0 引 言

對于瓦楞原紙的生產過程而言，溫度是影響瓦楞紙質量的一個至關重要的因素。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 ℃，這樣能生產出高質量的瓦楞紙。如果原紙的溫度過高，原紙的水分會大幅度失去，輕者或發生斷紙降低生成效率，或產生碎楞致使產品作廢，重者還會因使原紙具有超高的溫度而燃燒，引起火災。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，生產出劣質品。為了生產出高質量的瓦楞紙，不浪費材料資源，需要對進入單面機的原紙溫度進行監控，隨時獲悉原紙溫度情況，保證生產過程的順利［1］。

原紙通過烘缸進行加熱，周圍環境溫度較高，長期處在高溫環境中，線路和儀器各種設備的耗損會比較大，并且高溫也會對其工作性能產生負面影響。無線傳感器網絡技術是當今的前沿技術，而且發展的越來越成熟，在工業生產當中的應用也越來越廣泛［2］，尤其是在監控系統中，其具有微型化、容錯性、高靈活性、節省布線等優點［3，4］。本文設計了基于無線溫度傳感器的原紙溫度監控系統，實現對原紙溫度的實時監控。

1 系統工作原理

系統設計采用CC2530 芯片，數據采集模塊為紅外溫度傳感器，通過放大電路與CC2530 的A/D 轉換口連接，此外還有電源模塊和復位電路模塊。CC2530 具有無線通信功能，能收發無線信號，通過串行通信接口連接本地控制PLC，最后溫度數據傳送到監控計算機。系統工作原理如圖1 所示。

2 系統硬件設計

2.1 外圍電路

圖1 系統工作原理圖Fig 1 Working principle diagram of system

本系統選用的CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內具有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議，有12 位分辨率的可配置的A/D 轉換器和8 路輸入，21 個通用GPIO 口［5，6］。CC2530 能根據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 引腳所接電路為復位電路，如圖3 所示。

圖3 復位電路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 電源轉換為3.3 V 為電路供電。AMS1117 是一個正向低壓降穩壓器，內部集成過熱保護和限流電路，有固定輸出版本和可調版本，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

監控系統具有瓦楞原紙運動速度快，環境溫度高、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，在此監控系統中采用了具有非接觸式測溫功能的紅外溫度傳感器SMTIR9902SIL，能夠不破壞測溫現場，響應速度快，非常適合運動著的原紙溫度的監測。

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，輸出電壓可調版本，輸出電壓的計算公式如下

其中，VREF=1.25 V，IAQDJ=60 μA。

根據計算公式，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，實現基本數據的傳送，也能用于控制調制解調器。本系統用到的引腳有5 根，分別為RXD，TXD，RTS，CTS 和GND，它們的功能分別為接收數據、發送數據、請求發送、清除發送和信號地。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點的軟件設計

傳感器節點在監測系統中的作用是加入網絡、采集溫度數據和發送數據。節點上電后，首先進行系統的初始化，包括硬件的初始化和協議棧的初始化。之后請求加入網絡，入網成功后，會循環查詢是否有事件發生，有溫度采集事件發生，則節點進行數據的采集，然后將采集的數據發送出去，直到發送成功為止。程序流程如圖7 所示。

圖6 串口電路Fig 6 Serial port circuit

圖7 傳感器節點流程圖Fig 7 Flow chart of sensor nodes

3.2 協調器節點的軟件設計

協調器節點在監測系統的作用是建立網絡、允許子節點的加入、接收數據以及將數據傳送到上位機。節點上電后，首先進行的也是系統的初始化，即硬件的初始化和協議棧的初始化。之后建立網絡，建網成功后，同意請求的子節點加入網絡，接收數據，直到數據接收成功，將其打包傳送到上位機。程序流程如圖8 所示。

4 實驗測試

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

實驗結果表明:該溫度監控系統運行穩定，溫度指示比較平穩，可以實現生產出高質量瓦楞紙的目標要求。

5 結束語

圖8 協調器節點流程圖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絡技術應用到了瓦楞原紙溫度的監控系統中，實現對原紙溫度的監控，保障了生產高質量高效率地進行。通過在生產車間的實驗測試，證明了監測系統具有可靠性，能夠在生產車間中穩定運行，并且此監測系統具有結構簡單、節省布線、測量精度高、功耗低以及成本低廉等優勢，無線傳感器網絡技術應用到生產中將是未來工業的發展趨勢。

［1］ 葉建美.基于PLC 的瓦楞原紙模糊PID 溫度控制系統的設計與應用［D］.杭州:浙江工業大學，2009.

［2］ 許家棟，張斌珍，王瑋冰，等.一種基于無線傳感器網絡的車間多參數監測系統［J］.傳感器與微系統，2013，32(10):96－109.

［3］ 龔發根，汪 煒，秦 拯.基于Zig Bee 無線傳感器網絡的工業廢氣監控系統［J］.傳感器與微系統，2011，30(1):86－89.

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

［5］ 李新慧，俞阿龍，潘 苗.基于CC2530 的水產養殖監控系統的設計［J］.傳感器與微系統，2013，32(3):85－88.

［6］ 劉 慧，王 鳴.基于CC2530 的溫度監測系統設計［J］.工業控制計算機，2012，25(4):49－50.