《武汉工程大学学报》 2015年01期
30-34
出版日期：2015-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
一种无线温度监控系统的设计与实现
０ 引 言 温度监控系统广泛应用于现代工业、农业及日常生活中，现有大部分依靠有线进行监控，存在需要大量布线、安装位置固定、可扩展性较差、检修复杂等缺陷. 随着无线通信技术的日趋成熟，物联网和无线传输技术在工业控制中成为业界研究的热点，采用无线传输技术可以克服有线温度监控系统的上述缺点. ＺｉｇＢｅｅ采用带时隙或不带时隙的载波检测多路访问与冲突避免的数据传输方法，并通过确认和数据检测等措施，保证数据的可靠传输，且具有组网灵活、成本低、功耗低、抗干扰能力强等优势［１］ ，因而在众多无线传输方式中脱颖而出. 本文以ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ、ＣＣ２５３０无线射频芯片为核心，在Ｚ－ＳＴＡＣＫ协议栈基础上建立协调器、终端无线收发模块来构建星型局域网，设计了基于ＺｉｇＢｅｅ的无线温度监控系统. １ 系统总体设计 系统总体结构框架如图１所示，由上位机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ、ＺｉｇＢｅｅ协调器、ＺｉｇＢｅｅ终端节点三大模块构成. 由于系统节点数量较少，ＺｉｇＢｅｅ协调器与ＺｉｇＢｅｅ终端节点构建星型网络拓扑结构. ＺｉｇＢｅｅ终端节点通过热电偶采集温度信息，通过无线局域网传输到ＺｉｇＢｅｅ协调器，接收来自协调器的温度指令信息、并利用模糊比例积分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ?鄄ｉｎｔｅｇｒａｌ?鄄ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，以下简称ＰＩＤ）算法控制温度. ＺｉｇＢｅｅ协调器接收到终端节点温度信息后上传到上位机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ. ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ的主要功能是接收来自ＺｉｇＢｅｅ协调器的温度信息、并显示在液晶屏幕上，通过键盘设置各个节点温度控制指令值并发送给协调器，同时通过串口实现与监控终端个人计算机（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＰＣ）的通信. 图１ 系统结构框架图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ２ 系统硬件设计 ２．１ 无线局域网 系统采用星型拓扑网络结构，网络结构中主要包括ＺｉｇＢｅｅ协调器，ＺｉｇＢｅｅ终端节点. ２．１．１ ＺｉｇＢｅｅ协调器 ＺｉｇＢｅｅ协调器由德州仪器 （Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，以下简称简称ＴＩ） 公司ＣＣ２５３０和射频专用功率放大器ＣＣ２５９１组成的全功能模块（ｆｕｌｌ?鄄ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ，以下简称ＦＦＤ）构成. ＣＣ２５３０是一个结合了２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４、ＺｉｇＢｅｅ 和ＲＦ４ＣＥ 的高性能片上系统，集成了领先的ＲＦ收发器、业界标准的增强型８０５１ＣＰＵ、系统内可编程闪存、８ kＢ ＲＡＭ 等资源. ＣＣ２５９１是ＴＩ公司生产的高性价比和高性能射频专用功率放大器，非常适合低电压、低功耗的２．４ ＧＨｚ无线应用［２］. 另外，在全功能模块上安装天线装置使得无线传输距离更远. ２．１．２ ＺｉｇＢｅｅ终端节点 ＺｉｇＢｅｅ终端节点由ＺｉｇＢｅｅ无线射频全功能模块ＦＦＤ、测温电路和调压加热电路构成. 其中，测温电路采用Ｋ型热电偶作为温度传感器，可以直接测量０ ℃～１ ３００ ℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度. 加热装置采用脉冲宽度调制（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，以下简称ＰＷＭ）交流斩波调压电路加热电阻丝. Ｋ型热电偶测温产生的热电动势不仅与热端温度有关，还与冷端温度相关. 本系统采用灵敏度较高、线性较好的ＩＮ４１４８作为热敏元件进行冷端补偿、以减少ＣＰＵ开销. 热电偶测温电路原理图如图２所示，热电偶测量温度信号经过冷端补偿及信号调理后输入到ＣＣ２５３０的１２位Ａ／Ｄ模拟量输入通道. 图２ 热电偶电路 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 加热电路采用ＰＷＭ控制Ｎ沟道Ｐ?鄄ＭＯＳＦＥＴ交流斩波调压方式，以改变加热电阻丝两端的电压来进行温度控制. 其原理图如图３所示，ＣＣ２５３０产生ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波形，通过驱动电路驱动Ｐ?鄄ＭＯＳＦＥＴ进行交流斩波调压. 该电路控制简单，产生的高频高次谐波很容易利用很小的电感电容滤掉，可以提高加热电路中的电能质量、给温度控制精度提供基本保障［３－５］. 图３ 加热电路 Ｆｉｇ．３ Ｈｅａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ２．２ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ上位机模块 上位机模块由ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ最小系统和ＴＦＴＬＣＤ液晶显示模块及输入按键构成. ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ是意法半导体公司生产的基于Ｃｏｒｔｅｘ?鄄Ｍ３的３２位微处理器，最高工作频率７２ ＭＨｚ，片内Ｆｌａｓｈ容量５１２ kByte，片内ＳＲＡＭ容量６４ kByte；具有高性能、低功耗、丰富的片内资源等特点. ＳＴＭ３２提供了睡眠、待机、停机三种低功耗省电模式和灵活的时钟控制模式，用户可合理优化系统. ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ采用自带可变静态存储控制器 （Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｓｔａｔｉｃ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＦＳＭＣ）接口与ＴＦＴ３．２寸（３２０*２４０）液晶模块相连，更加方便地控制液晶模块［６］. 键盘部分采用４个按键完成，用ＫＥＹ１设置温度、ＫＥＹ ２加温度值、ＫＥＹ ３减温度值、ＫＥＹ ４移动设置数据位. ３ 系统软件设计 系统软件包括ＺｉｇＢｅｅ协调器、ＺｉｇＢｅｅ终端节点程序，ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ上位机程序三部分. 其中ＺｉｇＢｅｅ协调器节点程序的功能是组建局域网、管理终端节点，实现与ＳＴＭ３２F103ZE的通信；ＺｉｇＢｅｅ终端节点程序的功能是采集温度传感器信号及无线收发温度信息，利用模糊ＰＩＤ算法控制加热装置；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ上位机程序实现与ＺｉｇＢｅｅ协调器的通信，发送终端节点温度控制参数，收集、处理及显示各个节点温度信息，提供友好的人机界面. ３．１ ＺｉｇＢｅｅ协调器节点程序 ＺｉｇＢｅｅ协调器是本系统的信息中枢，软件总体设计建立在Ｚ－ＳＴＡＣＫ工作流程基础上. ＺｉｇＢｅｅ节点程序的核心Ｚ－ＳＴＡＣＫ协议栈在ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的物理（Ｐｈｙｓｉｃａｌ，ＰＨＹ）层和媒体访问控制（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）层基础上，设计了网络（Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＮＷＫ）层和应用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，以下简称ＡＰＬ）层. 在ＡＰＬ层内提供应用支持子 （Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｕｂ－ｌａｙｅｒ，ＡＰＳ） 层和设备对象（ＺｉｇＢｅｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｏｂｊｅｃｔ，ＺＤＯ）以及应用框架（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ＡＦ），用户可以在应用框架中加入自定义应用对象［７］. Ｚ－ＳＴＡＣＫ内部各层之间采用“原语”进行通讯. Ｃｈｉｐｃｏｎ 公司设计的 Ｚ－Ｓｔａｃｋ 协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ，以下简称ＯＳＡＬ）的协议栈调度程序. 在协议栈中发生了任何事件，ＯＳＡＬ都可以通过调用相应层的任务，即事件处理函数来处理. 协调器节点程序在应用层定义两个事件来完成任务：事件１，协调器无线接收终端节点测量温度，并将温度发送给ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ系统；事件２是通过串口接收上位机ＳＴＭ３２１０３ＺＥ的设置温度信息，并将设置温度无线发射到各个终端节点. 其流程图如图４所示，系统初始化包括初始化各层任务，在ＡＰＬ层建立用户自定义任务和事件处理函数，然后进入ＯＳＡＬ操作系统运行，不断查询任务优先级，当有事件发生时，比较事件对应的任务优先级，进入高优先级任务层的事件处理函数，事件属于应用层任务时，进入应用层任务查询事件号１、２，进入对应事件的处理函数. 图４ 协调器节点程序流程 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ３．２ ＺｉｇＢｅｅ终端节点程序 ＺｉｇＢｅｅ终端节点是系统中温度采集和控制的末梢. 软件总体设计建立在Ｚ－ＳＴＡＣＫ工作流程基础上，本程序定义两个事件来完成任务：事件１是终端节点读取Ｋ型热电偶测量数据，将温度数据无线发射到协调器；事件２是终端节点无线接收控制温度数据并采用模糊ＰＩＤ算法控制加热装置. 因温度的纯滞后性，采用常规ＰＩＤ控制效果不够理想. 所以采用模糊ＰＩＤ算法控制温度，其原理框图如图５所示. 图5中，Ｒ为温度指令信号，Ｙ为温度反馈信号. 控制算法思路是利用偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ与ＰＩＤ三个参数（ｋｐ、ｋｉ、ｋｄ）之间的模糊关系，在控制温度过程中不断计算ｅ和ｅｃ，根据建立的模糊控制规则进行模糊推理，自整定ＰＩＤ参数值，再进行ＰＩＤ控制［８－９］. 图５ 模糊ＰＩＤ控制系统原理框图 Ｆｉｇ．５ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ＰＩＤ调节的差分方程为 yk=yk-1+Δy=yk-1+kp(ek-ek-1)-kiekΔT+ kd■ 其中，ΔT为Ａ/Ｄ采样温度周期. 模糊ＰＩＤ控制既实现在线自整定ｋｐ、ｋｉ、ｋｄ参数，也延续了常规ＰＩＤ控制原理简单、使用方便、鲁棒性较强的特点. 模糊ＰＩＤ算法的程序流程如图６所示. 图６ 模糊ＰＩＤ算法程序流程 Ｆｉｇ．６ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ３．３ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ上位机程序 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ上位机程序由串口通讯模块，ＴＦＴＬＣＤ液晶屏驱动、显示模块，按键设置模块三部分组成. 串口通讯模块负责收发温度信息，ＬＣＤ液晶程序负责显示温度信息，按键程序负责设置终端温度［１０］，程序流程图如图７所示. 图７ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ程序流程 Ｆｉｇ．７ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ 温度设置采用按键中断程序完成，液晶显示程序设计为数值显示和模拟温度计光柱等比例显示，使得监控显示值更加清晰直观. ４ 系统测试 系统ＺｉｇＢｅｅ节点所用的开发环境是ＩＡＲ７．６０，移植了ＴＩ公司的Ｚ－ＳＴＡＣＫ（版本ＣＣ２５３０－２．３．０－１．４０）协议栈. ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ使用Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４开发. 系统接入三个ＺｉｇＢｅｅ终端节点，以水温为实验对象，实验数据如表１所示. 表1 实验数据 Table 1 Experimental data 运行稳定后ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ液晶显示如图８所示，实验结果显示该系统实现了无线温度监控. 由于温度是一个难控对象，系统模糊ＰＩＤ控制加热温度时存在一定的偏差，热电偶测量较低温度时精度相对较低导致实验数据有一定误差. 在实际生产、生活中，可以根据实际情况选择元器件和控制策略，多进行现场调试来满足监控精度. 图８ 液晶显示界面 Ｆｉｇ．８ ＬＣＤ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ５ 结 语 上述基于ＺｉｇＢｅｅ无线传输技术和ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥ设计的温度监控系统具备系统稳定、无线传输数据可靠、设备组网简单、可扩展性强、成本低等特点. 系统采用的模糊ＰＩＤ控制ＰＷＭ交流斩波改变加热电压控制温度，满足了一般生产、生活的精度要求，但交流斩波调压效率及温度控制精度仍有较大的改善空间，这是以后深入研究的方向. 随着无线技术在工业应用领域的发展，这种基于ＺｉｇＢｅｅ无线技术的温度监控技术将会有更多的应用价值和广阔的前景. 致 谢 武汉工程大学研究生教育创新基金提供了资金资助，赵振华教授给予的指导，在此表示衷心的感谢！