CN103561046A - 基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统及方法，其中系统包括无线传感器网络节点和本地监控中心，无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，包括温度传感器终端节点、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；网关节点从本地监控中心获取数据采集指令；温度传感器终端节点根据数据采集指令采集瓷窑的温度值；网关节点将接收的网络温度数据包发送给本地监控中心；本地监控中心解析网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图。本发明适用于对温度要求苛刻的瓷窑环境，可以实现实时在线监测，可为钧瓷烧制环境的分析与控制提供技术手段，实现科学烧瓷，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及方法

技术领域

本发明属于智能监控领域，主要涉及适用于分布式钧瓷窑温环境参数的在线监控系统与方法。 

背景技术

智能监控系统设计是当前在国际上备受关注的、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。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个点的温度变化趋势，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

本发明要解决的技术问题在于针对现有陶瓷烧制过程中温度参量监测技术的不足，为陶瓷烧制窑过程中温度控制提供了一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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，包括无线传感器网络节点和本地监控中心，所述无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，包括温度传感器终端节点、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，所述网关节点通过串口线与所述本地监控中心连接；

所述网关节点从所述本地监控中心获取数据采集指令，并直接或者通过所述路由传感器节点向所述温度传感器终端节点广播所述数据采集指令；

所述温度传感器终端节点根据所述数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过所述路由器节点发送给所述网关节点；

所述网关节点将接收的网络温度数据包发送给所述本地监控中心；

所述本地监控中心解析所述网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图，并将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。

本发明所述的系统中，该系统还包括远程监控中心，所述监控中心通过因特网与远程监控中心连接。

本发明所述的系统中，所述温度传感器终端节点包括温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块；

所述温度传感器功能模块包括热电偶和信号调理电路；所述信号调理电路将所述热电偶输出的信号转换为可供模数转换电路采集的模拟电压信号；

所述控制与通信模块包括模数转换电路、温控驱动电路、主处理器、无线通信电路和天线；所述模数转换电路将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送给所述主处理器；所述主处理器将所述数字电压信号通过分析处理转换为相应的温度值，并将该温度值与预设值比较，根据比较结果来控制所述温控驱动电路，并将该温度值打包为单节点网络温度数据包发送给所述无线通信模块，以通过所述无线通信电路处理后送交所述天线发送给所述路由器节点。

本发明所述的系统中，所述的路由器节点包括控制与通信模块和电源模块；所述控制与通信模块包括主处理器和无线通信电路，无线通信电路的通过天线输出信号，同时无线通信电路可接收和解析来自天线的信号；所述电源模块由电池和直流变压电路组成，为所述控制与通信模块供电。

本发明所述的系统中，所述网关节点包括控制与通信模块和电源模块；所述控制与通信模块包括天线、无线通信电路、主处理器、串口通信电路，所述无线通信电路与天线连接，所述无线通信电路和所述串口通信电路均与所述主处理器连接；所述串口通信电路与所述本地监控中心连接；电源模块由电池和直流变压电路组成，为所述控制与通信模块供电。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测方法，包括以下步骤：

S1、温度传感器终端节点、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；

S2、网关节点获取本地监控中心的温度采集指令，并直接或者通过所述路由传感器节点向所述温度传感器终端节点广播所述数据采集指令；

S3、所述温度传感器终端节点根据所述数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过所述路由器节点发送给所述网关节点；

S4、网关节点将接收到的不同温度传感器终端节点的单节点网络温度数据包进行整合，打包成多节点网络温度数据包，并通过串口将数据包传输给本地监控中心；

S5、所述本地监控中心解析所述网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图；

S6、本地监控中心将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。

本发明所述的方法中，步骤S1具体包括：

网关节点上电后，扫描信道，寻找建立无线传感器网络的最佳信道，并进行网络标识，无线传感器网络建立成功后开始侦听信道；

温度传感器终端节点和路由器节点上电后发送请求加入该无线传感器网络的数据帧，网关节点接收到数据帧后允许其加入网络，并给其分配一个16位的网内通信地址。

本发明所述的方法中，步骤S3具体包括步骤：

温度传感器终端节点收到数据采集指令后通过热电偶采集瓷窑温度，将温度信号进行处理并转换为数字温度值；

温度传感器终端节点将温度值打包成单节点网络温度数据包发送给网关节点；若温度传感器终端节点不能直接跟网关节点通信，则通过路由器节点以多跳方式传送给网关节点。

本发明产生的有益效果是：本发明采用多个节点同时对瓷窑内温度进行分布式采集的方式，将瓷窑内温度数据通过无线传感器网络发送给本地控制中心，再转换为三维立体图，能够清晰形象的观察瓷窑内温度分布状况，以便进行控制，同时控制窑内温度在一个确定的范围。系统内节点采用模块化设计，便于维护和更换。本发明适用于对温度要求苛刻的瓷窑环境，可以实现实时在线监测，可为钧瓷烧制环境的分析与控制提供技术手段，实现科学烧瓷，提高窑瓷烧制的成功率。

 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例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为本发明实施例温度传感器终端节点结构框图。

图3为本发明实施例路由器节点结构框图。

图4为本发明实施例网关节点结构框图。

图5为本发明实施例温度传感器终端节点工作流程图。

图6为本发明实施例网关节点工作流程图。

图7为本发明实施例本地监控中心工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统，如图1所示，图中监测范围为窑瓷烧制环境，该监测系统包括无线传感器网络节点和本地监控中心，无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，包括温度传感器终端节点、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，网关节点通过串口线与本地监控中心连接；通信频率可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。

网关节点从本地监控中心获取数据采集指令，并直接或者通过路由传感器节点向温度传感器终端节点广播数据采集指令；

温度传感器终端节点根据数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过路由器节点多跳发送给网关节点；

网关节点将接收的网络温度数据包通过串口发送给本地监控中心；

本地监控中心解析网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图，并将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。本地监控中心可安装专业软件负责对数据进行分析和提取，然后根据数据来回执窑内温度三维立体图。同时还可将数据存储到本地监控中心的数据库中。通过访问数据库可查询瓷窑历史温度数据。本地监控中心可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。

本发明实施例中，该系统还包括远程监控中心，监控中心通过因特网与远程监控中心连接。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。

在本发明较佳实施例中，如图2所示，温度传感器终端节点包括温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块；电源模块可使用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。

温度传感器功能模块包括热电偶和信号调理电路，其中热电偶可选用窑炉专用S型高温铂铑热电偶；信号调理电路将热电偶输出的信号转换为可供模数转换电路采集的模拟电压信号，主要可使用差分放大方式实现；

如图2所示，控制与通信模块包括模数转换电路（ADC）、温控驱动电路、主处理器、无线通信电路和天线；模数转换电路将模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送给主处理器；主处理器将数字电压信号通过分析处理转换为相应的温度值，并将该温度值与预设值比较，根据比较结果来控制温控驱动电路，并将该温度值打包为单节点网络温度数据包发送给无线通信模块，以通过无线通信电路处理后送交天线发送给路由器节点。

图2中控制与通信模块是温度传感器终端节点的核心部分，其中主处理器可使用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，本发明实施例中使用CC2530F32/256版本，具有256K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个可只有配置通道，以及一个参考电压发生器，转换结果通过DMA存储器。控制与通信模块中的模数转换电路可使用芯片内部自带的AD，将温度传感器功能模块中信号处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。

路由器节点负责多跳转发温度传感器终端节点发送到网关节点的数据包。由于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。如图3所示，路由器节点包括控制与通信模块和电源模块，相比与温度传感器终端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终端节点模块相同。

如图3所示，其中，控制与通信模块包括主处理器和无线通信电路，无线通信电路的通过天线输出信号，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，为控制与通信模块供电。

如图4所示，网关节点包括控制与通信模块和电源模块；控制与通信模块包括天线、无线通信电路、主处理器、串口通信电路，无线通信电路与天线连接，无线通信电路和串口通信电路均与主处理器连接；串口通信电路与本地监控中心连接；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。其中，控制与通信模块可同样选用CC2530芯片。串行接口电路可采用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控制中心的串口直接相连。

本发明实施例，基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测方法，主要通过上述实施例的监测系统实现，该方法包括以下步骤：

S1、温度传感器终端节点、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；

S2、网关节点获取本地监控中心的温度采集指令，并通过路由传感器节点向温度传感器终端节点广播数据采集指令；

S3、温度传感器终端节点根据数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过路由器节点发送给网关节点；

S4、网关节点将接收到的不同温度传感器终端节点的单节点网络温度数据包进行整合，打包成多节点网络温度数据包，并通过串口将数据包传输给本地监控中心；

S5、本地监控中心解析网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图；

S6、本地监控中心将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。

在本发明的一个实施例中，步骤S1具体包括：

网关节点上电后，扫描信道，寻找建立无线传感器网络的最佳信道，并进行网络标识，无线传感器网络建立成功后开始侦听信道；

温度传感器终端节点和路由器节点上电后发送请求加入该无线传感器网络的数据帧，网关节点接收到数据帧后允许其加入网络，并给其分配一个16位的网内通信地址。

在本发明的一个实施例中，步骤S3具体包括步骤：

温度传感器终端节点收到数据采集指令后通过热电偶采集瓷窑温度，将温度信号进行处理并转换为数字温度值；

温度传感器终端节点将温度值打包成单节点网络温度数据包发送给网关节点；若温度传感器终端节点不能直接跟网关节点通信，则通过路由器节点以多跳方式传送给网关节点。

在本发明的另一实施例中，应用以上监测系统的智能化数据检测方法，其具体实现方案如下：

1、监测区域节点的自组网过程

本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，本系统使用星星网络拓扑结构，在ZigBee网络中，只有协调器才有组建网络的权利，协调器在整个网络中担任网关的角色。网络组建过程如下：

（1）协调器组建网络：协调器节点上电后，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，然后处于监听信道的状态，等待其他节点加入网络。

（2）节点加入网络：温度传感器终端节点和路由器节点上电后，首先发送请求加入网络数据包，协调器节点收到数据包后，发送允许加入网络数据包给请求节点，该数据包中包含为节点分配的16位网内通信地址，该节点收到允许加入数据包后，使用该数据包的数据修改自身MAC属性，加入网络成功，若温度传感器终端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。

2、温度传感器终端节点工作流程

温度传感器终端节点承担某一具体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）等待接收网关节点发送来的系统命令；

（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，转到第4步，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，转换完成后将其发送到主处理器；

（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；

（7）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协调器；

（8）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。

3、网关节点的工作流程

网关节点是整个系统的枢纽，向下负责收集各温度传感器终端节点发送来的温度数据，并发送控制中心的控制命令给各个节点；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。其工作流程如图6所示：

（1）初始化并组建网络，连接本地监控中心；

（2）向温度传感器终端节点广播发送数据采集命令；

（3）等待和接收网内所有温度传感器终端节点模块发送的单节点网络温度数据包；

（4）将接收到是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；

（5）等待接收和处理来自本地监控中心的控制命令，同时，若下一个采样时间到来，就转到步骤2。

4、数据监控中心处理流程图

数据监控中心，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可以选用C#和Microsoft SQL Server 2008来完成。监控中心软件工作流程如图7所示。

（1）通过本地串口与网关节点建立通信连接；

（2）接收网关节点发送的温度数据包；

（3）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；

（4）使用解析出来的数据包中的数据更新温度三维图像；

（5）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，如果超出阈值范围，给出报警提示；

（6）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2，用户命令包括数据采集、阈值设定。

本发明基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测系统及方法，能够监测瓷窑烧制过程中整个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，同时终端节点可以根据预设温度阈值范围来调整瓷窑温度，实现“智能烧瓷”。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (8)

1.一种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，包括无线传感器网络节点和本地监控中心，所述无线传感器网络节点分布在瓷窑周围，包括温度传感器终端节点、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，所述网关节点通过串口线与所述本地监控中心连接；

所述网关节点从所述本地监控中心获取数据采集指令，并直接或者通过所述路由传感器节点向所述温度传感器终端节点广播所述数据采集指令；

所述温度传感器终端节点根据所述数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过所述路由器节点发送给所述网关节点；

所述网关节点将接收的网络温度数据包发送给所述本地监控中心；

所述本地监控中心解析所述网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图，并将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括远程监控中心，所述监控中心通过因特网与远程监控中心连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度传感器终端节点包括温度传感器功能模块、控制与通信模块和电源模块；

所述温度传感器功能模块包括热电偶和信号调理电路；所述信号调理电路将所述热电偶输出的信号转换为可供模数转换电路采集的模拟电压信号；

所述控制与通信模块包括模数转换电路、温控驱动电路、主处理器、无线通信电路和天线；所述模数转换电路将所述模拟电压信号转换为数字电压信号，并发送给所述主处理器；所述主处理器将所述数字电压信号通过分析处理转换为相应的温度值，并将该温度值与预设值比较，根据比较结果来控制所述温控驱动电路，并将该温度值打包为单节点网络温度数据包发送给所述无线通信模块，以通过所述无线通信电路处理后送交所述天线发送给所述路由器节点。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的路由器节点包括控制与通信模块和电源模块；所述控制与通信模块包括主处理器和无线通信电路，无线通信电路的通过天线输出信号，同时无线通信电路可接收和解析来自天线的信号；所述电源模块由电池和直流变压电路组成，为所述控制与通信模块供电。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述网关节点包括控制与通信模块和电源模块；所述控制与通信模块包括天线、无线通信电路、主处理器、串口通信电路，所述无线通信电路与天线连接，所述无线通信电路和所述串口通信电路均与所述主处理器连接；所述串口通信电路与所述本地监控中心连接；电源模块由电池和直流变压电路组成，为所述控制与通信模块供电。

6.一种基于无线传感器网络的分布式钧瓷窑温监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、温度传感器终端节点、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；

S2、网关节点获取本地监控中心的温度采集指令，并直接或者通过所述路由传感器节点向所述温度传感器终端节点广播所述数据采集指令；

S3、所述温度传感器终端节点根据所述数据采集指令采集瓷窑的温度值，并直接发送或者通过所述路由器节点发送给所述网关节点；

S4、网关节点将接收到的不同温度传感器终端节点的单节点网络温度数据包进行整合，打包成多节点网络温度数据包，并通过串口将数据包传输给本地监控中心；

S5、所述本地监控中心解析所述网络温度数据包，并根据解析结果实时绘制瓷窑温度三维分布图；

S6、本地监控中心将解析后的温度数据与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则发出报警提示。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

网关节点上电后，扫描信道，寻找建立无线传感器网络的最佳信道，并进行网络标识，无线传感器网络建立成功后开始侦听信道；

温度传感器终端节点和路由器节点上电后发送请求加入该无线传感器网络的数据帧，网关节点接收到数据帧后允许其加入网络，并给其分配一个16位的网内通信地址。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括步骤：

温度传感器终端节点收到数据采集指令后通过热电偶采集瓷窑温度，将温度信号进行处理并转换为数字温度值；

温度传感器终端节点将温度值打包成单节点网络温度数据包发送给网关节点；若温度传感器终端节点不能直接跟网关节点通信，则通过路由器节点以多跳方式传送给网关节点。

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