智慧工業(yè) 工業(yè)鍋爐安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)方案V3

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目錄TOC\o"1-3"\h\u12572第一章項(xiàng)目概述 4190221.1.應(yīng)用背景 413011.2.應(yīng)用技術(shù) 4134031.2.1.無(wú)線傳感器 4285881.2.2.監(jiān)測(cè)數(shù)值接收器 6272611.2.3.前置處理終端 769611.2.4.安全運(yùn)行能效監(jiān)控 7284971.2.5.組態(tài)軟件 79005第二章建設(shè)內(nèi)容 936042.1.數(shù)據(jù)采集 10134042.1.1.鍋爐安全事故參數(shù) 10238712.1.2.安全運(yùn)行參數(shù) 11238932.2.能效監(jiān)控 12171552.2.1.蒸汽鍋爐蒸汽量測(cè)量 1375752.2.2.介質(zhì)壓力測(cè)量 13293612.2.3.溫度測(cè)量 13281152.2.4.煙氣測(cè)量 14210702.2.5.傳感器采集參數(shù) 1450322.2.6.后裝式傳感器采集 16291602.2.7.安裝位置 18256502.2.8.PLC控制箱采集 18190412.2.9.前裝傳感式采集 18297222.3.數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳感器 20265762.3.1.建設(shè)背景 21268812.3.2.建設(shè)目的 229332.3.3.建設(shè)意義 23326452.3.4.應(yīng)用技術(shù) 24300022.3.5.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 25128492.3.6.發(fā)展趨勢(shì) 27213282.3.7.無(wú)線傳感模組優(yōu)勢(shì) 2843672.3.8.硬件設(shè)計(jì) 29143792.3.9.底層協(xié)議 3658222.3.10.協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 3724705接收程序流程圖 40284672.4.溫感RFID標(biāo)簽 41271012.4.1.建設(shè)背景 4114262.4.2.建設(shè)意義 42203642.4.3.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 4265932.4.4.RFID技術(shù) 4511242.4.5.傳感型RFID標(biāo)簽 47255102.4.6.溫感型讀寫器 54142262.5.能效監(jiān)控 64146302.5.1.監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 6512912.5.2.鍋爐能效計(jì)算 6754822.6.人員資質(zhì)信息監(jiān)控 7357182.6.1.RFID技術(shù) 7448462.6.2.人臉識(shí)別技術(shù) 7478722.6.3.通訊方式 76141832.7.監(jiān)控前置終端 76138992.8.責(zé)任追溯 77101192.9.移動(dòng)智能監(jiān)控 79288702.9.1.移動(dòng)終端 79189782.9.2.移動(dòng)終端操作系統(tǒng) 80150902.9.3.監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境 80238802.9.4.移動(dòng)設(shè)備監(jiān)控終端 8055462.10.安全運(yùn)行能效監(jiān)控 81218282.10.1.登錄平臺(tái) 82182742.10.2.特種設(shè)備信息管理 82237292.11.組態(tài)監(jiān)控 8678002.11.1.建設(shè)內(nèi)容 86179132.11.2.核心能力 87294802.11.3.GIS展示 885012.11.4.工藝流程圖 88200142.11.5.報(bào)警記錄 9132222.11.6.數(shù)據(jù)分析 913382.11.7.數(shù)據(jù)報(bào)表 9419732.11.8.環(huán)境溫度監(jiān)控 95106092.11.9.氣象信息監(jiān)控 95157422.11.10.豐富的接口特性 9635272.11.11.完備的冗余架構(gòu) 9620239第三章油田作業(yè)設(shè)備 97119033.1.洗蠟機(jī) 97146623.2.煤粉鍋爐 9894343.2.1.煤粉鍋爐燃燒控制 98268393.2.2.燃燒控制 99187893.2.3.安裝的傳感器 9982153.3.建設(shè)目標(biāo) 100310063.4.建設(shè)意義 101174443.5.應(yīng)用價(jià)值 102項(xiàng)目概述應(yīng)用背景鍋爐是一種高耗能壓力容器設(shè)備，鍋爐的安全運(yùn)行對(duì)于安全生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。目前我國(guó)鍋爐安全運(yùn)行水平有了很大提高，已出現(xiàn)很多單一鍋爐安全連鎖保護(hù)裝置，但由于各方面的原因，這些裝置并沒(méi)有真正起到應(yīng)有的作用，鍋爐惡性事故時(shí)有發(fā)生。近年來(lái)，國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排，但很多鍋爐使用單位對(duì)于節(jié)能減排的重視程度非常有限，仍采用舊式鍋爐和傳統(tǒng)操作方法，對(duì)于節(jié)能環(huán)保采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可以提高熱效率，降低耗煤量，減少環(huán)境污染，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文的工業(yè)鍋爐安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在數(shù)據(jù)采集精度和設(shè)備操控的穩(wěn)定性方面都有很大提高。采用自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換協(xié)議架構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，客戶端基于MAP5技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備的GIS地圖管理，可進(jìn)行遠(yuǎn)程多點(diǎn)監(jiān)控。應(yīng)用技術(shù)無(wú)線傳感器鍋爐運(yùn)行監(jiān)測(cè)根據(jù)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)值采集的需要和鍋爐工作環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可接入符合鍋爐運(yùn)行數(shù)值監(jiān)測(cè)的無(wú)線預(yù)處理終端模組，以達(dá)到適應(yīng)鍋爐工作環(huán)境、各項(xiàng)數(shù)值采集的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行中的爐體溫度、煙溫、水位、水溫、蒸汽壓力、燃?xì)饬髁窟M(jìn)行采集、編碼、加密、傳輸、臨界主動(dòng)上報(bào)警告信號(hào)、數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行分析和呈現(xiàn)，為常規(guī)監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、應(yīng)急提供數(shù)據(jù)依據(jù)。鍋爐運(yùn)行能效監(jiān)測(cè)根據(jù)節(jié)能減排規(guī)定，設(shè)計(jì)了可接入能效監(jiān)測(cè)傳感器的無(wú)線預(yù)處理終端模組，以達(dá)到對(duì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能效監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排煙二氧化碳量、排煙含氧量、排煙一氧化碳含量等數(shù)值，通過(guò)與燃?xì)?燃料數(shù)值的結(jié)合運(yùn)算，可有效監(jiān)測(cè)鍋爐的運(yùn)行能效。鍋爐運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合監(jiān)控終端可監(jiān)測(cè)鍋爐房?jī)?nèi)二氧化碳含量、煙塵量、溫度等運(yùn)行環(huán)境數(shù)值，同時(shí)終端所配置的RFID、圖像監(jiān)控可監(jiān)測(cè)工作人員是否持有上崗證、上崗證年檢或換證情況等，圖像系統(tǒng)監(jiān)控可提供日常工作狀態(tài)監(jiān)控，并為在發(fā)生事故時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)記錄。無(wú)線傳感器終端傳感器數(shù)據(jù)變送：適合安裝在鍋爐上的工業(yè)傳感器有電平式和數(shù)字式，并且不同的數(shù)值和不同類型的鍋爐適用不同靈敏度的傳感器，因此，采用公共化數(shù)據(jù)變送接口技術(shù)，以適應(yīng)不同類型傳感器的數(shù)據(jù)接入。預(yù)置邏輯：根據(jù)鍋爐運(yùn)行監(jiān)測(cè)需要，設(shè)計(jì)了常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警數(shù)值、報(bào)警級(jí)別及運(yùn)行指令集和編解碼方式，以達(dá)到數(shù)值的預(yù)前處理，并且在緊急狀態(tài)發(fā)生前發(fā)出預(yù)警信號(hào)。無(wú)線傳輸：模塊預(yù)置了ZigBee無(wú)線模塊、WiFi、GPRS/3G模塊，以滿足不同環(huán)境的需要，保證在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下監(jiān)測(cè)模組正常組網(wǎng)，為數(shù)據(jù)傳輸和指令交互提供保障。自我狀態(tài)監(jiān)控：為保證無(wú)線傳感器終端的穩(wěn)定運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和不斷鏈，每個(gè)傳感器終端均設(shè)計(jì)了自我狀態(tài)監(jiān)控功能，發(fā)現(xiàn)故障立即上報(bào)給平臺(tái)，以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)數(shù)值接收器監(jiān)測(cè)數(shù)值接收器模組是實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)回傳的專用監(jiān)測(cè)模塊，同是承擔(dān)指令下達(dá)、各傳感終端的狀態(tài)輪詢，是集收發(fā)一體的專用監(jiān)測(cè)接收終端，支持ZigBee、WiFi、GPRS/3G；為了安裝方便和使用方便，終端采用了模塊化設(shè)計(jì)，將天線控制器、通訊控制器、數(shù)據(jù)處理主板（包含數(shù)據(jù)接口）劃分了三個(gè)模塊，使用了高性能單片機(jī)系統(tǒng)，成為完整的數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)，高集成度的設(shè)計(jì)，為外形設(shè)計(jì)提供了很大的自由空間，維護(hù)也更加方便；前置處理終端前置處理終端是集RFID、無(wú)線通訊、有線通訊、視頻處理于一體的綜合數(shù)據(jù)處理平臺(tái)終端，主體由ITX和各功能模塊組成，運(yùn)行安全穩(wěn)定，并且適應(yīng)各類鍋爐運(yùn)行環(huán)境要求。安全運(yùn)行能效監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)包含了數(shù)據(jù)庫(kù)、前端設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、警報(bào)控制、應(yīng)用控制、日志模塊、報(bào)表系統(tǒng)等；具備鍋爐運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、鍋爐能效監(jiān)測(cè)、傳感終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)、臨界警報(bào)、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、周期報(bào)表、設(shè)備臺(tái)帳、維護(hù)記錄、數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制、權(quán)限管理、共享接口等。組態(tài)軟件組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA，即SupervisoryControlandDataAcquisition(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(RTUSystem，RemoteTerminalUnit)。在本項(xiàng)目中，利用組態(tài)軟件直觀、靈活、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)組態(tài)軟件低層驅(qū)動(dòng)部分的開(kāi)發(fā)，使組態(tài)軟件兼容本項(xiàng)目研發(fā)的采集模塊終端、特殊非標(biāo)傳感器變送數(shù)據(jù)及ZigBee協(xié)議、3G傳輸協(xié)議，內(nèi)置項(xiàng)目所需的運(yùn)行公式，使其成為鍋爐及壓力容器安全運(yùn)行及能效監(jiān)控的專業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。建設(shè)內(nèi)容針對(duì)于鍋爐運(yùn)行中安全和能效相關(guān)的參數(shù)、指標(biāo)的監(jiān)控及在不改變鍋爐及壓力容器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下達(dá)到安全監(jiān)控及能將監(jiān)控的目的，本項(xiàng)目從監(jiān)控硬件的設(shè)計(jì)、通訊協(xié)議的選擇、數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)及軟件平臺(tái)內(nèi)置能效運(yùn)算公式入手，構(gòu)建一套基于物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線傳感技術(shù)的遠(yuǎn)程鍋爐安全運(yùn)行及能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集鍋爐安全事故參數(shù)超壓破裂鍋爐運(yùn)行壓力超過(guò)最高許可工作壓力，使元件應(yīng)力超過(guò)材料的極限應(yīng)力。超壓工況常因安全泄放裝置失靈、壓力表失準(zhǔn)、超壓報(bào)警裝置失靈，嚴(yán)重缺水事故處理不當(dāng)而引起。過(guò)熱失效鋼板過(guò)熱燒壞，強(qiáng)度降低而致元件破壞。通常因鍋爐缺水干燒。結(jié)垢太厚，鍋水中有油脂或鍋筒內(nèi)掉人石棉橡膠扳等異物等原因引起。腐蝕失效因苛性脆化使元件強(qiáng)度降低。裂紋和起槽元件受交變應(yīng)力作用，產(chǎn)生疲勞裂紋，又由腐蝕綜合作用，開(kāi)成槽狀減薄。水擊破壞因操作不當(dāng)引起汽水系統(tǒng)水錘沖擊，使受壓元件受到強(qiáng)大的附加應(yīng)力作用而失效。修理、改造不合理。造成鍋爐爆炸的隱患。先天性缺陷。設(shè)計(jì)失誤，結(jié)構(gòu)受力、熱補(bǔ)償、水循環(huán)、用材、強(qiáng)度計(jì)算、安全設(shè)施等方面嚴(yán)重錯(cuò)誤。制造失誤，用錯(cuò)材料、不按圖施工、焊接質(zhì)量低劣、熱處理、水壓試驗(yàn)等工藝規(guī)范錯(cuò)誤等引起。安全運(yùn)行參數(shù)鍋爐安全相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)主要以蒸汽壓力、水位、爐溫、煙溫、爐膛溫度幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。蒸汽壓力鍋爐蒸汽壓力超過(guò)出廠規(guī)定的安全指數(shù)，那么，鍋爐就會(huì)發(fā)生爆炸、泄漏等重大安全事故，蒸汽壓力過(guò)低會(huì)引起如蒸汽帶水帶鹽量增加，過(guò)熱器燒壞是這種操作常見(jiàn)的現(xiàn)象；另外水冷壁的水循環(huán)過(guò)低之后氣水比增加，導(dǎo)熱水冷壁爆管，此現(xiàn)象較少，通常發(fā)生在過(guò)熱器燒壞之后。因此，蒸汽壓力的監(jiān)控是安全運(yùn)行的重要參數(shù)。水位鍋爐汽包水位過(guò)高，造成汽水分離困難，蒸汽帶水，造成汽機(jī)進(jìn)冷汽或水沖擊，后果將是災(zāi)難性的；汽包水位過(guò)低，可能破壞正常的水循環(huán)（下降管帶汽，使水循環(huán)停滯或倒流），造成一部分水冷壁得不到鍋爐水循環(huán)的冷卻而過(guò)熱燒壞，更嚴(yán)重的就是干鍋，后果也還是災(zāi)難性的。所以，汽包鍋爐的汽包水位是最最重要的一個(gè)參數(shù)，設(shè)定了水位的上下限，按照安全規(guī)章規(guī)定，達(dá)限值就需無(wú)條件滅火停機(jī)。爐體溫度按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，爐體溫度應(yīng)50℃及以下范圍，超過(guò)50℃即視為危險(xiǎn)和效能不佳。煙溫（排煙溫度）各類型鍋爐排煙溫度指標(biāo)不同，可參考《蒸汽鍋爐安全監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定。溫度過(guò)低，酸性氣體和煤燃燒后的稅蒸汽在尾部煙道造成低溫腐蝕，產(chǎn)生尾部受熱面腐蝕從而產(chǎn)生安全隱患。溫度過(guò)高，鍋爐效率低。爐膛出口溫度爐膛出口溫度采集運(yùn)用超聲波測(cè)溫法采集爐膛出口溫度，有不少的鍋爐運(yùn)行管理人員對(duì)爐膛出口煙氣溫度的意義缺乏認(rèn)識(shí)，以致因爐膛出口煙氣溫度發(fā)生異常變化未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致故障的發(fā)生或擴(kuò)大，從而引發(fā)危險(xiǎn)事故。能效監(jiān)控根據(jù)XXXXXXXXX《特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范—TSGG0003－20XX工業(yè)鍋爐能效測(cè)試方法》提取適合傳感器采集的參數(shù)。蒸汽鍋爐蒸汽量測(cè)量（1）蒸汽量一般通過(guò)測(cè)量鍋爐給水流量來(lái)確定，給水流量可用經(jīng)標(biāo)定過(guò)的水箱或者精度不低于1.0級(jí)的流量計(jì)來(lái)測(cè)定；（2）過(guò)熱蒸汽量可以通過(guò)直接測(cè)量蒸汽流量來(lái)確定，測(cè)量方法可用精度不低于1.0級(jí)的流量計(jì)測(cè)量，如果鍋爐有自用蒸汽時(shí)，應(yīng)當(dāng)予以扣除。熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的介質(zhì)循環(huán)流量測(cè)量?jī)x表與方法熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的介質(zhì)循環(huán)流量，可在鍋爐回水（油）管道上，根據(jù)介質(zhì)特性，采用精度不低于1.0級(jí)的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。介質(zhì)壓力測(cè)量蒸汽鍋爐給水及蒸汽系統(tǒng)的壓力、熱水鍋爐及有機(jī)熱載體鍋爐介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)壓力測(cè)量應(yīng)當(dāng)采用精度不低于1.5級(jí)的壓力表。溫度測(cè)量鍋爐蒸汽、水、空氣、煙氣介質(zhì)溫度的測(cè)量，可根據(jù)介質(zhì)特性，采用精度不低于0.5級(jí)的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)熱水鍋爐進(jìn)、出水溫度應(yīng)當(dāng)采用讀數(shù)分辨為0.1℃的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。煙氣測(cè)量（1）煙氣測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)接近最后一節(jié)受熱面，距離不大于1m；（2）煙氣測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置在煙道截面上介質(zhì)溫度、濃度比較均勻的位置（約在煙道直徑的1/2至1/3處），當(dāng)煙道截面積大于1m2時(shí)，煙氣溫度測(cè)試應(yīng)當(dāng)采用網(wǎng)格法布置測(cè)點(diǎn)按附件G的要求進(jìn)行；（3）煙氣成分測(cè)試，RO2、O2可用奧氏分析儀測(cè)定，CO可用氣體檢測(cè)管測(cè)定，奧氏分析吸收劑按附件E方法配置；使用煙氣分析儀測(cè)量時(shí)，測(cè)定RO2、O2的精度不得低于1.0級(jí)，測(cè)定CO的的精度不得低于5.0級(jí)。傳感器采集參數(shù)基準(zhǔn)溫度（環(huán)境溫度）以鍋爐運(yùn)行環(huán)境自然溫度為基準(zhǔn)溫度，并且，環(huán)境溫度的變化，會(huì)影響鍋爐燃燒介質(zhì)的燃燒效率、蒸汽出入口溫度、爐體溫度等熱效率相關(guān)值數(shù)?；鶞?zhǔn)濕度（環(huán)境濕度）環(huán)境濕度可以做為參考值，對(duì)鍋爐熱效率有一定的輕微影響，對(duì)鍋爐燃燒介質(zhì)效率有一定影響。出口介質(zhì)溫度（出入口水溫）熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的進(jìn)、出口介質(zhì)溫度與設(shè)計(jì)值之差不宜大于±5℃；當(dāng)實(shí)際進(jìn)出水溫平均值與設(shè)計(jì)溫度平均值之偏差超過(guò)-5℃時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)試效率進(jìn)行折算；燃煤熱水鍋爐，出水溫度與額定溫度相差-15℃效率數(shù)值下降1％；對(duì)燃油、燃?xì)鉄崴仩t，出水溫度與額定溫度相差-25℃效率數(shù)值下降1％，不足或者大于上述溫度時(shí)，按比例折算；無(wú)論有無(wú)省煤器，在試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果分析中對(duì)此均予以扣除，帶有空氣預(yù)熱器的出水溫度偏差的效率不進(jìn)行折算，有機(jī)熱載體鍋爐效率折算參照熱水鍋爐進(jìn)行。蒸汽溫度蒸汽溫度是鍋爐做功的產(chǎn)品溫度，蒸汽溫度可通過(guò)在蒸汽出口位置管道上采用貼片式溫度計(jì)，實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度的測(cè)量，根據(jù)蒸汽輸出口介質(zhì)材質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度值的計(jì)算。排煙溫度水流量爐體溫度煙氣含量后裝式傳感器采集無(wú)傳感器鍋爐很多鍋爐由于客觀原因，沒(méi)有配裝控制箱，仍采用傳統(tǒng)儀表完全依靠人工來(lái)觀測(cè)鍋爐運(yùn)行當(dāng)中的各項(xiàng)參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的需要，需在現(xiàn)有鍋爐上加裝傳感器，通過(guò)無(wú)線傳感器模組進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集的目的。部分傳感器鍋爐有些鍋爐為了降低成本，多數(shù)情況下只安裝了爐膛溫度、水位、蒸汽壓力、水溫傳感器等與運(yùn)行控制有關(guān)的傳感器，如果采集能效數(shù)據(jù)，以上幾類傳感器是無(wú)法滿足的，因此，需要加裝煙氣溫度、爐體溫度、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳傳感器，以滿足能效監(jiān)測(cè)的需要。后裝傳感器選擇根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)于傳感頭的安裝部位和靈敏度有相應(yīng)要求，各參數(shù)要求為：名稱用途類型量程精度/靈敏度響應(yīng)時(shí)間溫度傳感器煙溫鎧裝0~200℃1℃360s爐體溫度貼片式0~100℃1℃Tres<1秒水溫插入式0~100℃1℃環(huán)境溫度傳感式RFID0~100℃0.5℃SO2傳感器煙氣含量插入式0~2000ppm1ppm≤20秒CO2傳感器煙氣含量插入式0~10000ppm±3%≤60秒壓力傳感器蒸汽壓力直入式0~25MPa≤1ms水位傳感器水位直入式0~300mm±10mm≤1ms流量傳感器水流量外貼式/葉輪式±1%≤20秒由于鍋爐是高溫高壓設(shè)備，并且安裝位置（運(yùn)行場(chǎng)所）環(huán)境較差，尤其是燃煤鍋爐環(huán)境粉塵較多，因此，傳感器選擇耐高溫、耐粉塵的工業(yè)傳感器，以保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少維護(hù)成本的同時(shí)，也減少了用戶因維護(hù)頻繁而造成的損失和厭煩感，以保證監(jiān)控工作的長(zhǎng)期進(jìn)行，保證監(jiān)控系統(tǒng)的順利推廣。安裝位置PLC控制箱采集對(duì)于帶有PLC控制設(shè)備系統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)，只需加裝SO2、CO2傳感器即可，其它數(shù)據(jù)可通過(guò)PLC的RS232或RS485接口接出，鍋爐PLC基本遵守標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議，直接通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。前裝傳感式采集安裝位置鍋爐在安裝前可安裝全套傳感器，數(shù)據(jù)采集最全面，相應(yīng)計(jì)算量減少。下圖是本項(xiàng)目其中一位用戶華北油田誠(chéng)信工業(yè)公司的煤粉鍋爐的前裝傳感器安裝示意。前裝式傳感器選擇前裝式傳感器的安裝是在設(shè)備出廠前將監(jiān)控傳感器安裝在鍋爐上，在與控制系統(tǒng)配合的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。前裝式傳感器由于是出廠前安裝，因此，傳感器的安裝比較全面，更容易實(shí)現(xiàn)較全面的數(shù)值監(jiān)控。前裝式傳感器同樣選擇耐高溫、耐粉塵的工業(yè)傳感器，以保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。名稱用途類型量程精度/靈敏度響應(yīng)時(shí)間溫度傳感器煙溫鎧裝0~200℃1℃360s爐膛溫度鎧裝0~1200℃1℃≤10秒蒸汽溫度鎧裝0~500℃1℃≤5秒爐體溫度貼片式0~100℃1℃≤1秒爐膛出口溫度鎧裝0~1200℃1℃≤1秒水溫插入式0~100℃1℃≤1秒環(huán)境溫度傳感式RFID0~100℃0.5℃≤10秒SO2傳感器煙氣含量插入式0~2000ppm1ppm≤20秒CO2傳感器煙氣含量插入式0~10000ppm±3%≤60秒壓力傳感器蒸汽壓力直入式0~25MPa≤360ms水位傳感器水位直入式0~300mm±10mm≤360ms流量傳感器水流量超聲波/葉輪式±1%≤20秒蒸汽流量葉輪式±1%≤15秒電流傳感器風(fēng)機(jī)電流互感式±1%≤250ms煙塵傳感器爐內(nèi)煙道積塵超聲波±1%≤360秒火焰?zhèn)鞲衅魅紵骰鹧孀贤?電阻≤1秒數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳感器傳感器作為人們感官的延伸，在現(xiàn)代社會(huì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本課題以溫度傳感器為例，使用模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無(wú)線通信技術(shù)，在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)，為科學(xué)家獲得野外的隨機(jī)數(shù)據(jù)提供方便；可以應(yīng)用于特種設(shè)備監(jiān)控，在設(shè)備上安裝一些特殊的傳感器，監(jiān)管部門可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況；在商業(yè)上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和中心主控計(jì)算機(jī)相結(jié)合，能夠給人們提供更舒適、方便、人性化的家居環(huán)境。普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的CPU模塊都采用TI公司的MSP系列單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗性能，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采樣，可以滿足各種需要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的應(yīng)用，具有一定的通用性。此外射頻部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的CC2420為核心組成射頻模塊，ZigBee對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最合適的無(wú)線局域網(wǎng)通信協(xié)議。建設(shè)背景隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，無(wú)線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術(shù)越來(lái)越成熟，方向也越來(lái)越多，越來(lái)越重要，大量的應(yīng)用方案開(kāi)始采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。微機(jī)電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。這樣的節(jié)點(diǎn)配合各類型的傳感器，可組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)和大區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，因此，它迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)行更新和改進(jìn)，需要精心設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí),WSN被列為第一;美國(guó)《今日防務(wù)》雜志更認(rèn)為WSN的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革?？梢灶A(yù)測(cè),WSN是信息感知和采集的一場(chǎng)革命,是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。低功耗無(wú)線傳感模塊，便是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。此方面的研究由來(lái)已久，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)，使用智能微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理和加工?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)建設(shè)的各個(gè)層面和人們的日常生活當(dāng)中。但過(guò)去的研究有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，在無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今天，在保證無(wú)線傳感模塊性能的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。建設(shè)目的當(dāng)前對(duì)于無(wú)線傳感技術(shù)的研究仍然處在一個(gè)高速發(fā)展的階段，低功耗就是其發(fā)展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實(shí)現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊的功能，增加模塊的可靠性和使用壽命，通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的硬件功耗的分析，確定無(wú)線傳感模塊各單元的基本功率消耗，并進(jìn)行相應(yīng)比較，確定需重點(diǎn)降耗的單元，在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前對(duì)低功耗無(wú)線傳感模塊的研究，通過(guò)對(duì)比分析選擇合適的芯片完成對(duì)低功耗無(wú)線傳輸模塊的自主設(shè)計(jì)和制作。并輔助軟件開(kāi)發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動(dòng)編寫，實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線傳感模塊的整體通信功能。建設(shè)意義無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)創(chuàng)了新應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。當(dāng)前，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。低功耗無(wú)線傳感模塊研究具有極其重要的學(xué)習(xí)和研究?jī)r(jià)值，其功能的實(shí)現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過(guò)深入的分析和對(duì)芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無(wú)線傳感模塊的硬件設(shè)計(jì)思路。其次，增加無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用。無(wú)線傳感模塊應(yīng)用已非常廣泛，除去組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，無(wú)線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，如車間溫濕度、壓力等；短距無(wú)線通信等。實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感模塊的低功耗，其對(duì)電能的需求就會(huì)更小，應(yīng)用的范圍將會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大。應(yīng)用技術(shù)無(wú)線傳感模塊是指由處理器模塊、無(wú)線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無(wú)線通信自治系統(tǒng)，它采用一定的頻率和編碼方法實(shí)現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無(wú)線技術(shù)的一種。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀測(cè)者[3]。PCB是PrintedCircuitBoard的縮寫，中文意為印刷電路板，是搭配電子零件之前的基板，被譽(yù)為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀無(wú)線傳感模塊是新興的下一代無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本部分。最早的代表性論述出現(xiàn)在二十世紀(jì)九十年代末，題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無(wú)線傳感器等幾個(gè)階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎(chǔ)上將處理計(jì)算能力與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對(duì)所采集到的信息進(jìn)行一定程度的計(jì)算和處理；無(wú)線傳感器則是在智能傳感器的基礎(chǔ)上再集成無(wú)線功能模塊，使得傳感器不再是單獨(dú)的感知模塊，而是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和控制的有機(jī)整體。為了實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無(wú)線通信技術(shù)獲得了蓬勃發(fā)展。在正交頻分復(fù)用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基礎(chǔ)技術(shù)支持下，多種無(wú)線技術(shù)如藍(lán)牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無(wú)線局域網(wǎng)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無(wú)線技術(shù)，近幾年正是其大變革時(shí)期。隨著幾種重要基礎(chǔ)技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用，無(wú)線通信的速度也將得到大大提高。無(wú)線傳感模塊屬于無(wú)線技術(shù)中較為底層的一個(gè)分支，由于越來(lái)越多的應(yīng)用方案開(kāi)始采用無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障，因此無(wú)線傳感模塊的設(shè)計(jì)，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平臺(tái)的主要區(qū)別是采用了不同的處理器和無(wú)線通信模塊。有些節(jié)點(diǎn)具有高性能但功耗較大，如Imote2節(jié)點(diǎn)，不適用于能量受限的應(yīng)用環(huán)境。其他一些節(jié)點(diǎn)，如Telos、Mica等，由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其性能已經(jīng)落后于當(dāng)今的集成電路工業(yè)設(shè)計(jì)水平。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。ITP（美國(guó)再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)計(jì)劃）在2002年發(fā)布的報(bào)告“21世紀(jì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)”第一頁(yè)中引用了總統(tǒng)科技顧問(wèn)的斷言：無(wú)線傳感器可將能源利用率提高10%，將能源損耗減少25%。后來(lái)的研究，如Intel(r)Mote的研究項(xiàng)目則注重了三個(gè)方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級(jí)集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需要一定的努力。MIT發(fā)展的模塊化平臺(tái)對(duì)于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計(jì)，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來(lái)使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的系統(tǒng)來(lái)取代單一的硬件系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及集成技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也會(huì)得到不斷的發(fā)展和完善。并且會(huì)有更多的結(jié)構(gòu)新、功能強(qiáng)、耗能低的傳感器用運(yùn)于各種實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務(wù)于更加廣泛的領(lǐng)域。發(fā)展趨勢(shì)正是由于低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在如此廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，使得它受到了來(lái)自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學(xué)術(shù)專家的極大關(guān)注。其發(fā)展方向必然是無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過(guò)自組網(wǎng)的方式形成動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。我國(guó)迫切需要提升對(duì)此的認(rèn)識(shí)程度，并盡快推動(dòng)其發(fā)展。因此，以無(wú)線傳感模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線互聯(lián)將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。另外由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同。已有的節(jié)點(diǎn)，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，無(wú)線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。即在保證所需要實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量的實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當(dāng)減少部分功能來(lái)實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。除開(kāi)以上所講兩種發(fā)展趨勢(shì)之外，無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當(dāng)前對(duì)無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是被固定的安放在一個(gè)地方，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)環(huán)境的檢測(cè)，就需要向環(huán)境中投放大量的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。這樣一來(lái)成本就會(huì)非常的高。若實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊對(duì)信息的移動(dòng)式采集，則在同一個(gè)環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面檢測(cè)。正是由于當(dāng)前能耗對(duì)無(wú)線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，不論是使用電源或者電池供電，在實(shí)現(xiàn)低功耗后，無(wú)線傳感模塊的發(fā)展趨勢(shì)必然是自生能源式的。利用太陽(yáng)能、振動(dòng)能量、地?zé)?、風(fēng)能等實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊的電能供應(yīng)對(duì)于全面提高無(wú)線傳感模塊的能力將會(huì)起到巨大的作用。最后，基于能力存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，電池的容量越來(lái)越大，再加上低功耗的實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會(huì)成為一個(gè)絕對(duì)趨勢(shì)。未來(lái)的無(wú)線傳感模塊必將是集穩(wěn)定性與安全性、擴(kuò)展性與靈活性、微型化與低成本等特點(diǎn)為一體的。無(wú)線傳感模組優(yōu)勢(shì)考慮到鍋爐環(huán)境中發(fā)熱設(shè)備較多，為了安全和保證監(jiān)控的需要，在鍋爐運(yùn)行環(huán)境中盡量避免過(guò)多布線，并且鍋爐本身就是一個(gè)高溫體，即使采用抗高溫線路，也增加了維護(hù)的難度。由于鍋爐結(jié)構(gòu)的不同，傳感器布點(diǎn)較散，采用有線連接方式，容易使鍋爐運(yùn)行環(huán)境內(nèi)線路叉，鍋爐體上線路較多，容易引起安全問(wèn)題，并且信號(hào)線屬于弱電系統(tǒng)，對(duì)布線方法、布線距離、布線材質(zhì)有較高要求，因此，采用無(wú)線模組是快捷、安全、低成本的最佳解決方法。無(wú)線傳感模組本身即可由電池供電，并內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換模塊，亦可外接供電，因傳感頭的需要，只需布最高24V的交流電線即可，省去了強(qiáng)弱電布線的繁雜要求，并且使線路簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。無(wú)線傳感模組本身采用ZigBee技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送，亦兼容WiFi技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的區(qū)域性遠(yuǎn)程傳送。無(wú)線模組的使用可節(jié)省布線，解決了傳感器點(diǎn)位散、多從而導(dǎo)致線路復(fù)雜的問(wèn)題。硬件設(shè)計(jì)WSN普通節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集起來(lái)并將其發(fā)送到鄰居節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1：WSN中普通傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)WSN匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)收集起來(lái)，并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理將其需要的格式發(fā)送給最終監(jiān)控計(jì)算機(jī)。圖2：WSN中匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中央處理器CPU由于整個(gè)設(shè)計(jì)要以低功耗為原則，一次選取了業(yè)界公認(rèn)的超低功耗處理器MSP430系列單片機(jī)。TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶60kFlashROM存儲(chǔ)器的單片機(jī)可以存儲(chǔ)大量的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集信息還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430系列單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1mA～400mA之間，RAM在節(jié)電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)點(diǎn)必須依靠電池供電。所以采用MSP430F149是最佳選擇。無(wú)線通信采用挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2420是全球首顆符合802.15.4/ZigBee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，采用0118μm工藝。為了保持和ZigBee[4]標(biāo)準(zhǔn)一致，CC2420支持250kbps數(shù)據(jù)傳輸率。芯片具有50個(gè)寄存器：33個(gè)控制、狀態(tài)寄存器；15個(gè)命令選通寄存器；2個(gè)先入先出緩存控制寄存器。本設(shè)計(jì)的一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于選取了硬件上支持IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的LLC子層，因此這時(shí)我們只需在協(xié)議層上實(shí)現(xiàn)上層的安全層，MAC層和用戶的應(yīng)用層協(xié)議。下面介紹ZigBee協(xié)議在新一代無(wú)線通信中的特點(diǎn)和對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活?？煽浚翰扇×伺鲎脖苊獠呗裕–SMA-CA），同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。CPU和RF接口設(shè)計(jì)如圖所示：圖3：MCU與RF之間的接口單片處理器通過(guò)4線制SPI總線接口和射頻芯片CC2420通信，單片微處理器可以通過(guò)編程使CC2420工作在不同的狀態(tài)，讀、寫緩存數(shù)據(jù)，讀CC2420回饋的信息。在與射頻芯片的接收、發(fā)送FIFO接口時(shí)用FIFO和FIFIOP引腳進(jìn)行狀態(tài)的控制和讀取信息；射頻天線部分的原理圖如圖5所示，在2.4GHZ的無(wú)線通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用的對(duì)信號(hào)屏蔽和保護(hù)效果很好的環(huán)形天線設(shè)計(jì)，采用帶屏蔽層的四層PCB設(shè)計(jì)，在實(shí)際中取得了很好的效果，天線部分的阻抗匹配電路原理圖如下面所示。圖4：射頻天線部分的信號(hào)保護(hù)原理圖USB-UART轉(zhuǎn)換USB2.0標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為現(xiàn)在計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。這樣用戶可以很方便的攜帶移動(dòng)設(shè)備，設(shè)備之間可以達(dá)到很快的數(shù)據(jù)傳輸速度并達(dá)到很好的抗干擾性，一邊是設(shè)備穩(wěn)定可靠的工作。這個(gè)模塊選用FTDI-232BM總線芯片實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的串行RS232轉(zhuǎn)換USB的電路。此款總線芯片的接口：只有三個(gè)接口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，還有一個(gè)多功能口。如圖所示總線轉(zhuǎn)接芯片周圍電路原理圖。圖5：USB轉(zhuǎn)232總線芯片原理圖數(shù)據(jù)采集電路節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實(shí)際需要選定合適的傳感器，如振動(dòng)、聲響、溫度、光線等，因?yàn)檎麄€(gè)模塊由電池供電，這就要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單，最好采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。本設(shè)計(jì)采用AD公司的兩維數(shù)字加速度計(jì)ADXL202和Maxim公司的線式數(shù)字溫度計(jì)DS18B20是很好的選擇。底層協(xié)議底層軟件設(shè)計(jì)（1）數(shù)據(jù)采集部分程序：ADC12Init：初始化CPU的AD采集通道數(shù)，采集時(shí)間，位數(shù)，等基本信息，并開(kāi)定時(shí)器中斷；ADC12_ISR：中斷子程序，定時(shí)器中斷到時(shí)后將AD緩存中的數(shù)字量存儲(chǔ)到堆棧數(shù)組中去，等待發(fā)送。MCU操作CC2420中的寄存器的時(shí)序參見(jiàn)【2.1.2.3.4標(biāo)準(zhǔn)】。SPI操作設(shè)置CC2420程序設(shè)計(jì)分為基本的異步串行口發(fā)送接收程序，設(shè)置控制狀態(tài)寄存器的函數(shù)；讀取、更新射頻芯片狀態(tài)寄存器。具體的API函數(shù)可以參考文中表一的設(shè)計(jì)。表一射頻控制API函數(shù)通信協(xié)議程序IEEE802.15.4/ZigBee傳輸?shù)膸袷郊捌渥饔茫涸贗EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義了一套新的安全協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，方案中，采用的無(wú)線模塊根據(jù)IEEE802.15。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了一套幀格式來(lái)傳輸各種數(shù)據(jù)。如圖所示是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的符合標(biāo)準(zhǔn)的在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中各種幀的一般格式。命令幀：主要功能是在全功能設(shè)備和對(duì)精簡(jiǎn)功能設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的行為和狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視；數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是把指定的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)中指定節(jié)點(diǎn)上的外部設(shè)備中，具體的接收目標(biāo)也由這兩種幀結(jié)構(gòu)中的“目標(biāo)地址”給定。返回幀：是返回型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是無(wú)線模塊將發(fā)送數(shù)據(jù)接收情況反饋給自身的幀。圖6：符合IEEE802.15.4/ZigBee通信協(xié)議幀程序中定義發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體包括下列信息：發(fā)送幀序列號(hào)、發(fā)送設(shè)備源地址、PAN網(wǎng)絡(luò)的地址、幀長(zhǎng)度、接收數(shù)據(jù)指針等信息。本文的幀發(fā)送和接收程序設(shè)計(jì)符合ZigBee協(xié)議的要求，對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收在軟件上實(shí)現(xiàn)了最可靠的形式。下圖所示為發(fā)送程序的流程圖。接收程序流程圖考慮到WSN的應(yīng)用低功耗性，本設(shè)計(jì)采用低功耗的MSP430系列單片機(jī)，完成了基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件電路設(shè)計(jì)，其中包括基于超低功耗MCU最小系統(tǒng)的核心控制模塊、無(wú)線射頻收發(fā)模塊、以及一種能夠通過(guò)USB-COM端口對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接口供電、編程和控制的功能模塊，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了外部接口。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)特殊的背景選取了具有多種優(yōu)勢(shì)的ZigBee通信協(xié)議，并對(duì)ZigBee協(xié)議棧的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了ZigBee無(wú)線通信協(xié)議棧的通信程序，能夠很好的符合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種需求。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的無(wú)線通信協(xié)議。溫感RFID標(biāo)簽建設(shè)背景RFID（RadioFrequencyIdentification）。射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)和機(jī)械電子自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科綜合應(yīng)用為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。射頻識(shí)別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、操作快捷、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體，且可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽等許多優(yōu)點(diǎn)。但是RFID抗干擾性較差，這對(duì)它的應(yīng)用是個(gè)限制。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)過(guò)于分散，在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，精確傳感節(jié)點(diǎn)位置較為困難，這對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也產(chǎn)生了一些影響。如果將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同RFID結(jié)合起來(lái)，利用RFID精確的定位性能，并且利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高達(dá)100m的有效半徑，形成RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)。在國(guó)防安全、特種設(shè)備監(jiān)控、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都會(huì)有重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景。建設(shè)意義RFID在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用就是綜合了RFID和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，它繼承了RFID利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)的特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)感知與通信的功能。因此，RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠更加精確的得到節(jié)點(diǎn)甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息，對(duì)控制中心采取下一步措施起著莫大的幫助。RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)往往是隨機(jī)布置在工作區(qū)域當(dāng)中，大量節(jié)點(diǎn)位置在監(jiān)測(cè)區(qū)域中是隨機(jī)的、未知的。雖然兩者結(jié)合能夠極大的改善系統(tǒng)的，能夠優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，但是其依然具有一些比較嚴(yán)重的問(wèn)題，比如：工作頻率選擇、RFID天線研究、防沖突技術(shù)研究、安全與隱私問(wèn)題。由于我們?cè)趯?shí)際運(yùn)用中，如定位、監(jiān)測(cè)都必須熟知節(jié)點(diǎn)的分布的具體位置，所以，我們要對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行良好的識(shí)別。只有明確的識(shí)別這些節(jié)點(diǎn)，我們的傳感器網(wǎng)絡(luò)才是有意義的。所以為了防止識(shí)別中的沖突問(wèn)題，我們必須對(duì)其算法進(jìn)行研究，改進(jìn)，爭(zhēng)取提出像ALOHA算法這樣高效的算法，并且能夠提出更為合理，更加具有實(shí)用性的算法。這樣帶動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在對(duì)RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體研究，但是其中還面臨著許多問(wèn)題，需要我們這一代的人對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究，對(duì)具體的算法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。讓該技術(shù)能真正的改變我們的生活。當(dāng)前，RFID技術(shù)研究主要集中在工作頻率選擇、天線設(shè)計(jì)、防沖突技術(shù)和安全與隱私保護(hù)等方面。目前國(guó)內(nèi)外比較突出的項(xiàng)目研究有：美國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，就陸續(xù)展開(kāi)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無(wú)線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級(jí)協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目。自2001年起，美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景研究計(jì)劃局(DARPA)每年都投入千萬(wàn)美元進(jìn)行RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，并在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進(jìn)行了大量RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國(guó)的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通過(guò)與高校合作的方式逐漸介入該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作，并紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的研發(fā)計(jì)劃，在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化、低功耗設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面都取得了許多重要的研究成果。DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能塵埃、Mote、Mica系列節(jié)點(diǎn)已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入應(yīng)用測(cè)試階段。除美國(guó)以外，日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)的RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中。2001年，中國(guó)科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開(kāi)始，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)開(kāi)始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題?！爸袊?guó)未來(lái)20年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”提出的157個(gè)技術(shù)課題中有7項(xiàng)直接涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個(gè)前沿方向，其中2個(gè)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。最值得一提的是，中國(guó)工業(yè)與信息化部在2008年啟動(dòng)的“新一代寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)”國(guó)家級(jí)重大專項(xiàng)中，有第6個(gè)子專題“短距離無(wú)線互聯(lián)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專門針對(duì)RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)立的。我國(guó)的二代身份證采用了13.56MHZ的RFDI技術(shù)作為其內(nèi)核技術(shù)，在防偽方面取得了重大的突破。這些都是我們國(guó)家在RFID無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的具體研究。RFID技術(shù)RFID通信原理圖4-10：rfid通信原理圖RFID分類頻率區(qū)分低頻(LF)：125~134KHz高頻(HF)：13.56MHz超高頻(UHF)：862MHz~928MHz微波(Microwave)：2.45GHz~5.8GHz電池有無(wú)無(wú)源：無(wú)電池，藉由電磁或微波產(chǎn)生電源有源：標(biāo)簽內(nèi)建電池，主動(dòng)發(fā)波特殊用途標(biāo)簽如溫度感應(yīng)、電子封條…等（三）RFID特性芯片唯一序號(hào)（UniqueID）較大的存儲(chǔ)容量非接操作讀取距離較遠(yuǎn)安全性高（密鑰）防碰撞研究在鍋爐運(yùn)行環(huán)境中，RFID標(biāo)識(shí)記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容、記錄形式、標(biāo)識(shí)方法、所用材質(zhì)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，探討運(yùn)行過(guò)程中RFID的應(yīng)用手段。傳感型RFID標(biāo)簽標(biāo)簽的功能設(shè)計(jì)（1）適合食品物流追溯的傳感型RFID標(biāo)簽：根據(jù)食品追溯的需要，設(shè)計(jì)了帶有溫感、濕感、光感傳感器的標(biāo)簽，便于數(shù)據(jù)的采集，配合相配套的RFID讀寫機(jī)具或模組，以達(dá)到食品生產(chǎn)、加工、包裝、運(yùn)輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解碼、全程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析和呈現(xiàn)。標(biāo)簽帶有自動(dòng)休眠和喚醒功能，以節(jié)省標(biāo)簽電力，延長(zhǎng)標(biāo)簽電池使用時(shí)間；傳感器的加入，同時(shí)也為標(biāo)簽防拆提供了功能實(shí)現(xiàn)的條件。（2）適合危險(xiǎn)設(shè)施監(jiān)管的傳感型RFID標(biāo)簽：根據(jù)危險(xiǎn)設(shè)施監(jiān)測(cè)管理的需要，設(shè)計(jì)了帶有溫感、濕感、光感、壓感、氣體感應(yīng)等傳感器的標(biāo)簽，以達(dá)到對(duì)危險(xiǎn)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)的采集，配合相配套的RFID讀寫機(jī)具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)設(shè)施的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解碼、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析和呈現(xiàn)。標(biāo)簽結(jié)構(gòu)典型的有源標(biāo)簽電路包括天線、射頻前端、控制器、存儲(chǔ)器，電池模塊等。其中射頻前端負(fù)責(zé)發(fā)送調(diào)制、接收解調(diào)標(biāo)簽與讀寫器之間的指令信號(hào)和反射應(yīng)答信號(hào)。微控制器執(zhí)行讀寫器的指令，完成標(biāo)簽的正確識(shí)別。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽識(shí)別程序和射頻標(biāo)簽相關(guān)信息。傳感型標(biāo)簽的整體架構(gòu)采用單片機(jī)+天線控制器IC+傳感控制器IC+天線+傳感器組成；為了安裝和維護(hù)方便，標(biāo)簽采用了緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳感器、主板和電池座（或焊接電池）全部在集成在一塊線路板上，外殼模具化；標(biāo)簽電池根據(jù)使用環(huán)境和需求不同，采用了可更換和一次性電池兩種不同的設(shè)計(jì)。標(biāo)簽結(jié)構(gòu)標(biāo)簽主板（1）線路板采用雙層PCB板，將CPU和IC、傳感IC、傳感器、外圍元件、天線等全部集成在PCB板上；（2）CPU、天線控制器IC、傳感器IC、傳感器全部采用表面貼焊方式貼裝到線路板上，電池座（或電池直接焊裝）采用插孔式焊接，以保證電池固定在線路板上；（3）天線采用刻蝕技術(shù)，使標(biāo)簽天線不易損壞，銅基和鋁基材料，對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性和信號(hào)強(qiáng)度有較好的保障，標(biāo)簽天線為全向天線，圓極化方式，以增加覆蓋率，減少駐波比，將漏讀率降至極低，以保持標(biāo)簽與讀寫機(jī)具（模組）指令交互的可靠性；A類天線B類天線（4）兩塊鈕扣電池組成電池組，電源控制部分自動(dòng)在兩塊電池間切換，一塊電池電量低至無(wú)法滿足正常工作時(shí)，電源控制器自動(dòng)切換至另一塊電池；標(biāo)簽功耗由于有源電子標(biāo)簽采用電池供電，而電池的容量和使用時(shí)間有限，所以必須對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，從而盡可能延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。而在整個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中，射頻前端芯片的選取直接影響標(biāo)簽的功耗，因?yàn)闃?biāo)簽消耗能量的近2/3用于無(wú)線收發(fā)。nRF24L01芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作電源，可采用電池供電，在相同工作模式下，比同類公司芯片節(jié)省近1/3的能量。芯片在不同模式下的工作電流如表所示。工作模式測(cè)試條件工作電流發(fā)送0dBm11.3mA接收2Mb/s12.3mA待機(jī)13032μs32μA掉電0.9μAnRF24L01具有突發(fā)傳遞（ShockBurst）的收發(fā)工作模式。該模式允許用戶使用較低速經(jīng)微控制器把數(shù)據(jù)傳入nRF24L01芯片，芯片內(nèi)部開(kāi)辟有FIFO緩存區(qū)，在緩沖區(qū)內(nèi)將數(shù)據(jù)組幀，以高速將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。這樣縮短了發(fā)射模塊的發(fā)射時(shí)間，減少了發(fā)射模塊的切換次數(shù)，降低了發(fā)射電流損耗，使射頻芯片間歇工作，降低功耗。同時(shí)突發(fā)模式使得像89LV51這種低成本和速度相對(duì)較慢的微控制器可處理2Mb/s的無(wú)線傳輸。在增強(qiáng)型突發(fā)傳遞（EnhancedShockBurst）模式中，鏈路層以固件形式集成在芯片中，可以在接收到數(shù)據(jù)包后自動(dòng)回傳應(yīng)答信號(hào)ACK，如果發(fā)送端沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)，說(shuō)明檢測(cè)到有數(shù)據(jù)丟失，則自動(dòng)重傳丟失的數(shù)據(jù)包。nRF24L01用增強(qiáng)型突發(fā)傳遞模式處理了所有鏈路層的高速操作，使雙向鏈路的通信更易于控制和實(shí)現(xiàn)，由于系統(tǒng)微控制器不需要具備硬件SPI接口，使系統(tǒng)成本進(jìn)一步降低。微控制器無(wú)需參與整個(gè)雙向鏈路的通信，降低了微控制器的功耗。芯片提供掉電模式（PowerDownmode），在此工作模式下，器件的所有功能除SPI接口外全部關(guān)閉，使得芯片的消耗電流最低。寄存器的值全部保留，可以在芯片處于掉電模式下與微處理器通信。芯片還提供待機(jī)模式（Standbymode）。為減小電流損耗，部分內(nèi)部振蕩器停振，RF收發(fā)單元停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式I。待機(jī)模式II在待機(jī)模式I的基礎(chǔ)上激活了部分必須的時(shí)鐘緩存器。這兩種模式都是為了減小功耗而設(shè)計(jì)的，具有最小化平均消耗電流以及較短的喚醒時(shí)間。標(biāo)簽數(shù)據(jù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)包含了標(biāo)簽ID、傳感器數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、UserBlock數(shù)據(jù)；標(biāo)簽具備2Kbit~8Kbit的存儲(chǔ)容量，根據(jù)實(shí)際需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以對(duì)Block進(jìn)行分區(qū)定義；指令集在基礎(chǔ)指令集上加入了傳感器指令、休眠指令、電量指令、FLASH控制指令等，形成專用的編解碼協(xié)議，實(shí)現(xiàn)異步/實(shí)時(shí)兩種方式的指令響應(yīng)機(jī)制，數(shù)據(jù)采用AES加密方式，增加數(shù)據(jù)的安全性。內(nèi)部邏輯（軟件）標(biāo)簽本身就是一臺(tái)超小型單片機(jī)，為內(nèi)置軟件的開(kāi)發(fā)提供了較大的自由度，標(biāo)簽內(nèi)置軟件（邏輯）具備了自檢、Block管理、控制器管理、協(xié)議控制、電源管理等功能；標(biāo)簽自我檢測(cè)每500ms進(jìn)行一次狀態(tài)自檢，發(fā)生異常，主動(dòng)上報(bào)；標(biāo)簽狀態(tài)控制標(biāo)簽在無(wú)法取得讀寫機(jī)具（模組）信號(hào)時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，并且每秒鐘自動(dòng)喚醒一次；標(biāo)簽在收到讀寫機(jī)具（模組）信號(hào)時(shí)，立即進(jìn)入工作模式。標(biāo)簽的封裝標(biāo)簽采用高強(qiáng)度工程塑料做為外殼，采用真空環(huán)境下的激光焊接技術(shù)將上下殼焊接在一起，形成一體。標(biāo)簽的檢測(cè)標(biāo)簽除進(jìn)行讀寫測(cè)試外，還進(jìn)行高濕、高壓極限測(cè)試，采用空壓機(jī)、水浸方式進(jìn)行密封檢測(cè)、高溫/低溫檢測(cè)等，嚴(yán)格把關(guān)各個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)，以使標(biāo)簽?zāi)苓m應(yīng)多種環(huán)境。溫感型讀寫器讀寫器的開(kāi)發(fā)是在現(xiàn)有閱讀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)解析標(biāo)簽傳感器的數(shù)據(jù)，達(dá)到RFID具備感應(yīng)功能的目的，以適用于特種設(shè)備監(jiān)管需要。讀寫器是射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心部件，其主要任務(wù)是控制射頻模塊與電子標(biāo)簽進(jìn)行通訊，接收電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)并對(duì)電子標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，再將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連同電子標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)或中間件以供處理。下圖是讀寫器工作的基本模式，其中應(yīng)用程序接口也可以是與中間件的接口。讀寫器基本工作模式如下圖：讀寫器工作模式圖讀寫器在射頻識(shí)別系統(tǒng)中作為連接后端應(yīng)用系統(tǒng)與前端信息載體—電子標(biāo)簽之間的主要通道，起著舉足輕重的作用。讀寫器主要完成以下功能：（1）讀寫器必須能夠在規(guī)定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)條件下完成與電子標(biāo)簽之間的通信功能；（2）讀寫器要具備一定的通信接口，如USB、RS232/RS485、RJ45、Bluetooth、WLAN、Weigand等，可以與主機(jī)或中間件者進(jìn)行通信；（3）讀寫器能夠在讀寫器識(shí)別范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多電子標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀，要具備數(shù)據(jù)防碰撞功能；（4）讀寫器要適用于固定和移動(dòng)電子標(biāo)簽的識(shí)讀；（5）讀寫器要具備一定的錯(cuò)誤判斷能力（例如加入奇偶校驗(yàn)或者冗余校驗(yàn)等），能夠校驗(yàn)讀寫過(guò)程中的錯(cuò)誤信息；（6）對(duì)于安全性要求比較高的場(chǎng)合，還需要有物理方式或者邏輯方式的保密機(jī)制，例如在基帶模塊加入加密/解密模塊。讀寫器結(jié)構(gòu)雖然射頻識(shí)別系統(tǒng)在耦合方式（電感耦合或電磁耦合）、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸方式以及系統(tǒng)頻率的選擇上存在很大的區(qū)別，但讀寫器的基本原理基本相似，由此決定的讀寫器構(gòu)造都近似具有如下圖的結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)讀寫器主要由天線、射頻模塊和基帶模塊三個(gè)部分組成。讀寫器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖基帶模塊的主控制器是系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)接收用戶命令、對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行編碼及加密和對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解碼和解密；射頻模塊首先要產(chǎn)生射頻能量，完成對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制發(fā)射和解調(diào)接收；天線負(fù)責(zé)將發(fā)射信號(hào)給電子標(biāo)簽，并接收來(lái)自電子標(biāo)簽的信號(hào)；安全保密模塊實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽信息的安全認(rèn)證。讀寫器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口（如USB、RS232/RS485、RJ45、WLAN等）實(shí)現(xiàn)與主機(jī)或中間件的通信。射頻模塊讀寫器射頻前端模塊負(fù)責(zé)讀寫命令的調(diào)制發(fā)送和電子標(biāo)簽信息的接收解調(diào)，其功能主要包括以下幾個(gè)方面：（1）完成對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制，將讀寫器的控制命令調(diào)制到射頻信號(hào)上。（2）完成對(duì)發(fā)射信號(hào)的功率放大，從而使射頻信號(hào)能夠傳播至電子標(biāo)簽的信號(hào)范圍；（3）實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的收發(fā)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離。（4）完成電子標(biāo)簽后向反射信號(hào)的下變頻處理，為基帶處理模塊提供信號(hào)。讀寫器基帶讀寫器基帶模塊負(fù)責(zé)接收用戶命令、對(duì)命令進(jìn)行編碼和對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解碼，基帶模塊的主要任務(wù)可以概括如下：（1）完成與主機(jī)或中間件的通信，執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令。（2）控制與射頻電子標(biāo)簽的通信。（3）基帶信號(hào)的編碼與解碼。（4）執(zhí)行防碰撞算法。（5）對(duì)讀寫器和電子標(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。（6）進(jìn)行讀寫器和電子標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證。（7）根據(jù)既定協(xié)議和編碼規(guī)則，解析電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)及標(biāo)簽內(nèi)置的傳感器數(shù)據(jù)。讀寫器天線數(shù)據(jù)傳輸是RFID系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。射頻信號(hào)通過(guò)閱讀器天線和標(biāo)簽天線的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此，天線在整個(gè)RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色，一方面天線的好壞決定了系統(tǒng)的通信質(zhì)量，另一方面天線決定了系統(tǒng)的通信距離。射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器必須通過(guò)天線來(lái)輻射能量，形成電磁場(chǎng)，通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)讀。天線所形成的電磁場(chǎng)范圍就是射頻識(shí)別系統(tǒng)的可讀寫區(qū)域。讀寫器天線作為電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電磁信號(hào)的裝置，具有多種不同的形式和結(jié)構(gòu)，如偶極天線、雙偶極天線、陣列天線、八木天線、螺旋天線、環(huán)行天線等。其中環(huán)行天線主要用于低頻和中頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中，如13.56MHz，在工作頻率為433MHz、800/900MHz和2.45GHz的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，主要采用平板天線、八木天線和陣列天線等天線來(lái)完成能量和數(shù)據(jù)的電磁耦合。射頻識(shí)別系統(tǒng)可以采用收發(fā)共用一個(gè)天線的方式，也可以收發(fā)天線分開(kāi)以達(dá)到更好的隔離效果。讀寫器天線的參數(shù)主要有：工作頻率、頻帶寬度、方向性增益、極化方式、波瓣寬度、作用距離等。在設(shè)計(jì)讀寫器天線時(shí)要注意如下特點(diǎn)：（1）頻率范圍天線的工作頻率和頻帶寬度要符合射頻識(shí)別系統(tǒng)的頻率范圍要求，如超高頻系統(tǒng)中天線可以在840-960MHz頻率范圍之間，微波系統(tǒng)中天線可以在2.4GHz-5.8GHz頻率范圍之間。微波2.4GHz~2.5GHz頻段的有源RFID系統(tǒng)，微波頻段對(duì)人體和電子設(shè)備的影響最小，目前WiFi、藍(lán)牙等通訊設(shè)備均使用2.4GHz~2.5GHz通信頻段，是符合國(guó)家無(wú)線管理委員會(huì)相關(guān)的民用通訊頻率規(guī)定。經(jīng)實(shí)際研究測(cè)試，最遠(yuǎn)距離可達(dá)到300米，低于1W功率時(shí)可達(dá)到208米的距離，穩(wěn)定距離可在150~187米范圍，調(diào)節(jié)天線增益（2）天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。它定量地描述了一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。在研制的四個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用的天線增益根據(jù)應(yīng)用需求不同有4dBi、6dBi、8dBi、11dBi等不同數(shù)值。讀寫器的天線增益在一定程度上決定了射頻識(shí)別系統(tǒng)的作用距離，一般來(lái)說(shuō)，天線增益越大，讀寫器作用距離越遠(yuǎn)，但是讀寫器的能量輻射要受無(wú)線電頻譜規(guī)則的限制。（3）天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成，其中電場(chǎng)的方向就是天線的極化方向。天線的極化方式有線極化（水平極化和垂直極化）和圓極化（左旋極化和右旋極化）等方式。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用的天線極化方式可能不同。（4）天線最大輻射方向兩側(cè)輻射強(qiáng)度降低3dB（即功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間夾角被定義為天線的波瓣寬度。波瓣寬度越窄，方向性就越好，作用距離就越遠(yuǎn)，抗干擾能力就越強(qiáng)，但同時(shí)天線的覆蓋范圍也就越小。實(shí)際中要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和功能需求進(jìn)行選擇。（5）讀寫器的作用距離受讀寫器發(fā)射功率的限制，通常情況下，發(fā)射功率越大，作用距離越大，但是讀寫器的發(fā)射功率要受國(guó)家相關(guān)無(wú)線電頻譜規(guī)則的限制。另外電子標(biāo)簽的感應(yīng)靈敏度也是影響讀寫器作用距離的一個(gè)重要因素。對(duì)于固定式讀寫器，發(fā)射功率要求不大于2W，對(duì)于手持式讀寫器，發(fā)射功率不大于0.5W。（6）讀寫器天線采用線極化設(shè)計(jì)，使用定向天線，讀寫范圍為X軸為75°，Y軸為55°，因天線控制器的擴(kuò)展，在實(shí)際使用中也可以配用圓極化天線；硬件接口由于接口是與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的重要部件，為防止靜電損壞、磁場(chǎng)等對(duì)接口的影響，防止數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率增加，數(shù)據(jù)接口采用了光隔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。開(kāi)發(fā)APIAPI采用C語(yǔ)言編寫，將接口連接、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)獲取、指令發(fā)送、協(xié)議接口、設(shè)備設(shè)置等功能集中在API當(dāng)中，便于課題總體任務(wù)開(kāi)發(fā)的使用。配套設(shè)施為了更好的完成任務(wù)，使用自籌資金，配套了新的真空機(jī)、激光焊接機(jī)、觸控機(jī)、元件貼焊、接口類型轉(zhuǎn)換等設(shè)備設(shè)施，以滿足封裝和嚴(yán)格測(cè)試的需要。標(biāo)簽和讀寫機(jī)具開(kāi)發(fā)工作采用了邊開(kāi)發(fā)邊測(cè)試和聯(lián)測(cè)的方式，對(duì)標(biāo)簽采用了高溫、暴力破壞、浸水等測(cè)試，對(duì)讀寫模組采用了高溫、高濕、反復(fù)啟動(dòng)、反復(fù)斷電/上電測(cè)試，目前測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期目的，可以進(jìn)行示范性測(cè)試。RFID標(biāo)簽測(cè)試2010-12-21測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試內(nèi)容測(cè)試結(jié)果高溫+50℃工作正常低溫-30℃工作正常，耗電量增加濕度100%工作正常，濕度傳感器標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；浸水標(biāo)簽無(wú)進(jìn)水現(xiàn)象，封狀達(dá)到要求；暴力破壞10米墜落標(biāo)簽無(wú)破裂現(xiàn)象，工作正常摔標(biāo)簽無(wú)破裂現(xiàn)象，工作正常踩標(biāo)簽有輕微損壞，工作正常磁干擾恒定磁場(chǎng)輕微影響同頻交變磁場(chǎng)影響較大RFID讀寫模組測(cè)試2010-12-21測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試內(nèi)容測(cè)試結(jié)果高溫+50℃工作正常低溫-30℃工作正常，耗電量增加濕度100%工作正常，濕度傳感器標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；暴力破壞10米墜落無(wú)損壞現(xiàn)象，工作正常摔無(wú)損壞現(xiàn)象，工作正常磁干擾恒定磁場(chǎng)輕微影響同頻交變磁場(chǎng)影響較大啟動(dòng)30次/小時(shí)無(wú)故障反復(fù)開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)20次/小時(shí)無(wú)燒毀寬電壓5—10v/9-12v工作正常網(wǎng)絡(luò)選擇數(shù)據(jù)回傳可根據(jù)鍋爐運(yùn)行場(chǎng)所的網(wǎng)絡(luò)條件決定，由于每臺(tái)鍋爐監(jiān)控的數(shù)據(jù)量并不大，只保留在kb級(jí)，因此，數(shù)據(jù)回傳可采用ADSL、3G、GPRS三種方式其中的任一種實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上報(bào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并且通訊模塊采用了多方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換，可在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳的同時(shí)，減少監(jiān)控成本。供電方式考慮到鍋爐運(yùn)行環(huán)境中大多有220V電源，本系統(tǒng)的前置模塊采用12V供電，有些傳感器（如流量、壓力、水位）需要24V供電，前置終端模組提供了電壓轉(zhuǎn)換功能，220V接入后，可分別產(chǎn)生3V、7.5V、9V、12V、24V供電電壓，以供傳感頭、無(wú)線模組、RFID模塊、人員資質(zhì)信息監(jiān)控終端、前置終端機(jī)使用，以減少線路復(fù)雜的問(wèn)題。能效監(jiān)控安全運(yùn)行各值可通過(guò)采集模塊直接采集，安全警報(bào)門限值的設(shè)定可根據(jù)鍋爐型號(hào)、鍋爐安全標(biāo)準(zhǔn)及各鍋爐生產(chǎn)廠家出廠時(shí)規(guī)定的鍋爐安全運(yùn)行參數(shù)設(shè)定即可。鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行能效監(jiān)控是對(duì)使用過(guò)程中的工業(yè)鍋爐及其系統(tǒng)，在安全、穩(wěn)定運(yùn)行工況下的總體能效評(píng)估數(shù)值監(jiān)控。通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐及其輔機(jī)系統(tǒng)在一定運(yùn)行周期內(nèi)產(chǎn)生蒸汽量或者輸出熱量，燃料、電、水消耗計(jì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，評(píng)估工業(yè)鍋爐及其系統(tǒng)的整體能效狀況。能效由于包含了眾多項(xiàng)目，根據(jù)《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試方法》要求，一些燃燒介質(zhì)需要采樣化驗(yàn)方能獲取其能效相關(guān)數(shù)值，比如燃燒介質(zhì)，因此，如果比較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)能效值的監(jiān)控，必須根據(jù)《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試方法》中提供的算法與采集模塊相結(jié)合，才能在監(jiān)管軟件中實(shí)現(xiàn)能效值的監(jiān)控。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)溫度是以采集到的監(jiān)控地點(diǎn)的環(huán)境溫度為基準(zhǔn)溫度。溫度采集鍋爐蒸汽、水、空氣、煙氣介質(zhì)溫度的采集，可根據(jù)介質(zhì)特性，采用精度不低于0.5級(jí)的無(wú)線溫度采集模塊進(jìn)行采集。對(duì)熱水鍋爐進(jìn)、出水溫度采用靈敏度為0.1℃的溫度采集模塊進(jìn)行采集。煙氣采集(1)煙氣測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)接近最后一節(jié)受熱面，距離不大于1m；(2)煙氣測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置在煙道截面上介質(zhì)溫度、濃度比較均勻的位置（約在煙道直徑的1/2至1/3處），當(dāng)煙道截面積大于1m2時(shí)，煙氣溫度測(cè)試應(yīng)當(dāng)采用網(wǎng)格法布置測(cè)點(diǎn)按附件G的要求進(jìn)行；(3)煙氣成分測(cè)試，RO2、O2可用奧氏分析儀測(cè)定，CO可用氣體檢測(cè)管測(cè)定，奧氏分析吸收劑按附件E方法配置；使用煙氣分析儀測(cè)量時(shí)，測(cè)定RO2、O2的精度不得低于1.0級(jí)，測(cè)定CO的的精度不得低于5.0級(jí)。飽和蒸汽濕度的采集飽和蒸汽濕度采用在蒸汽出口安裝溫度采集模塊獲取。爐體溫度爐體溫度采用安裝了貼片式溫度傳感器的采集模塊獲取。水流量水流量在入水口處安裝超聲波或磁感應(yīng)流量傳感采集模塊獲取。蒸汽壓力蒸汽壓力在蒸汽壓力表位安裝外貼式超聲或磁感壓力計(jì)采集模塊獲取。蒸汽流量在蒸汽出口出安裝超聲流量計(jì)采集模塊獲取蒸汽流量。蒸汽溫度及波動(dòng)范圍蒸汽溫度可在蒸汽出口采集獲取蒸汽溫度波動(dòng)范圍(1)設(shè)計(jì)溫度小于350℃時(shí)，實(shí)測(cè)溫度偏差控制在+10℃至至20℃之間；(2)設(shè)計(jì)溫度大于等于350℃時(shí)，實(shí)測(cè)溫度偏差控制在+5℃至10℃之間；鍋爐能效計(jì)算蒸汽生產(chǎn)量計(jì)算公式蒸汽生產(chǎn)量=蒸汽流量—水流量蒸汽壓力鍋爐蒸發(fā)量的折算當(dāng)蒸汽和給水的實(shí)測(cè)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不一致時(shí)，鍋爐的蒸發(fā)量的折算：(1)飽和蒸汽鍋爐：QUOTEQUOTE??????=Dschbq?hgs(2)過(guò)熱蒸汽鍋爐：溫度影響采集效率折算(1)蒸汽鍋爐的實(shí)際給水溫度與設(shè)計(jì)值之差宜控制在+30℃至－20℃之間，當(dāng)實(shí)際給水溫度與設(shè)計(jì)給水溫度之偏差超過(guò)－20℃時(shí)，采集到的鍋爐效率應(yīng)按每相差－60℃效率數(shù)值下降1％進(jìn)行折算，不足或者大于－60℃，則按比例折算，在結(jié)果分析中對(duì)此予以扣除，對(duì)無(wú)省煤器的鍋爐則不予扣除；(2)熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的進(jìn)、出口介質(zhì)溫度與設(shè)計(jì)值之差不宜大于±5℃；當(dāng)實(shí)際進(jìn)出水溫平均值與設(shè)計(jì)溫度平均值之偏差超過(guò)-5℃時(shí)，應(yīng)進(jìn)行折算；燃煤熱水鍋爐，出水溫度與額定溫度相差-15℃效率數(shù)值下降1％；對(duì)燃油、燃?xì)鉄崴仩t，出水溫度與額定溫度相差-25℃效率數(shù)值下降1％，不足或者大于上述溫度時(shí)，按比例折算；無(wú)論有無(wú)省煤器，在結(jié)果分析中對(duì)此均予以扣除，帶有空氣預(yù)熱器的出水溫度偏差的效率不進(jìn)行折算，有機(jī)熱載體鍋爐效率折算參照熱水鍋爐進(jìn)行；有機(jī)熱載體鍋爐數(shù)據(jù)采集計(jì)算（1）在計(jì)算有機(jī)熱載體鍋爐載熱量時(shí)，有機(jī)熱載體的比熱容以其實(shí)測(cè)溫度下的進(jìn)、出口處比熱容與在0℃時(shí)的比熱容的平均值為準(zhǔn)；（2）當(dāng)有機(jī)熱載體鍋爐無(wú)法測(cè)量鍋爐熱功率時(shí)，可測(cè)量每小時(shí)輸入鍋爐燃料熱量，乘以鍋爐熱效率，即為鍋爐熱功率。散熱損失確定散熱損失按照計(jì)算法確定。當(dāng)采用查表法時(shí)，鍋爐散熱損失q5應(yīng)當(dāng)根據(jù)出力進(jìn)行折算：整裝、組裝鍋爐（包括燃油、燃?xì)忮仩t和電加熱鍋爐）的散熱損失可以近似地按照下面的公式計(jì)算。式中：q5—散熱損失，％；F—鍋爐散熱表面積，m2；B—燃料的消耗量，kg/h（m3/h）（可根據(jù)每天燃燒使用量為依據(jù)）；Qr—輸入熱量，kJ/kg（kJ/m3）。如為電加熱鍋爐，式中BQr用3600N代替，其中N為耗電量〔(kW·h)/h〕。鍋爐效率計(jì)算（1）正平衡效率計(jì)算A、輸入熱量計(jì)算公式注：式中Qnet,v,ar是固體燃料的低位發(fā)熱量，燃用液體、氣體燃料時(shí)，應(yīng)當(dāng)以相應(yīng)的液體、氣體燃料低位發(fā)熱量代入。B、飽和蒸汽鍋爐正平衡效率計(jì)算公式C、過(guò)熱蒸汽鍋爐正平衡效率計(jì)算C1以采集到的給水流量為依據(jù)時(shí)的計(jì)算公式：C2以采集到的過(guò)熱蒸汽流量為依據(jù)時(shí)的計(jì)算公式：（2）熱水鍋爐和有機(jī)熱載體鍋爐正平衡效率計(jì)算公式：（3）電加熱鍋爐正平衡效率計(jì)算A、電加熱鍋爐輸出飽和蒸汽時(shí)的計(jì)算公式：B、電加熱鍋爐輸出熱水時(shí)的計(jì)算公式：（4）反平衡效率的計(jì)算公式：人員資質(zhì)信息監(jiān)控根據(jù)國(guó)家特種設(shè)備安全監(jiān)察局對(duì)于安全事故的報(bào)告，特種設(shè)備事故多發(fā)生在使用階段，其中違規(guī)操作、維保缺失、不定期檢驗(yàn)是主要原因。依照《安全生產(chǎn)法》和《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，對(duì)有可能發(fā)生重大安全事故的設(shè)備必須有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)并取得上崗資質(zhì)的人員方能進(jìn)行操作和參與維護(hù)保養(yǎng)工作。但現(xiàn)實(shí)情況是許多特種設(shè)備使用單位、維保單位為節(jié)省成本逃避檢驗(yàn)、聘用無(wú)證人員的現(xiàn)象屢禁不止，因此，對(duì)于操作和維保人員的資質(zhì)、維保狀態(tài)的監(jiān)控成為最大難題。采用RFID、人臉識(shí)別、人體感應(yīng)技術(shù)構(gòu)建的人員資質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)是解決這個(gè)難題的重要技術(shù)手段。系統(tǒng)由前端終端和監(jiān)控平臺(tái)組成，前端終端集成RFID、人臉識(shí)別、紅外人體感應(yīng)、圖像采集和通訊模塊組成；以人員上下崗刷RFID卡實(shí)現(xiàn)人員基礎(chǔ)信息的采集，通過(guò)人臉識(shí)別與RFID卡內(nèi)人員信息進(jìn)行校驗(yàn)，防止借證、違證人員對(duì)設(shè)備的操作，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)可在發(fā)生預(yù)警或故障時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖像采集。特種設(shè)備維保狀態(tài)及人員資質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于鍋爐、電梯、起重機(jī)械等經(jīng)常發(fā)生借證、無(wú)證上崗操作的設(shè)備使用單位可起到嚴(yán)格管理的目的。RFID技術(shù)采用無(wú)源HF13.56MHzRFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)人員證件制作，每個(gè)操作人員攜證上崗，進(jìn)入工作區(qū)域后刷卡，離開(kāi)工作區(qū)域刷卡，實(shí)現(xiàn)人員到崗信息記錄。RFID標(biāo)簽采用符合ISO-14443TypeA標(biāo)準(zhǔn)的HF13.56MHz，內(nèi)部記錄操作由國(guó)家鍋爐檢測(cè)中心核發(fā)的司爐工上崗資質(zhì)證件編號(hào)，每個(gè)RFID閱讀設(shè)備的設(shè)備ID與當(dāng)前用戶單位信息綁定，實(shí)現(xiàn)人員在崗單位信息，以通過(guò)杜絕一個(gè)資質(zhì)兼任多個(gè)單位工作實(shí)現(xiàn)上崗人員是否借證上崗的信息監(jiān)控。RFID標(biāo)簽采用256bit存儲(chǔ)容量的標(biāo)簽人臉識(shí)別技術(shù)人臉識(shí)別，一種基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份認(rèn)證的生物特征識(shí)別技術(shù)。被人們稱為最自然、最直觀的一種生物特征識(shí)別技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于公安、安全、海關(guān)、金融、軍隊(duì)、機(jī)場(chǎng)、邊防口岸、安防等多個(gè)重要行業(yè)及領(lǐng)域，以及智能門禁、門鎖、考勤、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、智能玩具等民用市場(chǎng)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。它具有非接觸、智能交互、用戶接受程度高、直觀性突出，符合人“以貌識(shí)人”的認(rèn)知規(guī)律、適應(yīng)性強(qiáng)、不易仿冒、安全性好、攝像頭的大量普及、易于推廣使用等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的人臉識(shí)別系統(tǒng)多是平面型的，但人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是多維的，人眼所能看到的事物是三維的，而平面型人臉識(shí)別系統(tǒng)卻是對(duì)平面圖像進(jìn)行分析，因此，一直受到姿態(tài)、表情等因素的不利影響。當(dāng)人在行進(jìn)中或表情有所變化或沒(méi)有正對(duì)攝像頭時(shí)，多數(shù)識(shí)別會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，并且環(huán)境光線對(duì)平面人臉識(shí)別系統(tǒng)也造成一定影響。三維人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)是基于三維人臉圖像的，是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的人臉識(shí)別系統(tǒng)，由兩個(gè)專用分向高清攝像頭仿照人眼成像原理，捕捉到的特征點(diǎn)多達(dá)幾千個(gè)，并且采用了紅外夜視技術(shù)，識(shí)別目標(biāo)的表情變化、姿態(tài)變化、環(huán)境光線變化等非極端因素，對(duì)本識(shí)別系統(tǒng)影響很小，甚至可在人行進(jìn)過(guò)程中對(duì)人進(jìn)行姿態(tài)跟蹤識(shí)別，因此，識(shí)別率極低；同時(shí)，三維人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)包含了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，既保留了二維人臉識(shí)別簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又借鑒了三維圖像分析的三維信息，識(shí)別性能達(dá)到國(guó)際一流，目前已在航天、軍工、保密系統(tǒng)、高檔樓宇中得到廣泛應(yīng)用。通訊方式資質(zhì)信息監(jiān)控終端內(nèi)置ADSL、WiFi和3G/GPRS多種通訊模塊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇通訊方式。監(jiān)控前置終端監(jiān)控前置終端在本課題中由工業(yè)PC集成WiFi、ZigBee模塊、供電模塊和監(jiān)控客戶端組成。工業(yè)電腦為人機(jī)界面和生產(chǎn)流程控制提供了最佳的解決方案。與一般商用電腦不同，工業(yè)電腦產(chǎn)品系列具備堅(jiān)固、防震、