基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和本地監(jiān)控中心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在瓷窯周圍，包括溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互連接組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從本地監(jiān)控中心獲取數(shù)據(jù)采集指令；溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收的網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給本地監(jiān)控中心；本地監(jiān)控中心解析網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖。本發(fā)明適用于對(duì)溫度要求苛刻的瓷窯環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可為鈞瓷燒制環(huán)境的分析與控制提供技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)科學(xué)燒瓷，提高窯瓷燒制的成功率。
【專利說明】基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能監(jiān)控領(lǐng)域，主要涉及適用于分布式鈞瓷窯溫環(huán)境參數(shù)的在線監(jiān)控系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)歩，推動(dòng)了智能控制系統(tǒng)發(fā)展。智能控制系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國(guó)防、エ農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和エ業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響カ的技術(shù)之一。
[0003]溫度控制是現(xiàn)代控制技術(shù)的一大重要組成部分，許多物理化學(xué)反應(yīng)過程都和溫度有著密切關(guān)系。鈞瓷高溫窯是溫度控制需求較高的地方，自古便有“神仙燒窯紅，十窯九不成”之說，就是用來描述鈞瓷燒制難度之大。器物上呈現(xiàn)的窯變色澤，不僅受原料、燃料、釉料等內(nèi)在條件的影響，還受溫度、風(fēng)向、氣候等外界自然條件的影響，其中尤其對(duì)溫度要求甚高，以往燒制鈞瓷多是人為憑借燒制經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)溫度，燒制成功率不高，如果能夠?qū)⒆罴训慕?jīng)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)加以保存，在后續(xù)的燒制中，由設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)際溫度，讓其不斷逼近最佳經(jīng)驗(yàn)溫度，實(shí)現(xiàn)鈞瓷窯溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控，就可以大大提高鈞瓷燒制的成功率。
[0004]近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)是熱點(diǎn)之一，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化、低成本和低功耗，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于鈞瓷窯溫環(huán)境數(shù)據(jù)采集中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中溫度參量的多點(diǎn)同時(shí)采集，能夠更好的監(jiān)測(cè)整個(gè)瓷窯個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)，從而很好的控制窯瓷燒制過程中的溫度值，提高窯瓷燒制的成功率，實(shí)現(xiàn)鈞瓷燒制的科學(xué)化管理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有陶瓷燒制過程中溫度參量監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，為陶瓷燒制窯過程中溫度控制提供了ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
提供ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和本地監(jiān)控中心，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在瓷窯周圍，包括溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互連接組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串ロ線與所述本地監(jiān)控中心連接；
所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從所述本地監(jiān)控中心獲取數(shù)據(jù)采集指令，并直接或者通過所述路由傳感器節(jié)點(diǎn)向所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播所述數(shù)據(jù)采集指令；
所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過所述路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收的網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述本地監(jiān)控中心；
所述本地監(jiān)控中心解析所述網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖，并將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。
[0007]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心通過因特網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接。
[0008]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器功能模塊、控制與通信模塊和電源模塊；
所述溫度傳感器功能模塊包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理電路；所述信號(hào)調(diào)理電路將所述熱電偶輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模擬電壓信號(hào)；
所述控制與通信模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、溫控驅(qū)動(dòng)電路、主處理器、無線通信電路和天線；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所述模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并發(fā)送給所述主處理器；所述主處理器將所述數(shù)字電壓信號(hào)通過分析處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，并將該溫度值與預(yù)設(shè)值比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制所述溫控驅(qū)動(dòng)電路，并將該溫度值打包為單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述無線通信模塊，以通過所述無線通信電路處理后送交所述天線發(fā)送給所述路由器節(jié)點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述的路由器節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊；所述控制與通信模塊包括主處理器和無線通信電路，無線通信電路的通過天線輸出信號(hào)，同時(shí)無線通信電路可接收和解析來自天線的信號(hào)；所述電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為所述控制與通信模塊供電。
[0010]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊；所述控制與通信模塊包括天線、無線通信電路、主處理器、串ロ通信電路，所述無線通信電路與天線連接，所述無線通信電路和所述串ロ通信電路均與所述主處理器連接；所述串ロ通信電路與所述本地監(jiān)控中心連接；電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為所述控制與通信模塊供電。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另ー技術(shù)方案是:
提供ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟:
51、溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
52、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取本地監(jiān)控中心的溫度采集指令，并直接或者通過所述路由傳感器節(jié)點(diǎn)向所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播所述數(shù)據(jù)采集指令；
53、所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過所述路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
54、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收到的不同溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合，打包成多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并通過串ロ將數(shù)據(jù)包傳輸給本地監(jiān)控中心；
55、所述本地監(jiān)控中心解析所述網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖；
56、本地監(jiān)控中心將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。
[0012]本發(fā)明所述的方法中，步驟SI具體包括: 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，掃描信道，尋找建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立成功后開始偵聽信道；
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)上電后發(fā)送請(qǐng)求加入該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀后允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并給其分配ー個(gè)16位的網(wǎng)內(nèi)通信地址。
[0013]本發(fā)明所述的方法中，步驟S3具體包括步驟:
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)采集指令后通過熱電偶采集瓷窯溫度，將溫度信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度值；
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)將溫度值打包成單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；若溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)不能直接跟網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，則通過路由器節(jié)點(diǎn)以多跳方式傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)瓷窯內(nèi)溫度進(jìn)行分布式采集的方式，將瓷窯內(nèi)溫度數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本地控制中心，再轉(zhuǎn)換為三維立體圖，能夠清晰形象的觀察瓷窯內(nèi)溫度分布狀況，以便進(jìn)行控制，同時(shí)控制窯內(nèi)溫度在ー個(gè)確定的范圍。系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)和更換。本發(fā)明適用于對(duì)溫度要求苛刻的瓷窯環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可為鈞瓷燒制環(huán)境的分析與控制提供技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)科學(xué)燒瓷，提高窯瓷燒制的成功率。
[0015]_
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明，附圖中:
圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例路由器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖5為本發(fā)明實(shí)施例溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖。
[0021]圖6為本發(fā)明實(shí)施例網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖。
[0022]圖7為本發(fā)明實(shí)施例本地監(jiān)控中心工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明實(shí)施例基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，圖中監(jiān)測(cè)范圍為窯瓷燒制環(huán)境，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和本地監(jiān)控中心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在瓷窯周圍，包括溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互連接組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串ロ線與本地監(jiān)控中心連接；通信頻率可選用全球公開的免費(fèi)無線頻段一2.4G頻段，使用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0025]網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從本地監(jiān)控中心獲取數(shù)據(jù)采集指令，并直接或者通過路由傳感器節(jié)點(diǎn)向溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)采集指令； 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過路由器節(jié)點(diǎn)多跳發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收的網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包通過串ロ發(fā)送給本地監(jiān)控中心；
本地監(jiān)控中心解析網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖，并將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。本地監(jiān)控中心可安裝專業(yè)軟件負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和提取，然后根據(jù)數(shù)據(jù)來回執(zhí)窯內(nèi)溫度三維立體圖。同時(shí)還可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過訪問數(shù)據(jù)庫(kù)可查詢瓷窯歷史溫度數(shù)據(jù)。本地監(jiān)控中心可通過向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送采樣頻率設(shè)置命令更新溫度傳感器節(jié)點(diǎn)采樣頻率。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過因特網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過因特網(wǎng)訪問本地監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)來獲得瓷窯溫度數(shù)據(jù)。
[0027]在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，如圖2所示，溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器功能模塊、控制與通信模塊和電源模塊；電源模塊可使用3.7V的鋰電池供電，通過電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為3.3V供控制與通信模塊和溫度傳感器功能模塊使用。
[0028]溫度傳感器功能模塊包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理電路，其中熱電偶可選用窯爐專用S型高溫鉬銠熱電偶；信號(hào)調(diào)理電路將熱電偶輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模擬電壓信號(hào)，主要可使用差分放大方式實(shí)現(xiàn)；
如圖2所示，控制與通信模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)、溫控驅(qū)動(dòng)電路、主處理器、無線通信電路和天線；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并發(fā)送給主處理器；主處理器將數(shù)字電壓信號(hào)通過分析處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，并將該溫度值與預(yù)設(shè)值比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制溫控驅(qū)動(dòng)電路，并將該溫度值打包為單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給無線通信模塊，以通過無線通信電路處理后送交天線發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)。
[0029]圖2中控制與通信模塊是溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的核心部分，其中主處理器可使用TI公司的第二代ZigBee芯片CC2530，該款芯片擁有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。完全支持ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，硬件上支持CSMA/⑶功能。CC2530有四種不同的閃存版本:CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存，本發(fā)明實(shí)施例中使用CC2530F32/256版本，具有256K的閃存，足夠容納完整的ZigBee無線協(xié)議棧和用戶代碼。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，此外該款芯片還有21個(gè)可編程IO引腳，兩個(gè)可編程的USART用于主/從SPI或UART，內(nèi)部包含專用的射頻通信模塊，通過兩個(gè)引腳連接到外部天線實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的收發(fā)功能，同時(shí)內(nèi)部還包含ADC模塊，支持14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有多達(dá)12位的EN0B，包含一個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有多達(dá)8個(gè)可只有配置通道，以及ー個(gè)參考電壓發(fā)生器，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA存儲(chǔ)器?？刂婆c通信模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可使用芯片內(nèi)部自帶的AD，將溫度傳感器功能模塊中信號(hào)處理電路輸出的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)值電壓值，送交主處理器。
[0030]路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)多跳轉(zhuǎn)發(fā)溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。由于節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，在監(jiān)測(cè)區(qū)域可以根據(jù)一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果布置固定路由器節(jié)點(diǎn)保證網(wǎng)內(nèi)通信鏈路的暢通，減少數(shù)據(jù)丟包的發(fā)生。如圖3所示，路由器節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊，相比與溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)模塊只減少了溫度傳感器功能模塊，其他模塊與溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)模塊相同。
[0031]如圖3所示，其中，控制與通信模塊包括主處理器和無線通信電路，無線通信電路的通過天線輸出信號(hào)，同時(shí)無線通信電路可接收和解析來自天線的信號(hào)；電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為控制與通信模塊供電。
[0032]如圖4所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊；控制與通信模塊包括天線、無線通信電路、主處理器、串ロ通信電路，無線通信電路與天線連接，無線通信電路和串ロ通信電路均與主處理器連接；串ロ通信電路與本地監(jiān)控中心連接；電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為控制與通信模塊供電。其中，控制與通信模塊可同樣選用CC2530芯片。串行接ロ電路可采用RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，將3.3V的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為土 12V的RS232電平信號(hào)，從而可以通過電纜與本地控制中心的串ロ直接相連。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)方法，主要通過上述實(shí)施例的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟:
51、溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
52、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取本地監(jiān)控中心的溫度采集指令，并通過路由傳感器節(jié)點(diǎn)向溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)采集指令；
53、溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
54、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收到的不同溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合，打包成多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并通過串ロ將數(shù)據(jù)包傳輸給本地監(jiān)控中心；
55、本地監(jiān)控中心解析網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布
圖；
56、本地監(jiān)控中心將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟SI具體包括:
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，掃描信道，尋找建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立成功后開始偵聽信道；
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)上電后發(fā)送請(qǐng)求加入該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀后允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并給其分配ー個(gè)16位的網(wǎng)內(nèi)通信地址。
[0035]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟S3具體包括步驟:
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)采集指令后通過熱電偶采集瓷窯溫度，將溫度信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度值；
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)將溫度值打包成單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；若溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)不能直接跟網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，則通過路由器節(jié)點(diǎn)以多跳方式傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
[0036]在本發(fā)明的另ー實(shí)施例中，應(yīng)用以上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，其具體實(shí)現(xiàn)方案如下:
1、監(jiān)測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)過程
本系統(tǒng)的三種類型節(jié)點(diǎn)的主處理器中都內(nèi)嵌有ZigBee協(xié)議棧，使用ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧版本，協(xié)議棧使用C語言編寫。根據(jù)被監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)際情況，本系統(tǒng)使用星星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器才有組建網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利，協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任網(wǎng)關(guān)的角色。網(wǎng)絡(luò)組建過程如下:
(I)協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò):協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，首先對(duì)信道進(jìn)行能力掃描，找出符合條件的信道，之后進(jìn)行主動(dòng)掃描，找出最符合要求的信道，在該信道上組建網(wǎng)絡(luò)，并為網(wǎng)絡(luò)分配PANID，然后處于監(jiān)聽信道的狀態(tài)，等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。
[0037](2)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò):溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)上電后，首先發(fā)送請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，發(fā)送允許加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)包中包含為節(jié)點(diǎn)分配的16位網(wǎng)內(nèi)通信地址，該節(jié)點(diǎn)收到允許加入數(shù)據(jù)包后，使用該數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)修改自身MAC屬性，加入網(wǎng)絡(luò)成功，若溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)不能直接加入網(wǎng)絡(luò)，還可以通過附近的路由器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。
[0038]2、溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)工作流程
溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)某一具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)采集和傳送工作，其工作流程如圖5所示:
(1)初始化并加入網(wǎng)絡(luò)；
(2)等待接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的系統(tǒng)命令；
(3)如果有系統(tǒng)命令到來，首先判斷該命令是不是數(shù)據(jù)采集命令，轉(zhuǎn)到第4步，否則，做相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)到第2步；
(4)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換程序，將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
(5)判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成，未完成就等待其轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完成后將其發(fā)送到主處理
器；
(6)主處理器對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，并將該溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制溫度調(diào)節(jié)設(shè)備；
(7)將該溫度值打包成單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并通過無線通信模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器；
(8)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，轉(zhuǎn)向第2歩。
[0039]為降低節(jié)點(diǎn)的功耗，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)包后，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式，從而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。
[0040]3、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐，向下負(fù)責(zé)收集各溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制中心的控制命令給各個(gè)節(jié)點(diǎn)；向上負(fù)責(zé)將收集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，并從監(jiān)控中心獲得數(shù)據(jù)采集命令。其工作流程如圖6所示:
(1)初始化并組建網(wǎng)絡(luò)，連接本地監(jiān)控中心；
(2)向溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；
(3)等待和接收網(wǎng)內(nèi)所有溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送的單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包；
(4)將接收到是所有單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合，重新打包成網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，通過串ロ發(fā)送給本地監(jiān)控中心；
(5)等待接收和處理來自本地監(jiān)控中心的控制命令，同時(shí)，若下ー個(gè)采樣時(shí)間到來，就轉(zhuǎn)到步驟2。
[0041]4、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心處理流程圖 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析解包處理,并將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)使用接收到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)繪制瓷窯內(nèi)部溫度三維圖像，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上的軟件可以選用C#和Microsoft SQL Server 2008來完成。監(jiān)控中心軟件工作流程如圖7所示。
[0042]( I)通過本地串ロ與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立通信連接；
(2)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)包；
(3)解析數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，將數(shù)據(jù)以節(jié)點(diǎn)為單位存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)
中；
(4)使用解析出來的數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)更新溫度三維圖像；
(5)將本次收到的數(shù)據(jù)與閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)是否在閾值范圍內(nèi)，如果超出閾值范圍，給出報(bào)警提示；
(6)判斷是否接收到用戶命令，若接收到，則執(zhí)行用戶命令，轉(zhuǎn)到步驟2，用戶命令包括數(shù)據(jù)采集、閾值設(shè)定。
[0043]本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，能夠監(jiān)測(cè)瓷窯燒制過程中整個(gè)燒制環(huán)境中多點(diǎn)的溫度參量，使用擬合的方式實(shí)時(shí)繪制出瓷窯各點(diǎn)溫度分布三維圖，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)預(yù)設(shè)溫度閾值范圍來調(diào)整瓷窯溫度，實(shí)現(xiàn)“智能燒瓷”。
[0044]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和本地監(jiān)控中心，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在瓷窯周圍，包括溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互連接組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串ロ線與所述本地監(jiān)控中心連接； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從所述本地監(jiān)控中心獲取數(shù)據(jù)采集指令，并直接或者通過所述路由傳感器節(jié)點(diǎn)向所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播所述數(shù)據(jù)采集指令； 所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過所述路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收的網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述本地監(jiān)控中心； 所述本地監(jiān)控中心解析所述網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖，并將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心通過因特網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器功能模塊、控制與通信模塊和電源模塊； 所述溫度傳感器功能模塊包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理電路；所述信號(hào)調(diào)理電路將所述熱電偶輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的模擬電壓信號(hào)； 所述控制與通信模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、溫控驅(qū)動(dòng)電路、主處理器、無線通信電路和天線；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所述模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并發(fā)送給所述主處理器；所述主處理器將所述數(shù)字電壓信號(hào)通過分析處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，并將該溫度值與預(yù)設(shè)值比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制所述溫控驅(qū)動(dòng)電路，并將該溫度值打包為單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給所述無線通信模塊，以通過所述無線通信電路處理后送交所述天線發(fā)送給所述路由器節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的路由器節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊；所述控制與通信模塊包括主處理器和無線通信電路，無線通信電路的通過天線輸出信號(hào)，同時(shí)無線通信電路可接收和解析來自天線的信號(hào)；所述電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為所述控制與通信模塊供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括控制與通信模塊和電源模塊；所述控制與通信模塊包括天線、無線通信電路、主處理器、串ロ通信電路，所述無線通信電路與天線連接，所述無線通信電路和所述串ロ通信電路均與所述主處理器連接；所述串ロ通信電路與所述本地監(jiān)控中心連接；電源模塊由電池和直流變壓電路組成，為所述控制與通信模塊供電。
6.ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式鈞瓷窯溫監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； S2、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取本地監(jiān)控中心的溫度采集指令，并直接或者通過所述路由傳感器節(jié)點(diǎn)向所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)廣播所述數(shù)據(jù)采集指令； S3、所述溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集指令采集瓷窯的溫度值，并直接發(fā)送或者通過所述路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；S4、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將接收到的不同溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)的單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合，打包成多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并通過串ロ將數(shù)據(jù)包傳輸給本地監(jiān)控中心； S5、所述本地監(jiān)控中心解析所述網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包，并根據(jù)解析結(jié)果實(shí)時(shí)繪制瓷窯溫度三維分布圖； S6、本地監(jiān)控中心將解析后的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)閾值則發(fā)出報(bào)警提示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟SI具體包括: 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，掃描信道，尋找建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立成功后開始偵聽信道； 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)上電后發(fā)送請(qǐng)求加入該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀后允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并給其分配ー個(gè)16位的網(wǎng)內(nèi)通信地址。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S3具體包括步驟: 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)采集指令后通過熱電偶采集瓷窯溫度，將溫度信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度值； 溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)將溫度值打包成單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；若溫度傳感器終端節(jié)點(diǎn)不能直接跟網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，則通過路由器節(jié)點(diǎn)以多跳方式傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H04L29/08GK103561046SQ201310258970
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】王廣君, 張鵬鍇, 張懷, 郝玉君, 曾旭明, 鮑衛(wèi)崗, 冀連杰, 鄒琴 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）