CN103335737A - 基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，包含监控中心和多个无线传感器网络节点，本发明还提供应用该系统进行窑温控制的操作方法，该方法是组建网络，采用无线信道通信，通过温度传感器模块采集温度参量发送至网关节点；网关节点将数据打包后通过串口发到本地监测中心，监测中心经过对数据分析、提取，绘制窑内温度三维立体图，监控中心还负责将数据与设定阈值进行比较判定是否报警，及将数据存储到数据库中。远程监控中心通过因特网访问本地监控中心获得瓷窑温度数据。本系统节点采用模块化设计便于维护和更换。本发明适用于监测瓷窑温度，能将窑温数据转换为温度分布立体图，使窑温可清晰观察，可提高窑瓷烧制的成功率。

Description

基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，具体地说涉及一种适用于分布式钧瓷窑温环境参数的在线监控系统及温度控制的方法，属于智能监控领域。

背景技术

当前智能监控系统设计在国际上备受关注，涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了智能控制系统发展。智能控制系统具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

温度控制是现代控制技术的一大重要组成部分，许多物理化学反应过程都和温度有着密切关系。钧瓷高温窑是温度控制需求较高的地方，自古便有“神仙烧窑红，十窑九不成”之说，就是用来描述钧瓷烧制难度之大。钧瓷器物上呈现的窑变色泽，不仅受原料、燃料、釉料等内在条件的影响，还受温度、风向、气候等外界自然条件的影响，其中尤其对温度要求甚高，以往烧制钧瓷多是人为凭借烧制经验来调节温度，烧制成功率不高，如果能够将最佳的经验温度数据加以保存，在后续的烧制中，由设备自动调节实际温度，让其不断逼近最佳经验温度，实现钧瓷窑温的实时监控，就可以大大提高钧瓷烧制的成功率。

近年来，无线传感网络技术正在蓬勃发展，将无线传感器网络技术应用于环境监测是热点之一，由于无线传感器网络的自组织特性和节点设计的微型化、低成本和低功耗，将无线传感器网络技术应用于钧瓷窑温环境数据采集中，可以实现对环境中温度参量的多点同时采集，能够更好的监测整个瓷窑各点的温度变化趋势，从而很好的控制窑瓷烧制过程中的温度值，提高窑瓷烧制的成功率，实现钧瓷烧制的科学化管理。

发明内容

本发明的目的是针对现有陶瓷烧制过程中温度参量监测技术的不足，而提供一种多点监测、组网灵活的基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统及温度控制的方法，实现陶瓷窑烧制过程中温度监测和智能调整与控制。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，包含监控中心和多个无线传感器网络节点，所述的监控中心由本地监控中心与远程监控中心组成，本地监控中心通过因特网与远程监控中心连接；所述的无线传感器网络节点分为温度传感器节点、路由器节点和网关节点，节点之间相互连接组成无线传感器网络，多个无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，用于完成温度数据的采集和发送，并根据设定温度值调节窑内温度；路由器节点用于完成路由寻址功能；网关节点负责收集各温度传感器节点发送来的温度数据，并将收集到的温度数据发送给监控中心，还负责从监控中心获得数据采集命令；并将监控中心的命令发送给各个节点；本地监控中心接收网关节点传送的网络温度数据包，完成对窑温的监控，及通过分析网关节点发送的数据包实时地绘制窑内温度三维分布图。

本发明所述的温度传感器节点由温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块组成，温度传感器功能模块由热电偶和信号处理电路组成；温度传感器节点的控制与通信模块由AD转换电路、温控驱动电路、主处理器模块和无线通信模块组成，温控驱动电路的输出连接到温控设备，无线通信模块的输出信号连接到天线，同时无线通信电路可接收和解析来自天线的信号；电源模块由电池和直流变压电路组成，为温度传感器功能模块和控制与通信模块供电。

本发明所述的路由器节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由主处理器模块和无线通信模块组成，无线通信模块的输出信号连接到天线，同时无线通信模块可接收和解析来自天线的信号；电源模块由电池和直流变压电路组成，为控制与通信模块供电。

本发明所述的网关节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由无线通信模块、主处理器模块和串口通信模块组成，无线通信模块连接天线，串口通信模块连接本地监控中心；电源模块由电池和直流变压电路组成，为控制与通信模块供电。

本发明还提供一种应用上述基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统的温度控制方法，按如下步骤操作；

第一步、监测区域节点的自组网：将温度传感器节点、路由器节点和网关节点之间采用ZigBee协议组建无线传感器网络，组网步骤为：网关节点上电后，首先扫描信道，找出建立网络的最佳信道，然后选择一个PANID作为这个网络的网络标识，网络建立成功后开始侦听信道；温度传感器节点和路由器节点上电后发送请求加入网络数据帧，网关节点接收到数据帧后允许温度传感器节点和路由器节点加入网络，并为节点分配一个16位的网内通信地址；

第二步、温度传感器节点中的主处理器模块接收到网关节点的采样命令后，通过热电偶采集瓷窑温度，采集的温度信号经过AD转换电路之后送至主处理器模块，将温度信号转换为对应的数字温度值，同时温度传感器节点中的主处理器将收到的温度值与预设温度阀值范围进行比较，若温度值在阀值范围内，则将温度值打包成单节点网络温度数据包，送至无线通信模块通过天线发送给网关节点；若温度值不在阀值范围内，则通过温度调节处理电路控制温控设备调节窑内温度值；如果温度传感器节点不能直接跟网关节点通信，就要通过监测区域的路由器节点以多跳方式传送给网关节点；

第三步、网关节点将接收到不同的温度传感器节点的单节点网络温度数据包进行整合，打包成网络温度数据包，通过串口将网络温度数据包传输给本地监控中心；

第四步、安装于本地监控中心计算机上的数据监控软件接收网关节点网络温度数据包，对接收到的数据进行解析，提取后将数据存储于本地监控中心计算机数据库中，同时使用新数据更新三维温度图像，并将接收到的温度数据与设定阈值进行比较，若超出阈值范围就发报警提示；通过访问数据库查询瓷窑历史温度数据；本地监控中心软件通过向网关节点发送采样频率设置命令更新温度传感器节点采样频率；本地监控中心还根据远程监控中心的数据请求将数据包转发给远程监控中心；

第五步、安装于远程监控中心计算机上的数据监控软件通过因特网访问本地监控中心计算机，通过发送请求命令获取本地计算机上的温度数据，并绘制三维温度图像。

本发明的分布式钧瓷窑温监测系统及温度控制方法具有如下优点：

1本发明的分布式钧瓷窑温监测系统，能够监测瓷窑烧制过程中整个瓷窑烧制环境中多点的温度参量，使用拟合的方式实时绘制出瓷窑各点温度分布三维图，同时温度传感节点可以根据预设温度阈值范围来调整瓷窑温度，实现科学烧瓷、智能烧瓷。

2．本发明中监测系统设计科学，节点采用模块化设计便于维护和更换。采用本发明的监测系统和温度控制方法用于监控瓷窑温度，能将窑温数据实时转换为温度分布立体图，能够清晰观察瓷窑内温度分布状况，便于进行窑温控制，可为钧瓷烧制环境的分析与控制提供技术手段，本发明适用于对温度要求苛刻的瓷窑环境，可提高窑瓷烧制的成功率。

附图说明

图1为一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统结构示意框图。

图2为本发明监测系统中的温度传感节点结构框图。

图3为本发明监测系统中的路由器节点结构框图。

图4为本发明监测系统中的网关节点结构框图。

图5为本发明的温度传感节点工作流程图。

图6为本发明的网关节点工作流程图。

图7为本地监控中心工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：本发明的一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，其整体结构如图1所示，包含本地监控中心与远程监控中心和多个无线传感器网络节点，本地监控中心通过因特网与远程监控中心连接；所述的无线传感器网路节点分为温度传感器节点、路由器节点和网关节点，节点之间相互连接组成无线传感器网络，多个无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，网关节点通过串口线与本地监控中心连接；本地监控中心接收网关节点传送的网络温度数据包，通过分析数据包实时地绘制瓷窑温度三维分布图。

本监测系统中温度传感器节点结构如图2所示。温度传感器节点也称为终端节点，由温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块组成。温度传感器功能模块由热电偶和信号调理电路组成，其中热电偶选择窑炉专用S型高温铂铑热电偶，信号调理电路主要负责将热电偶输出的小信号转换为可供AD转换模块采集的电压信号，主要使用差分放大方式实现。本发明的监测范围为窑瓷烧制温度环境。温度传感器节点中的热电偶的感温部分固定在瓷窑的内部，通过引线连接到温度传感器模块，温度传感器节点的个数可以根据瓷窑的大小来确定。

温度传感器节点的控制与通信模块由AD转换电路、温控驱动电路、主处理器模块和无线通信模块组成，控制与通信模块是温度传感器节点模块的核心部分，其中主处理器使用TI公司的第二代ZigBee芯片CC2530，该款芯片拥有业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。完全支持ZigBee协议体系结构，硬件上支持CSMA/CD功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。本发明使用CC2530F32/256版本，具有256KB的闪存，足够容纳完整的ZigBee无线协议栈和用户代码。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，此外该款芯片还有21个可编程IO引脚，两个可编程的USART用于主/从SPI或UART，内部包含专用的射频通信模块，通过两个引脚连接到外部天线实现无线信号的收发功能，同时内部还包含ADC模块，支持14位模数转换，具有多达12位的ENOB，包含一个模拟多路转换器，具有多达8个可配置通道，以及一个参考电压发生器，转换结果通过DMA存储器。

控制与通信模块中AD转换使用芯片内部自带的AD，将信号调理电路输出的模拟电压值转换为数值电压值，送交主处理器。主处理器将AD输出的数字电压值通过分析处理转换为相应的温度值，首先将该温度值与预设值进行比较，根据比较结果来控制温控驱动电路，然后将该温度值打包成单节点网络温度数据包通过无线通信模块处理后送至天线发送出去。电源模块使用3.7V的锂电池供电，通过电压转换电路转换为3.3V供控制与通信模块和温度传感器功能模块使用。

本监测系统中路由器节点结构如图3所示。路由器节点负责多跳转发温度传感器节点发送到网关节点的数据包。由于温度传感器节点的通信距离有限，在监测区域可以根据一定的网络拓扑结果布置固定的路由器节点保证网内通信链路的畅通，减少数据丢包的发生。路由器节点由电源模块和控制与通信模块组成，相比与温度传感器节点模块只减少了温度传感器功能模块，其他模块与温度传感器节点模块相同。

本监测系统中网关节点的结构参见图4，网关节点由控制与通信模块和电源模块组成。控制与通信模块由无线通信模块、主处理器模块和串口通信模块组成，无线通信模块连接天线。控制与通信模块同样选用CC2530芯片。串口通信模块采用RS232电平转换芯片MAX3232，将3.3V的电平信号转换为±12V的RS232电平信号，从而可以通过电缆与本地计算机的串口直接相连。

本监测系统中的监控中心，主要负责将网关节点传送来的数据包进行分析解包处理，并将接收到的数据存储在本地计算机的数据库中，同时使用接收到的各个节点是数据绘制瓷窑内部温度三维图像，监控中心计算机上的软件选用C#和Microsoft SQL Server 2008来完成。

本发明应用上述基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统的温度控制方法，其温度控制的方法按如下步骤进行：

第一步、监测区域节点的自组网，其过程是：

本监测系统的三种类型节点的主处理器中都内嵌有ZigBee协议栈，使用ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0协议栈版本，协议栈使用C语言编写。根据被监测环境的实际情况，本监测系统使用星星网络拓扑结构，在ZigBee网络中，只有网关节点才有组建网络的权利，网关节点在整个网络中担任网关的角色。网络组建过程如下：

网关节点组建网络：网关节点上电后，首先对信道进行能力扫描，找出符合条件的信道，之后进行主动扫描，找出最符合要求的信道，在该信道上组建网络，并为网络分配PANID，然后处于侦听信道的状态，等待温度传感器节点和路由器节点加入网络。

节点加入网络：温度传感器节点和路由器节点上电后，首先发送请求加入网络数据帧，网关节点接收到数据帧后允许温度传感器节点和路由器节点加入网络，并为节点分配一个16位的网内通信地址；节点收到允许加入网络数据帧后，使用该数据帧的数据修改自身MAC属性，加入网络成功。若温度传感器节点不能直接加入网络，还可以通过附近的路由器节点加入网络。温度传感器节点、路由器节点和网关节点，三种类型各节点之间通过通过无线信道进行通信，通信频率选用全球公开的免费无线频段--2.4G频段，使用ZigBee技术组建无线传感器网络。

第二步、温度传感器模块的主处理器接收网关节点发送来的采样命令，采集温度参量后直接发送或通过路由器节点多跳发送至网关节点处理；对于具体的某一温度传感器节点，其承担该监测点的温度数据采集和传送工作，其工作流程如图5所示：

①初始化并加入网络；

②等待主处理器接收网关节点发送来的采样命令；

③如果有系统命令到来，首先判断该命令是不是数据采集命令，是，则进行数据采集，否，则做相应处理后转到第②步；

④启动AD转换程序，将经过信号调理电路后的温度数据转变为数字信号；

⑤判断AD转换是否完成，未完成就等待其转换完成，转换完成后将信号发送到主处理器；

⑥主处理器对该数字信号进行处理后，将其转换为相应的温度值，并将该温度值与预设值进行比较，根据比较结果来控制温度调节设备进行温度调节处理；

⑦主处理器将该温度值打包成单节点网络温度数据包，并通过无线通信模块发送给网关节点；数据包发送完成，转向第②步。

为降低节点的功耗，在节点发送完数据包后，使节点进入低功耗模式，从而延长节点的工作时间。

第三步、网关节点接收所有网内温度传感器节点发送的数据，将多个单节点的温度数据打包成网络数据包通过串口发送到本地监测中心计算机上。

网关节点是整个系统的枢纽，向下负责收集各温度传感器节点发送来的温度数据，并发送控制中心的采集命令给各个节点；向上负责将收集到的温度数据发送给监控中心，并从监控中心获得数据采集命令。网关节点的工作流程如图6所示。

⑴初始化并组建网络，连接本地监控中心；

⑵向温度传感器节点广播发送数据采集命令；

⑶等待和接收网内所有温度传感器节点模块发送的单节点网络温度数据包；

⑷将接收到的所有单节点网络温度数据包进行整合，重新打包成网络温度数据包，通过串口发送给本地监控中心；

⑸等待接收和处理来自本地监控中心的采集命令，同时，若下一个采样时间到来，就转到步骤⑵。

第四步、安装于本地监测中心计算机上的数据监控软件负责对接收的数据进行分析、提取，然后根据数据来绘制窑内温度三维立体图，并将数据与设定阈值进行比较以决定是否报警，同时将数据存储、更新到本地计算机的数据库中。监控中心软件工作流程如图7所示。

⑴通过本地监测中心计算机上的串口与网关节点建立通信连接；

⑵接收网关节点发送的温度数据包；

⑶解析数据包，对数据进行提取，将数据以节点为单位存储到本地计算机的数据库中；

⑷使用解析出来的数据包中的数据更新温度三维图像；

⑸将本次收到的数据与阈值数据进行比较，判断数据是否在阈值范围内，若超出阈值范围，给出报警提示；未超出阈值范围，进入下一步；

⑹判断是否接收到用户命令，若接收到，则执行用户命令，转到步骤⑵，用户命令包括数据采集、阈值设定。

第五步、远程监控中心可以通过因特网访问本地监控中心的数据库来获得瓷窑温度数据。

本发明中监测系统设计科学，节点采用模块化设计便于维护和更换。本发明的方法用于监测瓷窑温度，能将窑温数据转换为温度分布立体图，使窑温可清晰观察，可提高窑瓷烧制的成功率。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，包含监控中心和多个无线传感器网络节点，其特征在于：所述的监控中心由本地监控中心与远程监控中心组成，本地监控中心通过因特网与远程监控中心连接；所述的无线传感器网络节点分为温度传感器节点、路由器节点和网关节点，节点之间相互连接组成无线传感器网络，多个无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，用于完成温度数据的采集和发送，并根据设定温度值调节窑内温度；路由器节点用于完成路由寻址功能；网关节点负责收集各温度传感器节点发送来的温度数据，并将收集到的温度数据发送给监控中心，还负责从监控中心获得数据采集命令；并将监控中心的命令发送给各个节点；本地监控中心接收网关节点传送的网络温度数据包，完成对窑温的监控，及通过分析网关节点发送的数据包实时地绘制窑内温度三维分布图。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，其特征在于：所述的温度传感器节点由温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块组成，温度传感器功能模块由热电偶和信号处理电路组成；温度传感器节点的控制与通信模块由AD转换电路、温控驱动电路、主处理器模块和无线通信模块组成，温控驱动电路的输出连接到温控设备，无线通信模块的输出信号连接到天线，同时无线通信电路可接收和解析来自天线的信号；电源模块由电池和直流变压电路组成，为温度传感器功能模块和控制与通信模块供电。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，其特征在于：所述的路由器节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由主处理器模块和无线通信模块组成，无线通信模块的输出信号连接到天线，同时无线通信模块可接收和解析来自天线的信号；电源模块由电池和直流变压电路组成，为控制与通信模块供电。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，其特征在于：所述的网关节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由无线通信模块、主处理器模块和串口通信模块组成，无线通信模块连接天线，串口通信模块连接本地监控中心；电源模块由电池和直流变压电路组成，为控制与通信模块供电。

5.一种应用权利要求1所述的基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统的温度控制方法，其特征在于：按如下步骤操作；

第一步、监测区域节点的自组网：将温度传感器节点、路由器节点和网关节点之间采用ZigBee协议组建无线传感器网络，组网步骤为：网关节点上电后，首先扫描信道，找出建立网络的最佳信道，然后选择一个PANID作为这个网络的网络标识，网络建立成功后开始侦听信道；温度传感器节点和路由器节点上电后发送请求加入网络数据帧，网关节点接收到数据帧后允许温度传感器节点和路由器节点加入网络，并为节点分配一个16位的网内通信地址；

第二步、温度传感器节点中的主处理器模块接收到网关节点的采样命令后，通过热电偶采集瓷窑温度，采集的温度信号经过AD转换电路之后送至主处理器模块，将温度信号转换为对应的数字温度值，同时温度传感器节点中的主处理器将收到的温度值与预设温度阀值范围进行比较，若温度值在阀值范围内，则将温度值打包成单节点网络温度数据包，送至无线通信模块通过天线发送给网关节点；若温度值不在阀值范围内，则通过温度调节处理电路控制温控设备调节窑内温度值；如果温度传感器节点不能直接跟网关节点通信，就要通过监测区域的路由器节点以多跳方式传送给网关节点；

第三步、网关节点将接收到不同的温度传感器节点的单节点网络温度数据包进行整合，打包成网络温度数据包，通过串口将网络温度数据包传输给本地监控中心；

第四步、安装于本地监控中心计算机上的数据监控软件接收网关节点网络温度数据包，对接收到的数据进行解析，提取后将数据存储于本地监控中心计算机数据库中，同时使用新数据更新三维温度图像，并将接收到的温度数据与设定阈值进行比较，若超出阈值范围就发报警提示；通过访问数据库查询瓷窑历史温度数据；本地监控中心软件通过向网关节点发送采样频率设置命令更新温度传感器节点采样频率；本地监控中心还根据远程监控中心的数据请求将数据包转发给远程监控中心；

第五步、安装于远程监控中心计算机上的数据监控软件通过因特网访问本地监控中心计算机，通过发送请求命令获取本地计算机上的温度数据，并绘制三维温度图像。

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