智慧工業(yè) 工業(yè)鍋爐安全運行監(jiān)測平臺建設方案V3

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目錄TOC\o"1-3"\h\u12572第一章項目概述 4190221.1.應用背景 413011.2.應用技術 4134031.2.1.無線傳感器 4285881.2.2.監(jiān)測數(shù)值接收器 6272611.2.3.前置處理終端 769611.2.4.安全運行能效監(jiān)控 7284971.2.5.組態(tài)軟件 79005第二章建設內容 936042.1.數(shù)據(jù)采集 10134042.1.1.鍋爐安全事故參數(shù) 10238712.1.2.安全運行參數(shù) 11238932.2.能效監(jiān)控 12171552.2.1.蒸汽鍋爐蒸汽量測量 1375752.2.2.介質壓力測量 13293612.2.3.溫度測量 13281152.2.4.煙氣測量 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)采集無線傳感器 20265762.3.1.建設背景 21268812.3.2.建設目的 229332.3.3.建設意義 23326452.3.4.應用技術 24300022.3.5.國內外現(xiàn)狀 25128492.3.6.發(fā)展趨勢 27213282.3.7.無線傳感模組優(yōu)勢 2843672.3.8.硬件設計 29143792.3.9.底層協(xié)議 3658222.3.10.協(xié)議標準 3724705接收程序流程圖 40284672.4.溫感RFID標簽 41271012.4.1.建設背景 4114262.4.2.建設意義 42203642.4.3.國內外現(xiàn)狀 4265932.4.4.RFID技術 4511242.4.5.傳感型RFID標簽 47255102.4.6.溫感型讀寫器 54142262.5.能效監(jiān)控 64146302.5.1.監(jiān)控數(shù)據(jù) 6512912.5.2.鍋爐能效計算 6754822.6.人員資質信息監(jiān)控 7357182.6.1.RFID技術 7448462.6.2.人臉識別技術 7478722.6.3.通訊方式 76141832.7.監(jiān)控前置終端 76138992.8.責任追溯 77101192.9.移動智能監(jiān)控 79288702.9.1.移動終端 79189782.9.2.移動終端操作系統(tǒng) 80150902.9.3.監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境 80238802.9.4.移動設備監(jiān)控終端 8055462.10.安全運行能效監(jiān)控 81218282.10.1.登錄平臺 82182742.10.2.特種設備信息管理 82237292.11.組態(tài)監(jiān)控 8678002.11.1.建設內容 86179132.11.2.核心能力 87294802.11.3.GIS展示 885012.11.4.工藝流程圖 88200142.11.5.報警記錄 9132222.11.6.數(shù)據(jù)分析 913382.11.7.數(shù)據(jù)報表 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 9620239第三章油田作業(yè)設備 97119033.1.洗蠟機 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.建設目標 100310063.4.建設意義 101174443.5.應用價值 102項目概述應用背景鍋爐是一種高耗能壓力容器設備，鍋爐的安全運行對于安全生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。目前我國鍋爐安全運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裝置，但由于各方面的原因，這些裝置并沒有真正起到應有的作用，鍋爐惡性事故時有發(fā)生。近年來，國家倡導節(jié)能減排，但很多鍋爐使用單位對于節(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，對于節(jié)能環(huán)保采用先進的計算機控制技術可以提高熱效率，降低耗煤量，減少環(huán)境污染，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。本文的工業(yè)鍋爐安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要采用單片機技術對工業(yè)鍋爐運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和控制，在數(shù)據(jù)采集精度和設備操控的穩(wěn)定性方面都有很大提高。采用自定義網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換協(xié)議架構實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，客戶端基于MAP5技術實現(xiàn)對各監(jiān)控點設備的GIS地圖管理，可進行遠程多點監(jiān)控。應用技術無線傳感器鍋爐運行監(jiān)測根據(jù)安全運行監(jiān)測數(shù)值采集的需要和鍋爐工作環(huán)境的特點，設計了可接入符合鍋爐運行數(shù)值監(jiān)測的無線預處理終端模組，以達到適應鍋爐工作環(huán)境、各項數(shù)值采集的要求，實現(xiàn)對鍋爐運行中的爐體溫度、煙溫、水位、水溫、蒸汽壓力、燃氣流量進行采集、編碼、加密、傳輸、臨界主動上報警告信號、數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)平臺進行分析和呈現(xiàn)，為常規(guī)監(jiān)測、檢驗、應急提供數(shù)據(jù)依據(jù)。鍋爐運行能效監(jiān)測根據(jù)節(jié)能減排規(guī)定，設計了可接入能效監(jiān)測傳感器的無線預處理終端模組，以達到對運行狀態(tài)時的能效監(jiān)測，可實時監(jiān)測排煙二氧化碳量、排煙含氧量、排煙一氧化碳含量等數(shù)值，通過與燃氣/燃料數(shù)值的結合運算，可有效監(jiān)測鍋爐的運行能效。鍋爐運行環(huán)境監(jiān)測綜合監(jiān)控終端可監(jiān)測鍋爐房內二氧化碳含量、煙塵量、溫度等運行環(huán)境數(shù)值，同時終端所配置的RFID、圖像監(jiān)控可監(jiān)測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)生事故時的現(xiàn)場記錄。無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，以適應不同類型傳感器的數(shù)據(jù)接入。預置邏輯：根據(jù)鍋爐運行監(jiān)測需要，設計了常規(guī)運行狀態(tài)監(jiān)測、報警數(shù)值、報警級別及運行指令集和編解碼方式，以達到數(shù)值的預前處理，并且在緊急狀態(tài)發(fā)生前發(fā)出預警信號。無線傳輸：模塊預置了ZigBee無線模塊、WiFi、GPRS/3G模塊，以滿足不同環(huán)境的需要，保證在不同網(wǎng)絡環(huán)境下監(jiān)測模組正常組網(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：為保證無線傳感器終端的穩(wěn)定運行，保證數(shù)據(jù)的實時上傳和不斷鏈，每個傳感器終端均設計了自我狀態(tài)監(jiān)控功能，發(fā)現(xiàn)故障立即上報給平臺，以通知維護人員進行處理。監(jiān)測數(shù)值接收器監(jiān)測數(shù)值接收器模組是實現(xiàn)多個無線監(jiān)測終端數(shù)據(jù)回傳的專用監(jiān)測模塊，同是承擔指令下達、各傳感終端的狀態(tài)輪詢，是集收發(fā)一體的專用監(jiān)測接收終端，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計，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）劃分了三個模塊，使用了高性能單片機系統(tǒng)，成為完整的數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)，高集成度的設計，為外形設計提供了很大的自由空間，維護也更加方便；前置處理終端前置處理終端是集RFID、無線通訊、有線通訊、視頻處理于一體的綜合數(shù)據(jù)處理平臺終端，主體由ITX和各功能模塊組成，運行安全穩(wěn)定，并且適應各類鍋爐運行環(huán)境要求。安全運行能效監(jiān)控數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺包含了數(shù)據(jù)庫、前端設備狀態(tài)監(jiān)測、警報控制、應用控制、日志模塊、報表系統(tǒng)等；具備鍋爐運行狀態(tài)實時監(jiān)測、鍋爐能效監(jiān)測、傳感終端狀態(tài)監(jiān)測、臨界警報、運行統(tǒng)計、周期報表、設備臺帳、維護記錄、數(shù)據(jù)訪問控制、權限管理、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)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)(RTUSystem，RemoteTerminalUnit)。在本項目中，利用組態(tài)軟件直觀、靈活、兼容性強的特點，通過對組態(tài)軟件低層驅動部分的開發(fā)，使組態(tài)軟件兼容本項目研發(fā)的采集模塊終端、特殊非標傳感器變送數(shù)據(jù)及ZigBee協(xié)議、3G傳輸協(xié)議，內置項目所需的運行公式，使其成為鍋爐及壓力容器安全運行及能效監(jiān)控的專業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。建設內容針對于鍋爐運行中安全和能效相關的參數(shù)、指標的監(jiān)控及在不改變鍋爐及壓力容器現(xiàn)有結構的前提下達到安全監(jiān)控及能將監(jiān)控的目的，本項目從監(jiān)控硬件的設計、通訊協(xié)議的選擇、數(shù)據(jù)格式的設計及軟件平臺內置能效運算公式入手，構建一套基于物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感技術的遠程鍋爐安全運行及能效監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集鍋爐安全事故參數(shù)超壓破裂鍋爐運行壓力超過最高許可工作壓力，使元件應力超過材料的極限應力。超壓工況常因安全泄放裝置失靈、壓力表失準、超壓報警裝置失靈，嚴重缺水事故處理不當而引起。過熱失效鋼板過熱燒壞，強度降低而致元件破壞。通常因鍋爐缺水干燒。結垢太厚，鍋水中有油脂或鍋筒內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度降低。裂紋和起槽元件受交變應力作用，產(chǎn)生疲勞裂紋，又由腐蝕綜合作用，開成槽狀減薄。水擊破壞因操作不當引起汽水系統(tǒng)水錘沖擊，使受壓元件受到強大的附加應力作用而失效。修理、改造不合理。造成鍋爐爆炸的隱患。先天性缺陷。設計失誤，結構受力、熱補償、水循環(huán)、用材、強度計算、安全設施等方面嚴重錯誤。制造失誤，用錯材料、不按圖施工、焊接質量低劣、熱處理、水壓試驗等工藝規(guī)范錯誤等引起。安全運行參數(shù)鍋爐安全相關的關鍵參數(shù)主要以蒸汽壓力、水位、爐溫、煙溫、爐膛溫度幾個關鍵參數(shù)。蒸汽壓力鍋爐蒸汽壓力超過出廠規(guī)定的安全指數(shù)，那么，鍋爐就會發(fā)生爆炸、泄漏等重大安全事故，蒸汽壓力過低會引起如蒸汽帶水帶鹽量增加，過熱器燒壞是這種操作常見的現(xiàn)象；另外水冷壁的水循環(huán)過低之后氣水比增加，導熱水冷壁爆管，此現(xiàn)象較少，通常發(fā)生在過熱器燒壞之后。因此，蒸汽壓力的監(jiān)控是安全運行的重要參數(shù)。水位鍋爐汽包水位過高，造成汽水分離困難，蒸汽帶水，造成汽機進冷汽或水沖擊，后果將是災難性的；汽包水位過低，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)的冷卻而過熱燒壞，更嚴重的就是干鍋，后果也還是災難性的。所以，汽包鍋爐的汽包水位是最最重要的一個參數(shù)，設定了水位的上下限，按照安全規(guī)章規(guī)定，達限值就需無條件滅火停機。爐體溫度按照國家相關標準，爐體溫度應50℃及以下范圍，超過50℃即視為危險和效能不佳。煙溫（排煙溫度）各類型鍋爐排煙溫度指標不同，可參考《蒸汽鍋爐安全監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定。溫度過低，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。溫度過高，鍋爐效率低。爐膛出口溫度爐膛出口溫度采集運用超聲波測溫法采集爐膛出口溫度，有不少的鍋爐運行管理人員對爐膛出口煙氣溫度的意義缺乏認識，以致因爐膛出口煙氣溫度發(fā)生異常變化未能及時發(fā)現(xiàn)而導致故障的發(fā)生或擴大，從而引發(fā)危險事故。能效監(jiān)控根據(jù)XXXXXXXXX《特種設備安全技術規(guī)范—TSGG0003－20XX工業(yè)鍋爐能效測試方法》提取適合傳感器采集的參數(shù)。蒸汽鍋爐蒸汽量測量（1）蒸汽量一般通過測量鍋爐給水流量來確定，給水流量可用經(jīng)標定過的水箱或者精度不低于1.0級的流量計來測定；（2）過熱蒸汽量可以通過直接測量蒸汽流量來確定，測量方法可用精度不低于1.0級的流量計測量，如果鍋爐有自用蒸汽時，應當予以扣除。熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的介質循環(huán)流量測量儀表與方法熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的介質循環(huán)流量，可在鍋爐回水（油）管道上，根據(jù)介質特性，采用精度不低于1.0級的流量計進行測量。介質壓力測量蒸汽鍋爐給水及蒸汽系統(tǒng)的壓力、熱水鍋爐及有機熱載體鍋爐介質循環(huán)系統(tǒng)壓力測量應當采用精度不低于1.5級的壓力表。溫度測量鍋爐蒸汽、水、空氣、煙氣介質溫度的測量，可根據(jù)介質特性，采用精度不低于0.5級的溫度計進行測量。對熱水鍋爐進、出水溫度應當采用讀數(shù)分辨為0.1℃的溫度計進行測量。煙氣測量（1）煙氣測點應當接近最后一節(jié)受熱面，距離不大于1m；（2）煙氣測點應當布置在煙道截面上介質溫度、濃度比較均勻的位置（約在煙道直徑的1/2至1/3處），當煙道截面積大于1m2時，煙氣溫度測試應當采用網(wǎng)格法布置測點按附件G的要求進行；（3）煙氣成分測試，RO2、O2可用奧氏分析儀測定，CO可用氣體檢測管測定，奧氏分析吸收劑按附件E方法配置；使用煙氣分析儀測量時，測定RO2、O2的精度不得低于1.0級，測定CO的的精度不得低于5.0級。傳感器采集參數(shù)基準溫度（環(huán)境溫度）以鍋爐運行環(huán)境自然溫度為基準溫度，并且，環(huán)境溫度的變化，會影響鍋爐燃燒介質的燃燒效率、蒸汽出入口溫度、爐體溫度等熱效率相關值數(shù)?；鶞蕽穸龋ōh(huán)境濕度）環(huán)境濕度可以做為參考值，對鍋爐熱效率有一定的輕微影響，對鍋爐燃燒介質效率有一定影響。出口介質溫度（出入口水溫）熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的進、出口介質溫度與設計值之差不宜大于±5℃；當實際進出水溫平均值與設計溫度平均值之偏差超過-5℃時，應對測試效率進行折算；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％；對燃油、燃氣熱水鍋爐，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，按比例折算；無論有無省煤器，在試驗報告結果分析中對此均予以扣除，帶有空氣預熱器的出水溫度偏差的效率不進行折算，有機熱載體鍋爐效率折算參照熱水鍋爐進行。蒸汽溫度蒸汽溫度是鍋爐做功的產(chǎn)品溫度，蒸汽溫度可通過在蒸汽出口位置管道上采用貼片式溫度計，實現(xiàn)蒸汽溫度的測量，根據(jù)蒸汽輸出口介質材質的熱傳導性能進行計算，可實現(xiàn)蒸汽溫度值的計算。排煙溫度水流量爐體溫度煙氣含量后裝式傳感器采集無傳感器鍋爐很多鍋爐由于客觀原因，沒有配裝控制箱，仍采用傳統(tǒng)儀表完全依靠人工來觀測鍋爐運行當中的各項參數(shù)，為實現(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，通過無線傳感器模組進行A/D轉換，以達到數(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、水溫傳感器等與運行控制有關的傳感器，如果采集能效數(shù)據(jù)，以上幾類傳感器是無法滿足的，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)測的需要。后裝傳感器選擇根據(jù)監(jiān)測的需要，對于傳感頭的安裝部位和靈敏度有相應要求，各參數(shù)要求為：名稱用途類型量程精度/靈敏度響應時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備，并且安裝位置（運行場所）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，以保證運行的穩(wěn)定性，減少維護成本的同時，也減少了用戶因維護頻繁而造成的損失和厭煩感，以保證監(jiān)控工作的長期進行，保證監(jiān)控系統(tǒng)的順利推廣。安裝位置PLC控制箱采集對于帶有PLC控制設備系統(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PLC的RS232或RS485接口接出，鍋爐PLC基本遵守標準ModBus協(xié)議，直接通過無線數(shù)據(jù)接口模塊實現(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，相應計算量減少。下圖是本項目其中一位用戶華北油田誠信工業(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，實現(xiàn)遠程監(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，以保證運行的穩(wěn)定性。名稱用途類型量程精度/靈敏度響應時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秒電流傳感器風機電流互感式±1%≤250ms煙塵傳感器爐內煙道積塵超聲波±1%≤360秒火焰?zhèn)鞲衅魅紵骰鹧孀贤?電阻≤1秒數(shù)據(jù)采集無線傳感器傳感器作為人們感官的延伸，在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡化發(fā)展。本課題以溫度傳感器為例，使用模塊化設計思路，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡。這種傳感器網(wǎng)絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，在實際中有著廣泛的應用。無線傳感器網(wǎng)絡可以應用于環(huán)境科學，為科學家獲得野外的隨機數(shù)據(jù)提供方便；可以應用于特種設備監(jiān)控，在設備上安裝一些特殊的傳感器，監(jiān)管部門可以隨時監(jiān)測設備的運行情況；在商業(yè)上，無線傳感器網(wǎng)絡和中心主控計算機相結合，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)點和匯聚節(jié)點的CPU模塊都采用TI公司的MSP系列單片機，MSP430系列單片機具有超低功耗性能，對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，這一點是很重要的。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對無線傳感器網(wǎng)絡來說無疑是最合適的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議。建設背景隨著無線技術的快速發(fā)展和日趨成熟，無線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術越來越成熟，方向也越來越多，越來越重要，大量的應用方案開始采用無線技術進行數(shù)據(jù)采集和通信。微機電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設備的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點得以實現(xiàn)。這樣的節(jié)點配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）。無線傳感網(wǎng)絡是一種開創(chuàng)了新的應用領域的新興概念和技術。廣泛應用于戰(zhàn)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域內的目標追蹤等領域。傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設計準則之一，因此，它迫切需要對傳統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)進行更新和改進，需要精心設計的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時,WSN被列為第一;美國《今日防務》雜志更認為WSN的應用和發(fā)展將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變革?？梢灶A測,WSN是信息感知和采集的一場革命,是21世紀最重要的技術之一。低功耗無線傳感模塊，便是組成無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點。此方面的研究由來已久，是計算機應用的擴展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術，使用智能微處理器對采集到的信息進行處理和加工。現(xiàn)已廣泛應用于社會建設的各個層面和人們的日常生活當中。但過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，在無線傳感技術應用如此廣泛的今天，在保證無線傳感模塊性能的同時又能實現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實意義。建設目的當前對于無線傳感技術的研究仍然處在一個高速發(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合實現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實現(xiàn)無線傳感模塊的功能，增加模塊的可靠性和使用壽命，通過對無線傳感節(jié)點的硬件功耗的分析，確定無線傳感模塊各單元的基本功率消耗，并進行相應比較，確定需重點降耗的單元，在此基礎上結合當前對低功耗無線傳感模塊的研究，通過對比分析選擇合適的芯片完成對低功耗無線傳輸模塊的自主設計和制作。并輔助軟件開發(fā)人員完成各子模塊的驅動編寫，實現(xiàn)低功耗無線傳感模塊的整體通信功能。建設意義無線傳感網(wǎng)絡是一種開創(chuàng)了新應用領域的新興概念和技術。當前，傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障。低功耗無線傳感模塊研究具有極其重要的學習和研究價值，其功能的實現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結合的較少，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)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設計思路。其次，增加無線傳感模塊的應用。無線傳感模塊應用已非常廣泛，除去組成無線傳感網(wǎng)絡的應用外，無線傳感技術還廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實現(xiàn)了無線傳感模塊的低功耗，其對電能的需求就會更小，應用的范圍將會進一步的擴大。應用技術無線傳感模塊是指由處理器模塊、無線模塊、電源模塊和傳感模塊組成的無線通信自治系統(tǒng)，它采用一定的頻率和編碼方法實現(xiàn)與其它模塊的通信，屬于無線技術的一種。無線傳感網(wǎng)絡WSN是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的微小傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀測者[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，被譽為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”或“3C產(chǎn)業(yè)之基石”。國內外現(xiàn)狀無線傳感模塊是新興的下一代無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，它是組成無線傳感網(wǎng)絡的基本部分。最早的代表性論述出現(xiàn)在二十世紀九十年代末，題為“傳感器走向無線時代。傳感技術的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎上將處理計算能力與傳感器相結合，使得傳感模塊不但能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對所采集到的信息進行一定程度的計算和處理；無線傳感器則是在智能傳感器的基礎上再集成無線功能模塊，使得傳感器不再是單獨的感知模塊，而是一個能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和控制的有機整體。為了實現(xiàn)隨時隨地與任何人或任何設備的互聯(lián)互通，無線通信技術獲得了蓬勃發(fā)展。在正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基礎技術支持下，多種無線技術如藍牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無線局域網(wǎng)獲得了長足發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無線技術，近幾年正是其大變革時期。隨著幾種重要基礎技術的推廣和實際應用，無線通信的速度也將得到大大提高。無線傳感模塊屬于無線技術中較為底層的一個分支，由于越來越多的應用方案開始采用無線節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等的無線傳感網(wǎng)絡,是當前的熱點研究領域。而無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設計，傳感技術、傳感網(wǎng)絡已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。當前國內外出現(xiàn)了多種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件平臺。典型的節(jié)點包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平臺的主要區(qū)別是采用了不同的處理器和無線通信模塊。有些節(jié)點具有高性能但功耗較大，如Imote2節(jié)點，不適用于能量受限的應用環(huán)境。其他一些節(jié)點，如Telos、Mica等，由于設計時間較早，其性能已經(jīng)落后于當今的集成電路工業(yè)設計水平。因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設計準則之一。ITP（美國再生能源辦公室工業(yè)技術計劃）在2002年發(fā)布的報告“21世紀工業(yè)無線技術”第一頁中引用了總統(tǒng)科技顧問的斷言：無線傳感器可將能源利用率提高10%，將能源損耗減少25%。后來的研究，如Intel(r)Mote的研究項目則注重了三個方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標的實現(xiàn)還需要一定的努力。MIT發(fā)展的模塊化平臺對于具體的傳感器有不同的硬件設計，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設計一個通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)。隨著電子技術、計算機技術以及集成技術的不斷發(fā)展，傳感技術也會得到不斷的發(fā)展和完善。并且會有更多的結構新、功能強、耗能低的傳感器用運于各種實際的無線網(wǎng)絡當中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務于更加廣泛的領域。發(fā)展趨勢正是由于低功耗無線傳感節(jié)點在如此廣范圍內的應用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學術專家的極大關注。其發(fā)展方向必然是無線通信的網(wǎng)絡化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動態(tài)、自適應的無線傳感網(wǎng)絡。而無線傳感網(wǎng)絡(WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。我國迫切需要提升對此的認識程度，并盡快推動其發(fā)展。因此，以無線傳感模塊為基礎，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡的無線互聯(lián)將是一個必然的趨勢。另外由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障。在不同的應用中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同。已有的節(jié)點，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。即在保證所需要實現(xiàn)功能的基礎上，盡量的實現(xiàn)整個模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當減少部分功能來實現(xiàn)降低功耗的目的。除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當前對無線傳感模塊的應用都是靜止性的，就目前存在的無線傳感網(wǎng)絡（WSN），構成網(wǎng)絡的各個節(jié)點都是被固定的安放在一個地方，要實現(xiàn)對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。這樣一來成本就會非常的高。若實現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環(huán)境內投放更少的節(jié)點，就能實現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。正是由于當前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個熱點領域，不論是使用電源或者電池供電，在實現(xiàn)低功耗后，無線傳感模塊的發(fā)展趨勢必然是自生能源式的。利用太陽能、振動能量、地熱、風能等實現(xiàn)無線傳感模塊的電能供應對于全面提高無線傳感模塊的能力將會起到巨大的作用。最后，基于能力存儲技術的發(fā)展，電池的容量越來越大，再加上低功耗的實現(xiàn)，無線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會成為一個絕對趨勢。未來的無線傳感模塊必將是集穩(wěn)定性與安全性、擴展性與靈活性、微型化與低成本等特點為一體的。無線傳感模組優(yōu)勢考慮到鍋爐環(huán)境中發(fā)熱設備較多，為了安全和保證監(jiān)控的需要，在鍋爐運行環(huán)境中盡量避免過多布線，并且鍋爐本身就是一個高溫體，即使采用抗高溫線路，也增加了維護的難度。由于鍋爐結構的不同，傳感器布點較散，采用有線連接方式，容易使鍋爐運行環(huán)境內線路叉，鍋爐體上線路較多，容易引起安全問題，并且信號線屬于弱電系統(tǒng)，對布線方法、布線距離、布線材質有較高要求，因此，采用無線模組是快捷、安全、低成本的最佳解決方法。無線傳感模組本身即可由電池供電，并內置電壓轉換模塊，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，省去了強弱電布線的繁雜要求，并且使線路簡單，維護方便。無線傳感模組本身采用ZigBee技術，可實現(xiàn)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送，亦兼容WiFi技術，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的區(qū)域性遠程傳送。無線模組的使用可節(jié)省布線，解決了傳感器點位散、多從而導致線路復雜的問題。硬件設計WSN普通節(jié)點無線傳感器節(jié)點的普通節(jié)點負責將實時數(shù)據(jù)采集起來并將其發(fā)送到鄰居節(jié)點，其硬件結構圖如圖1所示。圖1：WSN中普通傳感器節(jié)點結構WSN匯聚節(jié)點匯聚節(jié)點的作用是將傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)收集起來，并進行一定的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理將其需要的格式發(fā)送給最終監(jiān)控計算機。圖2：WSN中匯聚節(jié)點結構中央處理器CPU由于整個設計要以低功耗為原則，一次選取了業(yè)界公認的超低功耗處理器MSP430系列單片機。TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶60kFlashROM存儲器的單片機可以存儲大量的節(jié)點數(shù)據(jù)采集信息還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，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。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡的瓶頸，節(jié)點必須依靠電池供電。所以采用MSP430F149是最佳選擇。無線通信采用挪威半導體公司Chipcon推出的CC2420是全球首顆符合802.15.4/ZigBee聯(lián)盟標準的2.4GHz射頻芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技術，采用0118μm工藝。為了保持和ZigBee[4]標準一致，CC2420支持250kbps數(shù)據(jù)傳輸率。芯片具有50個寄存器：33個控制、狀態(tài)寄存器；15個命令選通寄存器；2個先入先出緩存控制寄存器。本設計的一個主要創(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，因此這時我們只需在協(xié)議層上實現(xiàn)上層的安全層，MAC層和用戶的應用層協(xié)議。下面介紹ZigBee協(xié)議在新一代無線通信中的特點和對于無線傳感器網(wǎng)絡中應用的優(yōu)勢。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設備非常省電。ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網(wǎng)絡組成靈活?？煽浚翰扇×伺鲎脖苊獠呗裕–SMA-CA），同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。CPU和RF接口設計如圖所示：圖3：MCU與RF之間的接口單片處理器通過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接口時用FIFO和FIFIOP引腳進行狀態(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的無線通信系統(tǒng)中設計采用的對信號屏蔽和保護效果很好的環(huán)形天線設計，采用帶屏蔽層的四層PCB設計，在實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保護原理圖USB-UART轉換USB2.0標準已經(jīng)成為現(xiàn)在計算機和外圍設備的標準通信接口。這樣用戶可以很方便的攜帶移動設備，設備之間可以達到很快的數(shù)據(jù)傳輸速度并達到很好的抗干擾性，一邊是設備穩(wěn)定可靠的工作。這個模塊選用FTDI-232BM總線芯片實現(xiàn)標準的串行RS232轉換USB的電路。此款總線芯片的接口：只有三個接口，一個標準USB口，一個標準RS232串口，還有一個多功能口。如圖所示總線轉接芯片周圍電路原理圖。圖5：USB轉232總線芯片原理圖數(shù)據(jù)采集電路節(jié)點的數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實際需要選定合適的傳感器，如振動、聲響、溫度、光線等，因為整個模塊由電池供電，這就要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數(shù)字式傳感器。本設計采用AD公司的兩維數(shù)字加速度計ADXL202和Maxim公司的線式數(shù)字溫度計DS18B20是很好的選擇。底層協(xié)議底層軟件設計（1）數(shù)據(jù)采集部分程序：ADC12Init：初始化CPU的AD采集通道數(shù)，采集時間，位數(shù)，等基本信息，并開定時器中斷；ADC12_ISR：中斷子程序，定時器中斷到時后將AD緩存中的數(shù)字量存儲到堆棧數(shù)組中去，等待發(fā)送。MCU操作CC2420中的寄存器的時序參見【2.1.2.3.4標準】。SPI操作設置CC2420程序設計分為基本的異步串行口發(fā)送接收程序，設置控制狀態(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計。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標準中，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，采用的無線模塊根據(jù)IEEE802.15。協(xié)議標準定義了一套幀格式來傳輸各種數(shù)據(jù)。如圖所示是本系統(tǒng)設計中的符合標準的在物理層和數(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備和對精簡功能設備在網(wǎng)絡中的行為和狀態(tài)進行控制和監(jiān)視；數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)幀結構的作用是把指定的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡中指定節(jié)點上的外部設備中，具體的接收目標也由這兩種幀結構中的“目標地址”給定。返回幀：是返回型數(shù)據(jù)幀結構的作用是無線模塊將發(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)結構體和接收數(shù)據(jù)結構體包括下列信息：發(fā)送幀序列號、發(fā)送設備源地址、PAN網(wǎng)絡的地址、幀長度、接收數(shù)據(jù)指針等信息。本文的幀發(fā)送和接收程序設計符合ZigBee協(xié)議的要求，對數(shù)據(jù)的發(fā)送接收在軟件上實現(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的應用低功耗性，本設計采用低功耗的MSP430系列單片機，完成了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡硬件電路設計，其中包括基于超低功耗MCU最小系統(tǒng)的核心控制模塊、無線射頻收發(fā)模塊、以及一種能夠通過USB-COM端口對傳感器節(jié)點進行接口供電、編程和控制的功能模塊，進一步簡化了外部接口。針對傳感器網(wǎng)絡這個特殊的背景選取了具有多種優(yōu)勢的ZigBee通信協(xié)議，并對ZigBee協(xié)議棧的技術細節(jié)進行研究。設計了ZigBee無線通信協(xié)議棧的通信程序，能夠很好的符合無線傳感網(wǎng)絡的各種需求。通過軟件設計的無線通信協(xié)議。溫感RFID標簽建設背景RFID（RadioFrequencyIdentification）。射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。是集計算機技術、信息采集處理技術、無線數(shù)據(jù)傳輸技術、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信技術和機械電子自動控制技術等多學科綜合應用為一體的自動化控制系統(tǒng)。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象，并獲取相關數(shù)據(jù)，具有精度高、適應環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷、可識別高速運動的物體，且可同時識別多個標簽等許多優(yōu)點。但是RFID抗干擾性較差，這對它的應用是個限制。而無線傳感器網(wǎng)絡過于分散，在大規(guī)模應用時，精確傳感節(jié)點位置較為困難，這對無線傳感器網(wǎng)絡的應用也產(chǎn)生了一些影響。如果將無線傳感器網(wǎng)絡同RFID結合起來，利用RFID精確的定位性能，并且利用無線傳感器網(wǎng)絡高達100m的有效半徑，形成RFID傳感器網(wǎng)絡。在國防安全、特種設備監(jiān)控、工農(nóng)業(yè)領域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都會有重要的科研價值和實用價值，因此具有十分廣闊的應用前景。建設意義RFID在無線傳感器網(wǎng)絡應用就是綜合了RFID和無線傳感器網(wǎng)絡的技術特點，它繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標的特性，同時實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡主動感知與通信的功能。因此，RFID無線傳感器網(wǎng)絡能夠更加精確的得到節(jié)點甚至整個網(wǎng)絡的信息，對控制中心采取下一步措施起著莫大的幫助。RFID傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點往往是隨機布置在工作區(qū)域當中，大量節(jié)點位置在監(jiān)測區(qū)域中是隨機的、未知的。雖然兩者結合能夠極大的改善系統(tǒng)的，能夠優(yōu)缺點互補，但是其依然具有一些比較嚴重的問題，比如：工作頻率選擇、RFID天線研究、防沖突技術研究、安全與隱私問題。由于我們在實際運用中，如定位、監(jiān)測都必須熟知節(jié)點的分布的具體位置，所以，我們要對這些節(jié)點進行良好的識別。只有明確的識別這些節(jié)點，我們的傳感器網(wǎng)絡才是有意義的。所以為了防止識別中的沖突問題，我們必須對其算法進行研究，改進，爭取提出像ALOHA算法這樣高效的算法，并且能夠提出更為合理，更加具有實用性的算法。這樣帶動該項技術的發(fā)展。國內外現(xiàn)狀目前，國內外學者都在對RFID無線傳感器網(wǎng)絡進行具體研究，但是其中還面臨著許多問題，需要我們這一代的人對其進行更加深入的研究，對具體的算法和結構進行優(yōu)化。讓該技術能真正的改變我們的生活。當前，RFID技術研究主要集中在工作頻率選擇、天線設計、防沖突技術和安全與隱私保護等方面。目前國內外比較突出的項目研究有：美國從20世紀90年代開始，就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級協(xié)調體系結構研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡傳感(CENS)等一系列重要的無線傳感器網(wǎng)絡的研究項目。自2001年起，美國國防部遠景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進行RFID無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究，并在C4ISR基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把RFID無線傳感器網(wǎng)絡作為一個重要研究領域，設立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M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)絡研究項目。在美國自然科學基金委員會的推動下，美國如麻省理工學院、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、南加州大學、康奈爾大學、伊利諾斯大學等許多著名高校也進行了大量RFID無線傳感器網(wǎng)絡的基礎理論和關鍵技術的研究。美國的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通過與高校合作的方式逐漸介入該領域的研究開發(fā)工作，并紛紛設立或啟動相應的研發(fā)計劃，在無線傳感器節(jié)點的微型化、低功耗設計、網(wǎng)絡組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及WSN網(wǎng)絡應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)點已走出實驗室，進入應用測試階段。除美國以外，日本、英國、意大利、巴西等國家也對RFID無線傳感器網(wǎng)絡表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開了該領域的研究工作。我國的RFID無線傳感器網(wǎng)絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學院《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》的信息與自動化領域研究報告中。2001年，中國科學院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內部的相關單位，共同推進無線傳感器網(wǎng)絡的研究。從2002年開始，中國國家自然科學基金委員會開始部署傳感器網(wǎng)絡相關的課題?！爸袊磥?0年技術預見研究”提出的157個技術課題中有7項直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術確定了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網(wǎng)絡研究直接相關。最值得一提的是，中國工業(yè)與信息化部在2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網(wǎng)”國家級重大專項中，有第6個子專題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專門針對RFID無線傳感器網(wǎng)絡技術而設立的。我國的二代身份證采用了13.56MHZ的RFDI技術作為其內核技術，在防偽方面取得了重大的突破。這些都是我們國家在RFID無線傳感器網(wǎng)絡中的具體研究。RFID技術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電池有無無源：無電池，藉由電磁或微波產(chǎn)生電源有源：標簽內建電池，主動發(fā)波特殊用途標簽如溫度感應、電子封條…等（三）RFID特性芯片唯一序號（UniqueID）較大的存儲容量非接操作讀取距離較遠安全性高（密鑰）防碰撞研究在鍋爐運行環(huán)境中，RFID標識記錄的數(shù)據(jù)內容、記錄形式、標識方法、所用材質等技術標準，探討運行過程中RFID的應用手段。傳感型RFID標簽標簽的功能設計（1）適合食品物流追溯的傳感型RFID標簽：根據(jù)食品追溯的需要，設計了帶有溫感、濕感、光感傳感器的標簽，便于數(shù)據(jù)的采集，配合相配套的RFID讀寫機具或模組，以達到食品生產(chǎn)、加工、包裝、運輸過程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解碼、全程狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行分析和呈現(xiàn)。標簽帶有自動休眠和喚醒功能，以節(jié)省標簽電力，延長標簽電池使用時間；傳感器的加入，同時也為標簽防拆提供了功能實現(xiàn)的條件。（2）適合危險設施監(jiān)管的傳感型RFID標簽：根據(jù)危險設施監(jiān)測管理的需要，設計了帶有溫感、濕感、光感、壓感、氣體感應等傳感器的標簽，以達到對危險設施的狀態(tài)監(jiān)測原始數(shù)據(jù)的采集，配合相配套的RFID讀寫機具，可以實現(xiàn)對危險設施的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解碼、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)回傳，以供數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行分析和呈現(xiàn)。標簽結構典型的有源標簽電路包括天線、射頻前端、控制器、存儲器，電池模塊等。其中射頻前端負責發(fā)送調制、接收解調標簽與讀寫器之間的指令信號和反射應答信號。微控制器執(zhí)行讀寫器的指令，完成標簽的正確識別。存儲器存儲標簽識別程序和射頻標簽相關信息。傳感型標簽的整體架構采用單片機+天線控制器IC+傳感控制器IC+天線+傳感器組成；為了安裝和維護方便，標簽采用了緊湊型結構設計，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計。標簽結構標簽主板（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，使標簽天線不易損壞，銅基和鋁基材料，對信號的穩(wěn)定性和信號強度有較好的保障，標簽天線為全向天線，圓極化方式，以增加覆蓋率，減少駐波比，將漏讀率降至極低，以保持標簽與讀寫機具（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，電源控制部分自動在兩塊電池間切換，一塊電池電量低至無法滿足正常工作時，電源控制器自動切換至另一塊電池；標簽功耗由于有源電子標簽采用電池供電，而電池的容量和使用時間有限，所以必須對標簽進行低功耗設計，從而盡可能延長電池使用時間。而在整個標簽結構中，射頻前端芯片的選取直接影響標簽的功耗，因為標簽消耗能量的近2/3用于無線收發(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。工作模式測試條件工作電流發(fā)送0dBm11.3mA接收2Mb/s12.3mA待機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，芯片內部開辟有FIFO緩存區(qū)，在緩沖區(qū)內將數(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。同時突發(fā)模式使得像89LV51這種低成本和速度相對較慢的微控制器可處理2Mb/s的無線傳輸。在增強型突發(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)包后自動回傳應答信號ACK，如果發(fā)送端沒有收到應答信號，說明檢測到有數(shù)據(jù)丟失，則自動重傳丟失的數(shù)據(jù)包。nRF24L01用增強型突發(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)成本進一步降低。微控制器無需參與整個雙向鏈路的通信，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。芯片還提供待機模式（Standbymode）。為減小電流損耗，部分內部振蕩器停振，RF收發(fā)單元停止工作，系統(tǒng)進入待機模式I。待機模式II在待機模式I的基礎上激活了部分必須的時鐘緩存器。這兩種模式都是為了減小功耗而設計的，具有最小化平均消耗電流以及較短的喚醒時間。標簽數(shù)據(jù)標簽數(shù)據(jù)包含了標簽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)；標簽具備2Kbit~8Kbit的存儲容量，根據(jù)實際需要的數(shù)據(jù)內容，可以對Block進行分區(qū)定義；指令集在基礎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，實現(xiàn)異步/實時兩種方式的指令響應機制，數(shù)據(jù)采用AES加密方式，增加數(shù)據(jù)的安全性。內部邏輯（軟件）標簽本身就是一臺超小型單片機，為內置軟件的開發(fā)提供了較大的自由度，標簽內置軟件（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；標簽自我檢測每500ms進行一次狀態(tài)自檢，發(fā)生異常，主動上報；標簽狀態(tài)控制標簽在無法取得讀寫機具（模組）信號時，將自動進入休眠模式，并且每秒鐘自動喚醒一次；標簽在收到讀寫機具（模組）信號時，立即進入工作模式。標簽的封裝標簽采用高強度工程塑料做為外殼，采用真空環(huán)境下的激光焊接技術將上下殼焊接在一起，形成一體。標簽的檢測標簽除進行讀寫測試外，還進行高濕、高壓極限測試，采用空壓機、水浸方式進行密封檢測、高溫/低溫檢測等，嚴格把關各個測試環(huán)節(jié)，以使標簽能適應多種環(huán)境。溫感型讀寫器讀寫器的開發(fā)是在現(xiàn)有閱讀器的基礎上進行升級改造，以實現(xiàn)解析標簽傳感器的數(shù)據(jù)，達到RFID具備感應功能的目的，以適用于特種設備監(jiān)管需要。讀寫器是射頻識別系統(tǒng)的核心部件，其主要任務是控制射頻模塊與電子標簽進行通訊，接收電子標簽的應答信號并對電子標簽的對象標識信息進行解碼，再將對象標識信息連同電子標簽上其它相關信息傳輸?shù)街鳈C或中間件以供處理。下圖是讀寫器工作的基本模式，其中應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別系統(tǒng)中作為連接后端應用系統(tǒng)與前端信息載體—電子標簽之間的主要通道，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)議標準條件下完成與電子標簽之間的通信功能；（2）讀寫器要具備一定的通信接口，如USB、RS232/RS485、RJ45、Bluetooth、WLAN、Weigand等，可以與主機或中間件者進行通信；（3）讀寫器能夠在讀寫器識別范圍內實現(xiàn)多電子標簽同時識讀，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電子標簽的識讀；（5）讀寫器要具備一定的錯誤判斷能力（例如加入奇偶校驗或者冗余校驗等），能夠校驗讀寫過程中的錯誤信息；（6）對于安全性要求比較高的場合，還需要有物理方式或者邏輯方式的保密機制，例如在基帶模塊加入加密/解密模塊。讀寫器結構雖然射頻識別系統(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造都近似具有如下圖的結構，也就是說讀寫器主要由天線、射頻模塊和基帶模塊三個部分組成。讀寫器設計結構圖基帶模塊的主控制器是系統(tǒng)的核心部分，它負責接收用戶命令、對發(fā)送信號進行編碼及加密和對接收信號進行解碼和解密；射頻模塊首先要產(chǎn)生射頻能量，完成對基帶信號的調制發(fā)射和解調接收；天線負責將發(fā)射信號給電子標簽，并接收來自電子標簽的信號；安全保密模塊實現(xiàn)電子標簽信息的安全認證。讀寫器通過標準接口（如USB、RS232/RS485、RJ45、WLAN等）實現(xiàn)與主機或中間件的通信。射頻模塊讀寫器射頻前端模塊負責讀寫命令的調制發(fā)送和電子標簽信息的接收解調，其功能主要包括以下幾個方面：（1）完成對基帶信號的調制，將讀寫器的控制命令調制到射頻信號上。（2）完成對發(fā)射信號的功率放大，從而使射頻信號能夠傳播至電子標簽的信號范圍；（3）實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)轉換，實現(xiàn)收發(fā)隔離。（4）完成電子標簽后向反射信號的下變頻處理，為基帶處理模塊提供信號。讀寫器基帶讀寫器基帶模塊負責接收用戶命令、對命令進行編碼和對接收信號進行解碼，基帶模塊的主要任務可以概括如下：（1）完成與主機或中間件的通信，執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令。（2）控制與射頻電子標簽的通信。（3）基帶信號的編碼與解碼。（4）執(zhí)行防碰撞算法。（5）對讀寫器和電子標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密。（6）進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。（7）根據(jù)既定協(xié)議和編碼規(guī)則，解析電子標簽返回的數(shù)據(jù)及標簽內置的傳感器數(shù)據(jù)。讀寫器天線數(shù)據(jù)傳輸是RFID系統(tǒng)運行的一個重要環(huán)節(jié)。射頻信號通過閱讀器天線和標簽天線的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此，天線在整個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)的通信質量，另一方面天線決定了系統(tǒng)的通信距離。射頻識別系統(tǒng)的讀寫器必須通過天線來輻射能量，形成電磁場，通過電磁場來對電子標簽進行識讀。天線所形成的電磁場范圍就是射頻識別系統(tǒng)的可讀寫區(qū)域。讀寫器天線作為電磁波轉換為電流信號、電流信號轉換電磁信號的裝置，具有多種不同的形式和結構，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別系統(tǒng)中，如13.56MHz，在工作頻率為433MHz、800/900MHz和2.45GHz的射頻識別系統(tǒng)中，主要采用平板天線、八木天線和陣列天線等天線來完成能量和數(shù)據(jù)的電磁耦合。射頻識別系統(tǒng)可以采用收發(fā)共用一個天線的方式，也可以收發(fā)天線分開以達到更好的隔離效果。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。在設計讀寫器天線時要注意如下特點：（1）頻率范圍天線的工作頻率和頻帶寬度要符合射頻識別系統(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)，微波頻段對人體和電子設備的影響最小，目前WiFi、藍牙等通訊設備均使用2.4GHz~2.5GHz通信頻段，是符合國家無線管理委員會相關的民用通訊頻率規(guī)定。經(jīng)實際研究測試，最遠距離可達到300米，低于1W功率時可達到208米的距離，穩(wěn)定距離可在150~187米范圍，調節(jié)天線增益（2）天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號功率密度之比。它定量地描述了一個天線把輸入功率集中輻射的程度。在研制的四個頻段的射頻識別系統(tǒng)采用的天線增益根據(jù)應用需求不同有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別系統(tǒng)的作用距離，一般來說，天線增益越大，讀寫器作用距離越遠，但是讀寫器的能量輻射要受無線電頻譜規(guī)則的限制。（3）天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場和磁場構成，其中電場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輻射強度降低3dB（即功率密度降低一半）的兩點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，抗干擾能力就越強，但同時天線的覆蓋范圍也就越小。實際中要根據(jù)不同的應用環(huán)境和功能需求進行選擇。（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)射功率要受國家相關無線電頻譜規(guī)則的限制。另外電子標簽的感應靈敏度也是影響讀寫器作用距離的一個重要因素。對于固定式讀寫器，發(fā)射功率要求不大于2W，對于手持式讀寫器，發(fā)射功率不大于0.5W。（6）讀寫器天線采用線極化設計，使用定向天線，讀寫范圍為X軸為75°，Y軸為55°，因天線控制器的擴展，在實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備進行數(shù)據(jù)交互的重要部件，為防止靜電損壞、磁場等對接口的影響，防止數(shù)據(jù)的錯誤率增加，數(shù)據(jù)接口采用了光隔技術，實現(xiàn)了非接觸式的數(shù)據(jù)轉換。開發(fā)APIAPI采用C語言編寫，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、設備設置等功能集中在API當中，便于課題總體任務開發(fā)的使用。配套設施為了更好的完成任務，使用自籌資金，配套了新的真空機、激光焊接機、觸控機、元件貼焊、接口類型轉換等設備設施，以滿足封裝和嚴格測試的需要。標簽和讀寫機具開發(fā)工作采用了邊開發(fā)邊測試和聯(lián)測的方式，對標簽采用了高溫、暴力破壞、浸水等測試，對讀寫模組采用了高溫、高濕、反復啟動、反復斷電/上電測試，目前測試結果基本達到了預期目的，可以進行示范性測試。RFID標簽測試2010-12-21測試項目測試內容測試結果高溫+50℃工作正常低溫-30℃工作正常，耗電量增加濕度100%工作正常，濕度傳感器標識數(shù)據(jù)準確；浸水標簽無進水現(xiàn)象，封狀達到要求；暴力破壞10米墜落標簽無破裂現(xiàn)象，工作正常摔標簽無破裂現(xiàn)象，工作正常踩標簽有輕微損壞，工作正常磁干擾恒定磁場輕微影響同頻交變磁場影響較大RFID讀寫模組測試2010-12-21測試項目測試內容測試結果高溫+50℃工作正常低溫-30℃工作正常，耗電量增加濕度100%工作正常，濕度傳感器標識數(shù)據(jù)準確；暴力破壞10米墜落無損壞現(xiàn)象，工作正常摔無損壞現(xiàn)象，工作正常磁干擾恒定磁場輕微影響同頻交變磁場影響較大啟動30次/小時無故障反復開機/關機20次/小時無燒毀寬電壓5—10v/9-12v工作正常網(wǎng)絡選擇數(shù)據(jù)回傳可根據(jù)鍋爐運行場所的網(wǎng)絡條件決定，由于每臺鍋爐監(jiān)控的數(shù)據(jù)量并不大，只保留在kb級，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現(xiàn)實時上報監(jiān)控數(shù)據(jù)，并且通訊模塊采用了多方式自動轉換，可在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳的同時，減少監(jiān)控成本。供電方式考慮到鍋爐運行環(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、無線模組、RFID模塊、人員資質信息監(jiān)控終端、前置終端機使用，以減少線路復雜的問題。能效監(jiān)控安全運行各值可通過采集模塊直接采集，安全警報門限值的設定可根據(jù)鍋爐型號、鍋爐安全標準及各鍋爐生產(chǎn)廠家出廠時規(guī)定的鍋爐安全運行參數(shù)設定即可。鍋爐系統(tǒng)運行能效監(jiān)控是對使用過程中的工業(yè)鍋爐及其系統(tǒng)，在安全、穩(wěn)定運行工況下的總體能效評估數(shù)值監(jiān)控。通過對工業(yè)鍋爐及其輔機系統(tǒng)在一定運行周期內產(chǎn)生蒸汽量或者輸出熱量，燃料、電、水消耗計量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，評估工業(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目，根據(jù)《工業(yè)鍋爐能效測試方法》要求，一些燃燒介質需要采樣化驗方能獲取其能效相關數(shù)值，比如燃燒介質，因此，如果比較準確的實現(xiàn)能效值的監(jiān)控，必須根據(jù)《工業(yè)鍋爐能效測試方法》中提供的算法與采集模塊相結合，才能在監(jiān)管軟件中實現(xiàn)能效值的監(jiān)控。監(jiān)控數(shù)據(jù)基準溫度基準溫度是以采集到的監(jiān)控地點的環(huán)境溫度為基準溫度。溫度采集鍋爐蒸汽、水、空氣、煙氣介質溫度的采集，可根據(jù)介質特性，采用精度不低于0.5級的無線溫度采集模塊進行采集。對熱水鍋爐進、出水溫度采用靈敏度為0.1℃的溫度采集模塊進行采集。煙氣采集(1)煙氣測點應當接近最后一節(jié)受熱面，距離不大于1m；(2)煙氣測點應當布置在煙道截面上介質溫度、濃度比較均勻的位置（約在煙道直徑的1/2至1/3處），當煙道截面積大于1m2時，煙氣溫度測試應當采用網(wǎng)格法布置測點按附件G的要求進行；(3)煙氣成分測試，RO2、O2可用奧氏分析儀測定，CO可用氣體檢測管測定，奧氏分析吸收劑按附件E方法配置；使用煙氣分析儀測量時，測定RO2、O2的精度不得低于1.0級，測定CO的的精度不得低于5.0級。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采集模塊獲取。蒸汽流量在蒸汽出口出安裝超聲流量計采集模塊獲取蒸汽流量。蒸汽溫度及波動范圍蒸汽溫度可在蒸汽出口采集獲取蒸汽溫度波動范圍(1)設計溫度小于350℃時，實測溫度偏差控制在+10℃至至20℃之間；(2)設計溫度大于等于350℃時，實測溫度偏差控制在+5℃至10℃之間；鍋爐能效計算蒸汽生產(chǎn)量計算公式蒸汽生產(chǎn)量=蒸汽流量—水流量蒸汽壓力鍋爐蒸發(fā)量的折算當蒸汽和給水的實測參數(shù)與設計參數(shù)不一致時，鍋爐的蒸發(fā)量的折算：(1)飽和蒸汽鍋爐：QUOTEQUOTE??????=Dschbq?hgs(2)過熱蒸汽鍋爐：溫度影響采集效率折算(1)蒸汽鍋爐的實際給水溫度與設計值之差宜控制在+30℃至－20℃之間，當實際給水溫度與設計給水溫度之偏差超過－20℃時，采集到的鍋爐效率應按每相差－60℃效率數(shù)值下降1％進行折算，不足或者大于－60℃，則按比例折算，在結果分析中對此予以扣除，對無省煤器的鍋爐則不予扣除；(2)熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的進、出口介質溫度與設計值之差不宜大于±5℃；當實際進出水溫平均值與設計溫度平均值之偏差超過-5℃時，應進行折算；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％；對燃油、燃氣熱水鍋爐，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，按比例折算；無論有無省煤器，在結果分析中對此均予以扣除，帶有空氣預熱器的出水溫度偏差的效率不進行折算，有機熱載體鍋爐效率折算參照熱水鍋爐進行；有機熱載體鍋爐數(shù)據(jù)采集計算（1）在計算有機熱載體鍋爐載熱量時，有機熱載體的比熱容以其實測溫度下的進、出口處比熱容與在0℃時的比熱容的平均值為準；（2）當有機熱載體鍋爐無法測量鍋爐熱功率時，可測量每小時輸入鍋爐燃料熱量，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算法確定。當采用查表法時，鍋爐散熱損失q5應當根據(jù)出力進行折算：整裝、組裝鍋爐（包括燃油、燃氣鍋爐和電加熱鍋爐）的散熱損失可以近似地按照下面的公式計算。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〕。鍋爐效率計算（1）正平衡效率計算A、輸入熱量計算公式注：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，應當以相應的液體、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算公式C、過熱蒸汽鍋爐正平衡效率計算C1以采集到的給水流量為依據(jù)時的計算公式：C2以采集到的過熱蒸汽流量為依據(jù)時的計算公式：（2）熱水鍋爐和有機熱載體鍋爐正平衡效率計算公式：（3）電加熱鍋爐正平衡效率計算A、電加熱鍋爐輸出飽和蒸汽時的計算公式：B、電加熱鍋爐輸出熱水時的計算公式：（4）反平衡效率的計算公式：人員資質信息監(jiān)控根據(jù)國家特種設備安全監(jiān)察局對于安全事故的報告，特種設備事故多發(fā)生在使用階段，其中違規(guī)操作、維保缺失、不定期檢驗是主要原因。依照《安全生產(chǎn)法》和《特種設備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，對有可能發(fā)生重大安全事故的設備必須有經(jīng)過專業(yè)培訓并取得上崗資質的人員方能進行操作和參與維護保養(yǎng)工作。但現(xiàn)實情況是許多特種設備使用單位、維保單位為節(jié)省成本逃避檢驗、聘用無證人員的現(xiàn)象屢禁不止，因此，對于操作和維保人員的資質、維保狀態(tài)的監(jiān)控成為最大難題。采用RFID、人臉識別、人體感應技術構建的人員資質監(jiān)控系統(tǒng)是解決這個難題的重要技術手段。系統(tǒng)由前端終端和監(jiān)控平臺組成，前端終端集成RFID、人臉識別、紅外人體感應、圖像采集和通訊模塊組成；以人員上下崗刷RFID卡實現(xiàn)人員基礎信息的采集，通過人臉識別與RFID卡內人員信息進行校驗，防止借證、違證人員對設備的操作，通過圖像采集系統(tǒng)可在發(fā)生預警或故障時對現(xiàn)場進行圖像采集。特種設備維保狀態(tài)及人員資質監(jiān)控系統(tǒng)對于鍋爐、電梯、起重機械等經(jīng)常發(fā)生借證、無證上崗操作的設備使用單位可起到嚴格管理的目的。RFID技術采用無源HF13.56MHzRFID標簽實現(xiàn)人員證件制作，每個操作人員攜證上崗，進入工作區(qū)域后刷卡，離開工作區(qū)域刷卡，實現(xiàn)人員到崗信息記錄。RFID標簽采用符合ISO-14443TypeA標準的HF13.56MHz，內部記錄操作由國家鍋爐檢測中心核發(fā)的司爐工上崗資質證件編號，每個RFID閱讀設備的設備ID與當前用戶單位信息綁定，實現(xiàn)人員在崗單位信息，以通過杜絕一個資質兼任多個單位工作實現(xiàn)上崗人員是否借證上崗的信息監(jiān)控。RFID標簽采用256bit存儲容量的標簽人臉識別技術人臉識別，一種基于人的臉部特征信息進行身份認證的生物特征識別技術。被人們稱為最自然、最直觀的一種生物特征識別技術，可以廣泛應用于公安、安全、海關、金融、軍隊、機場、邊防口岸、安防等多個重要行業(yè)及領域，以及智能門禁、門鎖、考勤、手機、數(shù)碼相機、智能玩具等民用市場，具有廣闊的市場應用前景。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“以貌識人”的認知規(guī)律、適應性強、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。目前市場上的人臉識別系統(tǒng)多是平面型的，但人在現(xiàn)實環(huán)境中是多維的，人眼所能看到的事物是三維的，而平面型人臉識別系統(tǒng)卻是對平面圖像進行分析，因此，一直受到姿態(tài)、表情等因素的不利影響。當人在行進中或表情有所變化或沒有正對攝像頭時，多數(shù)識別會出現(xiàn)問題，并且環(huán)境光線對平面人臉識別系統(tǒng)也造成一定影響。三維人臉動態(tài)識別系統(tǒng)是基于三維人臉圖像的，是目前國內外最先進的人臉識別系統(tǒng)，由兩個專用分向高清攝像頭仿照人眼成像原理，捕捉到的特征點多達幾千個，并且采用了紅外夜視技術，識別目標的表情變化、姿態(tài)變化、環(huán)境光線變化等非極端因素，對本識別系統(tǒng)影響很小，甚至可在人行進過程中對人進行姿態(tài)跟蹤識別，因此，識別率極低；同時，三維人臉動態(tài)識別系統(tǒng)包含了先進的數(shù)據(jù)分析處理技術，既保留了二維人臉識別簡單的優(yōu)點，又借鑒了三維圖像分析的三維信息，識別性能達到國際一流，目前已在航天、軍工、保密系統(tǒng)、高檔樓宇中得到廣泛應用。通訊方式資質信息監(jiān)控終端內置ADSL、WiFi和3G/GPRS多種通訊模塊，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇通訊方式。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)品系列具備堅固、防震、