智慧工业 工业锅炉安全运行监测平台建设方案V3

第页智慧工业工业锅炉安全运行监测平台建设方案单位主体（或部门）撰写负责人编制版本编制时间

目录TOC\o"1-3"\h\u12572第一章项目概述 4190221.1.应用背景 413011.2.应用技术 4134031.2.1.无线传感器 4285881.2.2.监测数值接收器 6272611.2.3.前置处理终端 769611.2.4.安全运行能效监控 7284971.2.5.组态软件 79005第二章建设内容 936042.1.数据采集 10134042.1.1.锅炉安全事故参数 10238712.1.2.安全运行参数 11238932.2.能效监控 12171552.2.1.蒸汽锅炉蒸汽量测量 1375752.2.2.介质压力测量 13293612.2.3.温度测量 13281152.2.4.烟气测量 14210702.2.5.传感器采集参数 1450322.2.6.后装式传感器采集 16291602.2.7.安装位置 18256502.2.8.PLC控制箱采集 18190412.2.9.前装传感式采集 18297222.3.数据采集无线传感器 20265762.3.1.建设背景 21268812.3.2.建设目的 229332.3.3.建设意义 23326452.3.4.应用技术 24300022.3.5.国内外现状 25128492.3.6.发展趋势 27213282.3.7.无线传感模组优势 2843672.3.8.硬件设计 29143792.3.9.底层协议 3658222.3.10.协议标准 3724705接收程序流程图 40284672.4.温感RFID标签 41271012.4.1.建设背景 4114262.4.2.建设意义 42203642.4.3.国内外现状 4265932.4.4.RFID技术 4511242.4.5.传感型RFID标签 47255102.4.6.温感型读写器 54142262.5.能效监控 64146302.5.1.监控数据 6512912.5.2.锅炉能效计算 6754822.6.人员资质信息监控 7357182.6.1.RFID技术 7448462.6.2.人脸识别技术 7478722.6.3.通讯方式 76141832.7.监控前置终端 76138992.8.责任追溯 77101192.9.移动智能监控 79288702.9.1.移动终端 79189782.9.2.移动终端操作系统 80150902.9.3.监控系统环境 80238802.9.4.移动设备监控终端 8055462.10.安全运行能效监控 81218282.10.1.登录平台 82182742.10.2.特种设备信息管理 82237292.11.组态监控 8678002.11.1.建设内容 86179132.11.2.核心能力 87294802.11.3.GIS展示 885012.11.4.工艺流程图 88200142.11.5.报警记录 9132222.11.6.数据分析 913382.11.7.数据报表 9419732.11.8.环境温度监控 95106092.11.9.气象信息监控 95157422.11.10.丰富的接口特性 9635272.11.11.完备的冗余架构 9620239第三章油田作业设备 97119033.1.洗蜡机 97146623.2.煤粉锅炉 9894343.2.1.煤粉锅炉燃烧控制 98268393.2.2.燃烧控制 99187893.2.3.安装的传感器 9982153.3.建设目标 100310063.4.建设意义 101174443.5.应用价值 102项目概述应用背景锅炉是一种高耗能压力容器设备，锅炉的安全运行对于安全生产和人民生命财产安全具有重要意义。目前我国锅炉安全运行水平有了很大提高，已出现很多单一锅炉安全连锁保护装置，但由于各方面的原因，这些装置并没有真正起到应有的作用，锅炉恶性事故时有发生。近年来，国家倡导节能减排，但很多锅炉使用单位对于节能减排的重视程度非常有限，仍采用旧式锅炉和传统操作方法，对于节能环保采用先进的计算机控制技术可以提高热效率，降低耗煤量，减少环境污染，为企业带来巨大的经济效益。本文的工业锅炉安全远程监控系统主要采用单片机技术对工业锅炉运行状态进行实时监测和控制，在数据采集精度和设备操控的稳定性方面都有很大提高。采用自定义网络数据交换协议架构实现远程数据传输，客户端基于MAP5技术实现对各监控点设备的GIS地图管理，可进行远程多点监控。应用技术无线传感器锅炉运行监测根据安全运行监测数值采集的需要和锅炉工作环境的特点，设计了可接入符合锅炉运行数值监测的无线预处理终端模组，以达到适应锅炉工作环境、各项数值采集的要求，实现对锅炉运行中的炉体温度、烟温、水位、水温、蒸汽压力、燃气流量进行采集、编码、加密、传输、临界主动上报警告信号、数据回传，以供数据平台进行分析和呈现，为常规监测、检验、应急提供数据依据。锅炉运行能效监测根据节能减排规定，设计了可接入能效监测传感器的无线预处理终端模组，以达到对运行状态时的能效监测，可实时监测排烟二氧化碳量、排烟含氧量、排烟一氧化碳含量等数值，通过与燃气/燃料数值的结合运算，可有效监测锅炉的运行能效。锅炉运行环境监测综合监控终端可监测锅炉房内二氧化碳含量、烟尘量、温度等运行环境数值，同时终端所配置的RFID、图像监控可监测工作人员是否持有上岗证、上岗证年检或换证情况等，图像系统监控可提供日常工作状态监控，并为在发生事故时的现场记录。无线传感器终端传感器数据变送：适合安装在锅炉上的工业传感器有电平式和数字式，并且不同的数值和不同类型的锅炉适用不同灵敏度的传感器，因此，采用公共化数据变送接口技术，以适应不同类型传感器的数据接入。预置逻辑：根据锅炉运行监测需要，设计了常规运行状态监测、报警数值、报警级别及运行指令集和编解码方式，以达到数值的预前处理，并且在紧急状态发生前发出预警信号。无线传输：模块预置了ZigBee无线模块、WiFi、GPRS/3G模块，以满足不同环境的需要，保证在不同网络环境下监测模组正常组网，为数据传输和指令交互提供保障。自我状态监控：为保证无线传感器终端的稳定运行，保证数据的实时上传和不断链，每个传感器终端均设计了自我状态监控功能，发现故障立即上报给平台，以通知维护人员进行处理。监测数值接收器监测数值接收器模组是实现多个无线监测终端数据回传的专用监测模块，同是承担指令下达、各传感终端的状态轮询，是集收发一体的专用监测接收终端，支持ZigBee、WiFi、GPRS/3G；为了安装方便和使用方便，终端采用了模块化设计，将天线控制器、通讯控制器、数据处理主板（包含数据接口）划分了三个模块，使用了高性能单片机系统，成为完整的数据处理模块系统，高集成度的设计，为外形设计提供了很大的自由空间，维护也更加方便；前置处理终端前置处理终端是集RFID、无线通讯、有线通讯、视频处理于一体的综合数据处理平台终端，主体由ITX和各功能模块组成，运行安全稳定，并且适应各类锅炉运行环境要求。安全运行能效监控数据监测平台包含了数据库、前端设备状态监测、警报控制、应用控制、日志模块、报表系统等；具备锅炉运行状态实时监测、锅炉能效监测、传感终端状态监测、临界警报、运行统计、周期报表、设备台帐、维护记录、数据访问控制、权限管理、共享接口等。组态软件组态软件，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA，即SupervisoryControlandDataAcquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem，RemoteTerminalUnit)。在本项目中，利用组态软件直观、灵活、兼容性强的特点，通过对组态软件低层驱动部分的开发，使组态软件兼容本项目研发的采集模块终端、特殊非标传感器变送数据及ZigBee协议、3G传输协议，内置项目所需的运行公式，使其成为锅炉及压力容器安全运行及能效监控的专业监控软件系统。建设内容针对于锅炉运行中安全和能效相关的参数、指标的监控及在不改变锅炉及压力容器现有结构的前提下达到安全监控及能将监控的目的，本项目从监控硬件的设计、通讯协议的选择、数据格式的设计及软件平台内置能效运算公式入手，构建一套基于物联网中无线传感技术的远程锅炉安全运行及能效监测系统。数据采集锅炉安全事故参数超压破裂锅炉运行压力超过最高许可工作压力，使元件应力超过材料的极限应力。超压工况常因安全泄放装置失灵、压力表失准、超压报警装置失灵，严重缺水事故处理不当而引起。过热失效钢板过热烧坏，强度降低而致元件破坏。通常因锅炉缺水干烧。结垢太厚，锅水中有油脂或锅筒内掉人石棉橡胶扳等异物等原因引起。腐蚀失效因苛性脆化使元件强度降低。裂纹和起槽元件受交变应力作用，产生疲劳裂纹，又由腐蚀综合作用，开成槽状减薄。水击破坏因操作不当引起汽水系统水锤冲击，使受压元件受到强大的附加应力作用而失效。修理、改造不合理。造成锅炉爆炸的隐患。先天性缺陷。设计失误，结构受力、热补偿、水循环、用材、强度计算、安全设施等方面严重错误。制造失误，用错材料、不按图施工、焊接质量低劣、热处理、水压试验等工艺规范错误等引起。安全运行参数锅炉安全相关的关键参数主要以蒸汽压力、水位、炉温、烟温、炉膛温度几个关键参数。蒸汽压力锅炉蒸汽压力超过出厂规定的安全指数，那么，锅炉就会发生爆炸、泄漏等重大安全事故，蒸汽压力过低会引起如蒸汽带水带盐量增加，过热器烧坏是这种操作常见的现象；另外水冷壁的水循环过低之后气水比增加，导热水冷壁爆管，此现象较少，通常发生在过热器烧坏之后。因此，蒸汽压力的监控是安全运行的重要参数。水位锅炉汽包水位过高，造成汽水分离困难，蒸汽带水，造成汽机进冷汽或水冲击，后果将是灾难性的；汽包水位过低，可能破坏正常的水循环（下降管带汽，使水循环停滞或倒流），造成一部分水冷壁得不到锅炉水循环的冷却而过热烧坏，更严重的就是干锅，后果也还是灾难性的。所以，汽包锅炉的汽包水位是最最重要的一个参数，设定了水位的上下限，按照安全规章规定，达限值就需无条件灭火停机。炉体温度按照国家相关标准，炉体温度应50℃及以下范围，超过50℃即视为危险和效能不佳。烟温（排烟温度）各类型锅炉排烟温度指标不同，可参考《蒸汽锅炉安全监察规程》规定。温度过低，酸性气体和煤燃烧后的税蒸汽在尾部烟道造成低温腐蚀，产生尾部受热面腐蚀从而产生安全隐患。温度过高，锅炉效率低。炉膛出口温度炉膛出口温度采集运用超声波测温法采集炉膛出口温度，有不少的锅炉运行管理人员对炉膛出口烟气温度的意义缺乏认识，以致因炉膛出口烟气温度发生异常变化未能及时发现而导致故障的发生或扩大，从而引发危险事故。能效监控根据XXXXXXXXX《特种设备安全技术规范—TSGG0003－20XX工业锅炉能效测试方法》提取适合传感器采集的参数。蒸汽锅炉蒸汽量测量（1）蒸汽量一般通过测量锅炉给水流量来确定，给水流量可用经标定过的水箱或者精度不低于1.0级的流量计来测定；（2）过热蒸汽量可以通过直接测量蒸汽流量来确定，测量方法可用精度不低于1.0级的流量计测量，如果锅炉有自用蒸汽时，应当予以扣除。热水锅炉、有机热载体锅炉的介质循环流量测量仪表与方法热水锅炉、有机热载体锅炉的介质循环流量，可在锅炉回水（油）管道上，根据介质特性，采用精度不低于1.0级的流量计进行测量。介质压力测量蒸汽锅炉给水及蒸汽系统的压力、热水锅炉及有机热载体锅炉介质循环系统压力测量应当采用精度不低于1.5级的压力表。温度测量锅炉蒸汽、水、空气、烟气介质温度的测量，可根据介质特性，采用精度不低于0.5级的温度计进行测量。对热水锅炉进、出水温度应当采用读数分辨为0.1℃的温度计进行测量。烟气测量（1）烟气测点应当接近最后一节受热面，距离不大于1m；（2）烟气测点应当布置在烟道截面上介质温度、浓度比较均匀的位置（约在烟道直径的1/2至1/3处），当烟道截面积大于1m2时，烟气温度测试应当采用网格法布置测点按附件G的要求进行；（3）烟气成分测试，RO2、O2可用奥氏分析仪测定，CO可用气体检测管测定，奥氏分析吸收剂按附件E方法配置；使用烟气分析仪测量时，测定RO2、O2的精度不得低于1.0级，测定CO的的精度不得低于5.0级。传感器采集参数基准温度（环境温度）以锅炉运行环境自然温度为基准温度，并且，环境温度的变化，会影响锅炉燃烧介质的燃烧效率、蒸汽出入口温度、炉体温度等热效率相关值数。基准湿度（环境湿度）环境湿度可以做为参考值，对锅炉热效率有一定的轻微影响，对锅炉燃烧介质效率有一定影响。出口介质温度（出入口水温）热水锅炉、有机热载体锅炉的进、出口介质温度与设计值之差不宜大于±5℃；当实际进出水温平均值与设计温度平均值之偏差超过-5℃时，应对测试效率进行折算；燃煤热水锅炉，出水温度与额定温度相差-15℃效率数值下降1％；对燃油、燃气热水锅炉，出水温度与额定温度相差-25℃效率数值下降1％，不足或者大于上述温度时，按比例折算；无论有无省煤器，在试验报告结果分析中对此均予以扣除，带有空气预热器的出水温度偏差的效率不进行折算，有机热载体锅炉效率折算参照热水锅炉进行。蒸汽温度蒸汽温度是锅炉做功的产品温度，蒸汽温度可通过在蒸汽出口位置管道上采用贴片式温度计，实现蒸汽温度的测量，根据蒸汽输出口介质材质的热传导性能进行计算，可实现蒸汽温度值的计算。排烟温度水流量炉体温度烟气含量后装式传感器采集无传感器锅炉很多锅炉由于客观原因，没有配装控制箱，仍采用传统仪表完全依靠人工来观测锅炉运行当中的各项参数，为实现系统中数据的需要，需在现有锅炉上加装传感器，通过无线传感器模组进行A/D转换，以达到数据采集的目的。部分传感器锅炉有些锅炉为了降低成本，多数情况下只安装了炉膛温度、水位、蒸汽压力、水温传感器等与运行控制有关的传感器，如果采集能效数据，以上几类传感器是无法满足的，因此，需要加装烟气温度、炉体温度、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳传感器，以满足能效监测的需要。后装传感器选择根据监测的需要，对于传感头的安装部位和灵敏度有相应要求，各参数要求为：名称用途类型量程精度/灵敏度响应时间温度传感器烟温铠装0~200℃1℃360s炉体温度贴片式0~100℃1℃Tres<1秒水温插入式0~100℃1℃环境温度传感式RFID0~100℃0.5℃SO2传感器烟气含量插入式0~2000ppm1ppm≤20秒CO2传感器烟气含量插入式0~10000ppm±3%≤60秒压力传感器蒸汽压力直入式0~25MPa≤1ms水位传感器水位直入式0~300mm±10mm≤1ms流量传感器水流量外贴式/叶轮式±1%≤20秒由于锅炉是高温高压设备，并且安装位置（运行场所）环境较差，尤其是燃煤锅炉环境粉尘较多，因此，传感器选择耐高温、耐粉尘的工业传感器，以保证运行的稳定性，减少维护成本的同时，也减少了用户因维护频繁而造成的损失和厌烦感，以保证监控工作的长期进行，保证监控系统的顺利推广。安装位置PLC控制箱采集对于带有PLC控制设备系统的锅炉系统，只需加装SO2、CO2传感器即可，其它数据可通过PLC的RS232或RS485接口接出，锅炉PLC基本遵守标准ModBus协议，直接通过无线数据接口模块实现数据的采集。前装传感式采集安装位置锅炉在安装前可安装全套传感器，数据采集最全面，相应计算量减少。下图是本项目其中一位用户华北油田诚信工业公司的煤粉锅炉的前装传感器安装示意。前装式传感器选择前装式传感器的安装是在设备出厂前将监控传感器安装在锅炉上，在与控制系统配合的同时，实现远程监控。前装式传感器由于是出厂前安装，因此，传感器的安装比较全面，更容易实现较全面的数值监控。前装式传感器同样选择耐高温、耐粉尘的工业传感器，以保证运行的稳定性。名称用途类型量程精度/灵敏度响应时间温度传感器烟温铠装0~200℃1℃360s炉膛温度铠装0~1200℃1℃≤10秒蒸汽温度铠装0~500℃1℃≤5秒炉体温度贴片式0~100℃1℃≤1秒炉膛出口温度铠装0~1200℃1℃≤1秒水温插入式0~100℃1℃≤1秒环境温度传感式RFID0~100℃0.5℃≤10秒SO2传感器烟气含量插入式0~2000ppm1ppm≤20秒CO2传感器烟气含量插入式0~10000ppm±3%≤60秒压力传感器蒸汽压力直入式0~25MPa≤360ms水位传感器水位直入式0~300mm±10mm≤360ms流量传感器水流量超声波/叶轮式±1%≤20秒蒸汽流量叶轮式±1%≤15秒电流传感器风机电流互感式±1%≤250ms烟尘传感器炉内烟道积尘超声波±1%≤360秒火焰传感器燃烧器火焰紫外/电阻≤1秒数据采集无线传感器传感器作为人们感官的延伸，在现代社会中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。本课题以温度传感器为例，使用模块化设计思路，实现了一个无线传感器网络。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，在实际中有着广泛的应用。无线传感器网络可以应用于环境科学，为科学家获得野外的随机数据提供方便；可以应用于特种设备监控，在设备上安装一些特殊的传感器，监管部门可以随时监测设备的运行情况；在商业上，无线传感器网络和中心主控计算机相结合，能够给人们提供更舒适、方便、人性化的家居环境。普通节点和汇聚节点的CPU模块都采用TI公司的MSP系列单片机，MSP430系列单片机具有超低功耗性能，对于无线传感器网络来说，这一点是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采样，可以满足各种需要的数据采集与监控的应用，具有一定的通用性。此外射频部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee协议的CC2420为核心组成射频模块，ZigBee对无线传感器网络来说无疑是最合适的无线局域网通信协议。建设背景随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。建设目的当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段，低功耗就是其发展方向之一，而低功耗与高性能的结合实现还不完全。因此，为了更好的实现无线传感模块的功能，增加模块的可靠性和使用寿命，通过对无线传感节点的硬件功耗的分析，确定无线传感模块各单元的基本功率消耗，并进行相应比较，确定需重点降耗的单元，在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究，通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写，实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。建设意义无线传感网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。当前，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值，其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义。首先，现有的众多研究中，将性能和低功耗相结合的较少，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文综合了性能和低功耗的共同需求，经过深入的分析和对芯片的数据比较，提出了低功耗无线传感模块的硬件设计思路。其次，增加无线传感模块的应用。无线传感模块应用已非常广泛，除去组成无线传感网络的应用外，无线传感技术还广泛的应用于环境监测，如车间温湿度、压力等；短距无线通信等。实现了无线传感模块的低功耗，其对电能的需求就会更小，应用的范围将会进一步的扩大。应用技术无线传感模块是指由处理器模块、无线模块、电源模块和传感模块组成的无线通信自治系统，它采用一定的频率和编码方法实现与其它模块的通信，属于无线技术的一种。无线传感网络WSN是由部署在监测区域内大量的具有信息采集、数据处理和无线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观测者[3]。PCB是PrintedCircuitBoard的缩写，中文意为印刷电路板，是搭配电子零件之前的基板，被誉为“电子系统产品之母”或“3C产业之基石”。国内外现状无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代。传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。一般传感器，是最早产生的传感器，只能实现数据采集；智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发展。在正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。作为蓬勃发展的无线技术，近几年正是其大变革时期。随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的速度也将得到大大提高。无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络,是当前的热点研究领域。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能但功耗较大，如Imote2节点，不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点，如Telos、Mica等，由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。ITP（美国再生能源办公室工业技术计划）在2002年发布的报告“21世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：无线传感器可将能源利用率提高10%，将能源损耗减少25%。后来的研究，如Intel(r)Mote的研究项目则注重了三个方面的要求，包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目标的实现还需要一定的努力。MIT发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统。随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发展和完善。并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。发展趋势正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。而无线传感网络(WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。我国迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。因此，以无线传感模块为基础，实现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。除开以上所讲两种发展趋势之外，无线传感模块的应用和发展还具有极大的发展空间和良好的发展方向。当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN），构成网络的各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要向环境中投放大量的无线传感节点。这样一来成本就会非常的高。若实现无线传感模块对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检测。正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。无线传感模组优势考虑到锅炉环境中发热设备较多，为了安全和保证监控的需要，在锅炉运行环境中尽量避免过多布线，并且锅炉本身就是一个高温体，即使采用抗高温线路，也增加了维护的难度。由于锅炉结构的不同，传感器布点较散，采用有线连接方式，容易使锅炉运行环境内线路叉，锅炉体上线路较多，容易引起安全问题，并且信号线属于弱电系统，对布线方法、布线距离、布线材质有较高要求，因此，采用无线模组是快捷、安全、低成本的最佳解决方法。无线传感模组本身即可由电池供电，并内置电压转换模块，亦可外接供电，因传感头的需要，只需布最高24V的交流电线即可，省去了强弱电布线的繁杂要求，并且使线路简单，维护方便。无线传感模组本身采用ZigBee技术，可实现自组网数据传送，亦兼容WiFi技术，可实现数据的区域性远程传送。无线模组的使用可节省布线，解决了传感器点位散、多从而导致线路复杂的问题。硬件设计WSN普通节点无线传感器节点的普通节点负责将实时数据采集起来并将其发送到邻居节点，其硬件结构图如图1所示。图1：WSN中普通传感器节点结构WSN汇聚节点汇聚节点的作用是将传感器节点发送的数据收集起来，并进行一定的数据优化处理将其需要的格式发送给最终监控计算机。图2：WSN中汇聚节点结构中央处理器CPU由于整个设计要以低功耗为原则，一次选取了业界公认的超低功耗处理器MSP430系列单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带60kFlashROM存储器的单片机可以存储大量的节点数据采集信息还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1mA～400mA之间，RAM在节电模式耗电为0.1mA，等待模式下仅为0.7mA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电。所以采用MSP430F149是最佳选择。无线通信采用挪威半导体公司Chipcon推出的CC2420是全球首颗符合802.15.4/ZigBee联盟标准的2.4GHz射频芯片。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术，采用0118μm工艺。为了保持和ZigBee[4]标准一致，CC2420支持250kbps数据传输率。芯片具有50个寄存器：33个控制、状态寄存器；15个命令选通寄存器；2个先入先出缓存控制寄存器。本设计的一个主要创新之处在于选取了硬件上支持IEEE802.15.4/ZigBee协议的物理层和数据链路层中的LLC子层，因此这时我们只需在协议层上实现上层的安全层，MAC层和用户的应用层协议。下面介绍ZigBee协议在新一代无线通信中的特点和对于无线传感器网络中应用的优势。低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。可靠：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。CPU和RF接口设计如图所示：图3：MCU与RF之间的接口单片处理器通过4线制SPI总线接口和射频芯片CC2420通信，单片微处理器可以通过编程使CC2420工作在不同的状态，读、写缓存数据，读CC2420回馈的信息。在与射频芯片的接收、发送FIFO接口时用FIFO和FIFIOP引脚进行状态的控制和读取信息；射频天线部分的原理图如图5所示，在2.4GHZ的无线通信系统中设计采用的对信号屏蔽和保护效果很好的环形天线设计，采用带屏蔽层的四层PCB设计，在实际中取得了很好的效果，天线部分的阻抗匹配电路原理图如下面所示。图4：射频天线部分的信号保护原理图USB-UART转换USB2.0标准已经成为现在计算机和外围设备的标准通信接口。这样用户可以很方便的携带移动设备，设备之间可以达到很快的数据传输速度并达到很好的抗干扰性，一边是设备稳定可靠的工作。这个模块选用FTDI-232BM总线芯片实现标准的串行RS232转换USB的电路。此款总线芯片的接口：只有三个接口，一个标准USB口，一个标准RS232串口，还有一个多功能口。如图所示总线转接芯片周围电路原理图。图5：USB转232总线芯片原理图数据采集电路节点的数据采集部分可根据实际需要选定合适的传感器，如振动、声响、温度、光线等，因为整个模块由电池供电，这就要求传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。本设计采用AD公司的两维数字加速度计ADXL202和Maxim公司的线式数字温度计DS18B20是很好的选择。底层协议底层软件设计（1）数据采集部分程序：ADC12Init：初始化CPU的AD采集通道数，采集时间，位数，等基本信息，并开定时器中断；ADC12_ISR：中断子程序，定时器中断到时后将AD缓存中的数字量存储到堆栈数组中去，等待发送。MCU操作CC2420中的寄存器的时序参见【2.1.2.3.4标准】。SPI操作设置CC2420程序设计分为基本的异步串行口发送接收程序，设置控制状态寄存器的函数；读取、更新射频芯片状态寄存器。具体的API函数可以参考文中表一的设计。表一射频控制API函数通信协议程序IEEE802.15.4/ZigBee传输的帧格式及其作用：在IEEE802.15.4标准中，定义了一套新的安全协议和数据传输协议，方案中，采用的无线模块根据IEEE802.15。协议标准定义了一套帧格式来传输各种数据。如图所示是本系统设计中的符合标准的在物理层和数据链路层中各种帧的一般格式。命令帧：主要功能是在全功能设备和对精简功能设备在网络中的行为和状态进行控制和监视；数据型数据帧结构的作用是把指定的数据传送到网络中指定节点上的外部设备中，具体的接收目标也由这两种帧结构中的“目标地址”给定。返回帧：是返回型数据帧结构的作用是无线模块将发送数据接收情况反馈给自身的帧。图6：符合IEEE802.15.4/ZigBee通信协议帧程序中定义发送数据结构体和接收数据结构体包括下列信息：发送帧序列号、发送设备源地址、PAN网络的地址、帧长度、接收数据指针等信息。本文的帧发送和接收程序设计符合ZigBee协议的要求，对数据的发送接收在软件上实现了最可靠的形式。下图所示为发送程序的流程图。接收程序流程图考虑到WSN的应用低功耗性，本设计采用低功耗的MSP430系列单片机，完成了基于ZigBee的无线传感器网络硬件电路设计，其中包括基于超低功耗MCU最小系统的核心控制模块、无线射频收发模块、以及一种能够通过USB-COM端口对传感器节点进行接口供电、编程和控制的功能模块，进一步简化了外部接口。针对传感器网络这个特殊的背景选取了具有多种优势的ZigBee通信协议，并对ZigBee协议栈的技术细节进行研究。设计了ZigBee无线通信协议栈的通信程序，能够很好的符合无线传感网络的各种需求。通过软件设计的无线通信协议。温感RFID标签建设背景RFID（RadioFrequencyIdentification）。射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。是集计算机技术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制系统。射频识别技术利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象，并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别高速运动的物体，且可同时识别多个标签等许多优点。但是RFID抗干扰性较差，这对它的应用是个限制。而无线传感器网络过于分散，在大规模应用时，精确传感节点位置较为困难，这对无线传感器网络的应用也产生了一些影响。如果将无线传感器网络同RFID结合起来，利用RFID精确的定位性能，并且利用无线传感器网络高达100m的有效半径，形成RFID传感器网络。在国防安全、特种设备监控、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都会有重要的科研价值和实用价值，因此具有十分广阔的应用前景。建设意义RFID在无线传感器网络应用就是综合了RFID和无线传感器网络的技术特点，它继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能。因此，RFID无线传感器网络能够更加精确的得到节点甚至整个网络的信息，对控制中心采取下一步措施起着莫大的帮助。RFID传感器网络中，传感器节点往往是随机布置在工作区域当中，大量节点位置在监测区域中是随机的、未知的。虽然两者结合能够极大的改善系统的，能够优缺点互补，但是其依然具有一些比较严重的问题，比如：工作频率选择、RFID天线研究、防冲突技术研究、安全与隐私问题。由于我们在实际运用中，如定位、监测都必须熟知节点的分布的具体位置，所以，我们要对这些节点进行良好的识别。只有明确的识别这些节点，我们的传感器网络才是有意义的。所以为了防止识别中的冲突问题，我们必须对其算法进行研究，改进，争取提出像ALOHA算法这样高效的算法，并且能够提出更为合理，更加具有实用性的算法。这样带动该项技术的发展。国内外现状目前，国内外学者都在对RFID无线传感器网络进行具体研究，但是其中还面临着许多问题，需要我们这一代的人对其进行更加深入的研究，对具体的算法和结构进行优化。让该技术能真正的改变我们的生活。当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面。目前国内外比较突出的项目研究有：美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(SmartDust)、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的无线传感器网络的研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行RFID无线传感器网络技术的研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把RFID无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量RFID无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对RFID无线传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。我国的RFID无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进无线传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对RFID无线传感器网络技术而设立的。我国的二代身份证采用了13.56MHZ的RFDI技术作为其内核技术，在防伪方面取得了重大的突破。这些都是我们国家在RFID无线传感器网络中的具体研究。RFID技术RFID通信原理图4-10：rfid通信原理图RFID分类频率区分低频(LF)：125~134KHz高频(HF)：13.56MHz超高频(UHF)：862MHz~928MHz微波(Microwave)：2.45GHz~5.8GHz电池有无无源：无电池，藉由电磁或微波产生电源有源：标签内建电池，主动发波特殊用途标签如温度感应、电子封条…等（三）RFID特性芯片唯一序号（UniqueID）较大的存储容量非接操作读取距离较远安全性高（密钥）防碰撞研究在锅炉运行环境中，RFID标识记录的数据内容、记录形式、标识方法、所用材质等技术标准，探讨运行过程中RFID的应用手段。传感型RFID标签标签的功能设计（1）适合食品物流追溯的传感型RFID标签：根据食品追溯的需要，设计了带有温感、湿感、光感传感器的标签，便于数据的采集，配合相配套的RFID读写机具或模组，以达到食品生产、加工、包装、运输过程中的数据采集、数据解码、全程状态监测和数据回传，以供数据系统进行分析和呈现。标签带有自动休眠和唤醒功能，以节省标签电力，延长标签电池使用时间；传感器的加入，同时也为标签防拆提供了功能实现的条件。（2）适合危险设施监管的传感型RFID标签：根据危险设施监测管理的需要，设计了带有温感、湿感、光感、压感、气体感应等传感器的标签，以达到对危险设施的状态监测原始数据的采集，配合相配套的RFID读写机具，可以实现对危险设施的数据采集、数据解码、状态监测和数据回传，以供数据系统进行分析和呈现。标签结构典型的有源标签电路包括天线、射频前端、控制器、存储器，电池模块等。其中射频前端负责发送调制、接收解调标签与读写器之间的指令信号和反射应答信号。微控制器执行读写器的指令，完成标签的正确识别。存储器存储标签识别程序和射频标签相关信息。传感型标签的整体架构采用单片机+天线控制器IC+传感控制器IC+天线+传感器组成；为了安装和维护方便，标签采用了紧凑型结构设计，将传感器、主板和电池座（或焊接电池）全部在集成在一块线路板上，外壳模具化；标签电池根据使用环境和需求不同，采用了可更换和一次性电池两种不同的设计。标签结构标签主板（1）线路板采用双层PCB板，将CPU和IC、传感IC、传感器、外围元件、天线等全部集成在PCB板上；（2）CPU、天线控制器IC、传感器IC、传感器全部采用表面贴焊方式贴装到线路板上，电池座（或电池直接焊装）采用插孔式焊接，以保证电池固定在线路板上；（3）天线采用刻蚀技术，使标签天线不易损坏，铜基和铝基材料，对信号的稳定性和信号强度有较好的保障，标签天线为全向天线，圆极化方式，以增加覆盖率，减少驻波比，将漏读率降至极低，以保持标签与读写机具（模组）指令交互的可靠性；A类天线B类天线（4）两块钮扣电池组成电池组，电源控制部分自动在两块电池间切换，一块电池电量低至无法满足正常工作时，电源控制器自动切换至另一块电池；标签功耗由于有源电子标签采用电池供电，而电池的容量和使用时间有限，所以必须对标签进行低功耗设计，从而尽可能延长电池使用时间。而在整个标签结构中，射频前端芯片的选取直接影响标签的功耗，因为标签消耗能量的近2/3用于无线收发。nRF24L01芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作电源，可采用电池供电，在相同工作模式下，比同类公司芯片节省近1/3的能量。芯片在不同模式下的工作电流如表所示。工作模式测试条件工作电流发送0dBm11.3mA接收2Mb/s12.3mA待机13032μs32μA掉电0.9μAnRF24L01具有突发传递（ShockBurst）的收发工作模式。该模式允许用户使用较低速经微控制器把数据传入nRF24L01芯片，芯片内部开辟有FIFO缓存区，在缓冲区内将数据组帧，以高速将数据发射出去。这样缩短了发射模块的发射时间，减少了发射模块的切换次数，降低了发射电流损耗，使射频芯片间歇工作，降低功耗。同时突发模式使得像89LV51这种低成本和速度相对较慢的微控制器可处理2Mb/s的无线传输。在增强型突发传递（EnhancedShockBurst）模式中，链路层以固件形式集成在芯片中，可以在接收到数据包后自动回传应答信号ACK，如果发送端没有收到应答信号，说明检测到有数据丢失，则自动重传丢失的数据包。nRF24L01用增强型突发传递模式处理了所有链路层的高速操作，使双向链路的通信更易于控制和实现，由于系统微控制器不需要具备硬件SPI接口，使系统成本进一步降低。微控制器无需参与整个双向链路的通信，降低了微控制器的功耗。芯片提供掉电模式（PowerDownmode），在此工作模式下，器件的所有功能除SPI接口外全部关闭，使得芯片的消耗电流最低。寄存器的值全部保留，可以在芯片处于掉电模式下与微处理器通信。芯片还提供待机模式（Standbymode）。为减小电流损耗，部分内部振荡器停振，RF收发单元停止工作，系统进入待机模式I。待机模式II在待机模式I的基础上激活了部分必须的时钟缓存器。这两种模式都是为了减小功耗而设计的，具有最小化平均消耗电流以及较短的唤醒时间。标签数据标签数据包含了标签ID、传感器数据、电量数据、状态数据、UserBlock数据；标签具备2Kbit~8Kbit的存储容量，根据实际需要的数据内容，可以对Block进行分区定义；指令集在基础指令集上加入了传感器指令、休眠指令、电量指令、FLASH控制指令等，形成专用的编解码协议，实现异步/实时两种方式的指令响应机制，数据采用AES加密方式，增加数据的安全性。内部逻辑（软件）标签本身就是一台超小型单片机，为内置软件的开发提供了较大的自由度，标签内置软件（逻辑）具备了自检、Block管理、控制器管理、协议控制、电源管理等功能；标签自我检测每500ms进行一次状态自检，发生异常，主动上报；标签状态控制标签在无法取得读写机具（模组）信号时，将自动进入休眠模式，并且每秒钟自动唤醒一次；标签在收到读写机具（模组）信号时，立即进入工作模式。标签的封装标签采用高强度工程塑料做为外壳，采用真空环境下的激光焊接技术将上下壳焊接在一起，形成一体。标签的检测标签除进行读写测试外，还进行高湿、高压极限测试，采用空压机、水浸方式进行密封检测、高温/低温检测等，严格把关各个测试环节，以使标签能适应多种环境。温感型读写器读写器的开发是在现有阅读器的基础上进行升级改造，以实现解析标签传感器的数据，达到RFID具备感应功能的目的，以适用于特种设备监管需要。读写器是射频识别系统的核心部件，其主要任务是控制射频模块与电子标签进行通讯，接收电子标签的应答信号并对电子标签的对象标识信息进行解码，再将对象标识信息连同电子标签上其它相关信息传输到主机或中间件以供处理。下图是读写器工作的基本模式，其中应用程序接口也可以是与中间件的接口。读写器基本工作模式如下图：读写器工作模式图读写器在射频识别系统中作为连接后端应用系统与前端信息载体—电子标签之间的主要通道，起着举足轻重的作用。读写器主要完成以下功能：（1）读写器必须能够在规定的协议标准条件下完成与电子标签之间的通信功能；（2）读写器要具备一定的通信接口，如USB、RS232/RS485、RJ45、Bluetooth、WLAN、Weigand等，可以与主机或中间件者进行通信；（3）读写器能够在读写器识别范围内实现多电子标签同时识读，要具备数据防碰撞功能；（4）读写器要适用于固定和移动电子标签的识读；（5）读写器要具备一定的错误判断能力（例如加入奇偶校验或者冗余校验等），能够校验读写过程中的错误信息；（6）对于安全性要求比较高的场合，还需要有物理方式或者逻辑方式的保密机制，例如在基带模块加入加密/解密模块。读写器结构虽然射频识别系统在耦合方式（电感耦合或电磁耦合）、通信方式、数据传输方式以及系统频率的选择上存在很大的区别，但读写器的基本原理基本相似，由此决定的读写器构造都近似具有如下图的结构，也就是说读写器主要由天线、射频模块和基带模块三个部分组成。读写器设计结构图基带模块的主控制器是系统的核心部分，它负责接收用户命令、对发送信号进行编码及加密和对接收信号进行解码和解密；射频模块首先要产生射频能量，完成对基带信号的调制发射和解调接收；天线负责将发射信号给电子标签，并接收来自电子标签的信号；安全保密模块实现电子标签信息的安全认证。读写器通过标准接口（如USB、RS232/RS485、RJ45、WLAN等）实现与主机或中间件的通信。射频模块读写器射频前端模块负责读写命令的调制发送和电子标签信息的接收解调，其功能主要包括以下几个方面：（1）完成对基带信号的调制，将读写器的控制命令调制到射频信号上。（2）完成对发射信号的功率放大，从而使射频信号能够传播至电子标签的信号范围；（3）实现射频信号的收发转换，实现收发隔离。（4）完成电子标签后向反射信号的下变频处理，为基带处理模块提供信号。读写器基带读写器基带模块负责接收用户命令、对命令进行编码和对接收信号进行解码，基带模块的主要任务可以概括如下：（1）完成与主机或中间件的通信，执行从应用系统软件发来的动作指令。（2）控制与射频电子标签的通信。（3）基带信号的编码与解码。（4）执行防碰撞算法。（5）对读写器和电子标签之间传送的数据进行加密和解密。（6）进行读写器和电子标签之间的身份验证。（7）根据既定协议和编码规则，解析电子标签返回的数据及标签内置的传感器数据。读写器天线数据传输是RFID系统运行的一个重要环节。射频信号通过阅读器天线和标签天线的空间耦合(交变磁场或电磁场)实现数据传递，因此，天线在整个RFID系统中扮演着重要角色，一方面天线的好坏决定了系统的通信质量，另一方面天线决定了系统的通信距离。射频识别系统的读写器必须通过天线来辐射能量，形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识读。天线所形成的电磁场范围就是射频识别系统的可读写区域。读写器天线作为电磁波转换为电流信号、电流信号转换电磁信号的装置，具有多种不同的形式和结构，如偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、螺旋天线、环行天线等。其中环行天线主要用于低频和中频射频识别系统中，如13.56MHz，在工作频率为433MHz、800/900MHz和2.45GHz的射频识别系统中，主要采用平板天线、八木天线和阵列天线等天线来完成能量和数据的电磁耦合。射频识别系统可以采用收发共用一个天线的方式，也可以收发天线分开以达到更好的隔离效果。读写器天线的参数主要有：工作频率、频带宽度、方向性增益、极化方式、波瓣宽度、作用距离等。在设计读写器天线时要注意如下特点：（1）频率范围天线的工作频率和频带宽度要符合射频识别系统的频率范围要求，如超高频系统中天线可以在840-960MHz频率范围之间，微波系统中天线可以在2.4GHz-5.8GHz频率范围之间。微波2.4GHz~2.5GHz频段的有源RFID系统，微波频段对人体和电子设备的影响最小，目前WiFi、蓝牙等通讯设备均使用2.4GHz~2.5GHz通信频段，是符合国家无线管理委员会相关的民用通讯频率规定。经实际研究测试，最远距离可达到300米，低于1W功率时可达到208米的距离，稳定距离可在150~187米范围，调节天线增益（2）天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。它定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。在研制的四个频段的射频识别系统采用的天线增益根据应用需求不同有4dBi、6dBi、8dBi、11dBi等不同数值。读写器的天线增益在一定程度上决定了射频识别系统的作用距离，一般来说，天线增益越大，读写器作用距离越远，但是读写器的能量辐射要受无线电频谱规则的限制。（3）天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成，其中电场的方向就是天线的极化方向。天线的极化方式有线极化（水平极化和垂直极化）和圆极化（左旋极化和右旋极化）等方式。不同的射频识别系统采用的天线极化方式可能不同。（4）天线最大辐射方向两侧辐射强度降低3dB（即功率密度降低一半）的两点间夹角被定义为天线的波瓣宽度。波瓣宽度越窄，方向性就越好，作用距离就越远，抗干扰能力就越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。实际中要根据不同的应用环境和功能需求进行选择。（5）读写器的作用距离受读写器发射功率的限制，通常情况下，发射功率越大，作用距离越大，但是读写器的发射功率要受国家相关无线电频谱规则的限制。另外电子标签的感应灵敏度也是影响读写器作用距离的一个重要因素。对于固定式读写器，发射功率要求不大于2W，对于手持式读写器，发射功率不大于0.5W。（6）读写器天线采用线极化设计，使用定向天线，读写范围为X轴为75°，Y轴为55°，因天线控制器的扩展，在实际使用中也可以配用圆极化天线；硬件接口由于接口是与外部设备进行数据交互的重要部件，为防止静电损坏、磁场等对接口的影响，防止数据的错误率增加，数据接口采用了光隔技术，实现了非接触式的数据转换。开发APIAPI采用C语言编写，将接口连接、状态查询、数据获取、指令发送、协议接口、设备设置等功能集中在API当中，便于课题总体任务开发的使用。配套设施为了更好的完成任务，使用自筹资金，配套了新的真空机、激光焊接机、触控机、元件贴焊、接口类型转换等设备设施，以满足封装和严格测试的需要。标签和读写机具开发工作采用了边开发边测试和联测的方式，对标签采用了高温、暴力破坏、浸水等测试，对读写模组采用了高温、高湿、反复启动、反复断电/上电测试，目前测试结果基本达到了预期目的，可以进行示范性测试。RFID标签测试2010-12-21测试项目测试内容测试结果高温+50℃工作正常低温-30℃工作正常，耗电量增加湿度100%工作正常，湿度传感器标识数据准确；浸水标签无进水现象，封状达到要求；暴力破坏10米坠落标签无破裂现象，工作正常摔标签无破裂现象，工作正常踩标签有轻微损坏，工作正常磁干扰恒定磁场轻微影响同频交变磁场影响较大RFID读写模组测试2010-12-21测试项目测试内容测试结果高温+50℃工作正常低温-30℃工作正常，耗电量增加湿度100%工作正常，湿度传感器标识数据准确；暴力破坏10米坠落无损坏现象，工作正常摔无损坏现象，工作正常磁干扰恒定磁场轻微影响同频交变磁场影响较大启动30次/小时无故障反复开机/关机20次/小时无烧毁宽电压5—10v/9-12v工作正常网络选择数据回传可根据锅炉运行场所的网络条件决定，由于每台锅炉监控的数据量并不大，只保留在kb级，因此，数据回传可采用ADSL、3G、GPRS三种方式其中的任一种实现实时上报监控数据，并且通讯模块采用了多方式自动转换，可在保证数据稳定上传的同时，减少监控成本。供电方式考虑到锅炉运行环境中大多有220V电源，本系统的前置模块采用12V供电，有些传感器（如流量、压力、水位）需要24V供电，前置终端模组提供了电压转换功能，220V接入后，可分别产生3V、7.5V、9V、12V、24V供电电压，以供传感头、无线模组、RFID模块、人员资质信息监控终端、前置终端机使用，以减少线路复杂的问题。能效监控安全运行各值可通过采集模块直接采集，安全警报门限值的设定可根据锅炉型号、锅炉安全标准及各锅炉生产厂家出厂时规定的锅炉安全运行参数设定即可。锅炉系统运行能效监控是对使用过程中的工业锅炉及其系统，在安全、稳定运行工况下的总体能效评估数值监控。通过对工业锅炉及其辅机系统在一定运行周期内产生蒸汽量或者输出热量，燃料、电、水消耗计量数据的统计和分析，评估工业锅炉及其系统的整体能效状况。能效由于包含了众多项目，根据《工业锅炉能效测试方法》要求，一些燃烧介质需要采样化验方能获取其能效相关数值，比如燃烧介质，因此，如果比较准确的实现能效值的监控，必须根据《工业锅炉能效测试方法》中提供的算法与采集模块相结合，才能在监管软件中实现能效值的监控。监控数据基准温度基准温度是以采集到的监控地点的环境温度为基准温度。温度采集锅炉蒸汽、水、空气、烟气介质温度的采集，可根据介质特性，采用精度不低于0.5级的无线温度采集模块进行采集。对热水锅炉进、出水温度采用灵敏度为0.1℃的温度采集模块进行采集。烟气采集(1)烟气测点应当接近最后一节受热面，距离不大于1m；(2)烟气测点应当布置在烟道截面上介质温度、浓度比较均匀的位置（约在烟道直径的1/2至1/3处），当烟道截面积大于1m2时，烟气温度测试应当采用网格法布置测点按附件G的要求进行；(3)烟气成分测试，RO2、O2可用奥氏分析仪测定，CO可用气体检测管测定，奥氏分析吸收剂按附件E方法配置；使用烟气分析仪测量时，测定RO2、O2的精度不得低于1.0级，测定CO的的精度不得低于5.0级。饱和蒸汽湿度的采集饱和蒸汽湿度采用在蒸汽出口安装温度采集模块获取。炉体温度炉体温度采用安装了贴片式温度传感器的采集模块获取。水流量水流量在入水口处安装超声波或磁感应流量传感采集模块获取。蒸汽压力蒸汽压力在蒸汽压力表位安装外贴式超声或磁感压力计采集模块获取。蒸汽流量在蒸汽出口出安装超声流量计采集模块获取蒸汽流量。蒸汽温度及波动范围蒸汽温度可在蒸汽出口采集获取蒸汽温度波动范围(1)设计温度小于350℃时，实测温度偏差控制在+10℃至至20℃之间；(2)设计温度大于等于350℃时，实测温度偏差控制在+5℃至10℃之间；锅炉能效计算蒸汽生产量计算公式蒸汽生产量=蒸汽流量—水流量蒸汽压力锅炉蒸发量的折算当蒸汽和给水的实测参数与设计参数不一致时，锅炉的蒸发量的折算：(1)饱和蒸汽锅炉：QUOTEQUOTE𝐷𝑧𝑠=Dschbq−hgs(2)过热蒸汽锅炉：温度影响采集效率折算(1)蒸汽锅炉的实际给水温度与设计值之差宜控制在+30℃至－20℃之间，当实际给水温度与设计给水温度之偏差超过－20℃时，采集到的锅炉效率应按每相差－60℃效率数值下降1％进行折算，不足或者大于－60℃，则按比例折算，在结果分析中对此予以扣除，对无省煤器的锅炉则不予扣除；(2)热水锅炉、有机热载体锅炉的进、出口介质温度与设计值之差不宜大于±5℃；当实际进出水温平均值与设计温度平均值之偏差超过-5℃时，应进行折算；燃煤热水锅炉，出水温度与额定温度相差-15℃效率数值下降1％；对燃油、燃气热水锅炉，出水温度与额定温度相差-25℃效率数值下降1％，不足或者大于上述温度时，按比例折算；无论有无省煤器，在结果分析中对此均予以扣除，带有空气预热器的出水温度偏差的效率不进行折算，有机热载体锅炉效率折算参照热水锅炉进行；有机热载体锅炉数据采集计算（1）在计算有机热载体锅炉载热量时，有机热载体的比热容以其实测温度下的进、出口处比热容与在0℃时的比热容的平均值为准；（2）当有机热载体锅炉无法测量锅炉热功率时，可测量每小时输入锅炉燃料热量，乘以锅炉热效率，即为锅炉热功率。散热损失确定散热损失按照计算法确定。当采用查表法时，锅炉散热损失q5应当根据出力进行折算：整装、组装锅炉（包括燃油、燃气锅炉和电加热锅炉）的散热损失可以近似地按照下面的公式计算。式中：q5—散热损失，％；F—锅炉散热表面积，m2；B—燃料的消耗量，kg/h（m3/h）（可根据每天燃烧使用量为依据）；Qr—输入热量，kJ/kg（kJ/m3）。如为电加热锅炉，式中BQr用3600N代替，其中N为耗电量〔(kW·h)/h〕。锅炉效率计算（1）正平衡效率计算A、输入热量计算公式注：式中Qnet,v,ar是固体燃料的低位发热量，燃用液体、气体燃料时，应当以相应的液体、气体燃料低位发热量代入。B、饱和蒸汽锅炉正平衡效率计算公式C、过热蒸汽锅炉正平衡效率计算C1以采集到的给水流量为依据时的计算公式：C2以采集到的过热蒸汽流量为依据时的计算公式：（2）热水锅炉和有机热载体锅炉正平衡效率计算公式：（3）电加热锅炉正平衡效率计算A、电加热锅炉输出饱和蒸汽时的计算公式：B、电加热锅炉输出热水时的计算公式：（4）反平衡效率的计算公式：人员资质信息监控根据国家特种设备安全监察局对于安全事故的报告，特种设备事故多发生在使用阶段，其中违规操作、维保缺失、不定期检验是主要原因。依照《安全生产法》和《特种设备安全监察条例》的规定，对有可能发生重大安全事故的设备必须有经过专业培训并取得上岗资质的人员方能进行操作和参与维护保养工作。但现实情况是许多特种设备使用单位、维保单位为节省成本逃避检验、聘用无证人员的现象屡禁不止，因此，对于操作和维保人员的资质、维保状态的监控成为最大难题。采用RFID、人脸识别、人体感应技术构建的人员资质监控系统是解决这个难题的重要技术手段。系统由前端终端和监控平台组成，前端终端集成RFID、人脸识别、红外人体感应、图像采集和通讯模块组成；以人员上下岗刷RFID卡实现人员基础信息的采集，通过人脸识别与RFID卡内人员信息进行校验，防止借证、违证人员对设备的操作，通过图像采集系统可在发生预警或故障时对现场进行图像采集。特种设备维保状态及人员资质监控系统对于锅炉、电梯、起重机械等经常发生借证、无证上岗操作的设备使用单位可起到严格管理的目的。RFID技术采用无源HF13.56MHzRFID标签实现人员证件制作，每个操作人员携证上岗，进入工作区域后刷卡，离开工作区域刷卡，实现人员到岗信息记录。RFID标签采用符合ISO-14443TypeA标准的HF13.56MHz，内部记录操作由国家锅炉检测中心核发的司炉工上岗资质证件编号，每个RFID阅读设备的设备ID与当前用户单位信息绑定，实现人员在岗单位信息，以通过杜绝一个资质兼任多个单位工作实现上岗人员是否借证上岗的信息监控。RFID标签采用256bit存储容量的标签人脸识别技术人脸识别，一种基于人的脸部特征信息进行身份认证的生物特征识别技术。被人们称为最自然、最直观的一种生物特征识别技术，可以广泛应用于公安、安全、海关、金融、军队、机场、边防口岸、安防等多个重要行业及领域，以及智能门禁、门锁、考勤、手机、数码相机、智能玩具等民用市场，具有广阔的市场应用前景。它具有非接触、智能交互、用户接受程度高、直观性突出，符合人“以貌识人”的认知规律、适应性强、不易仿冒、安全性好、摄像头的大量普及、易于推广使用等特点。目前市场上的人脸识别系统多是平面型的，但人在现实环境中是多维的，人眼所能看到的事物是三维的，而平面型人脸识别系统却是对平面图像进行分析，因此，一直受到姿态、表情等因素的不利影响。当人在行进中或表情有所变化或没有正对摄像头时，多数识别会出现问题，并且环境光线对平面人脸识别系统也造成一定影响。三维人脸动态识别系统是基于三维人脸图像的，是目前国内外最先进的人脸识别系统，由两个专用分向高清摄像头仿照人眼成像原理，捕捉到的特征点多达几千个，并且采用了红外夜视技术，识别目标的表情变化、姿态变化、环境光线变化等非极端因素，对本识别系统影响很小，甚至可在人行进过程中对人进行姿态跟踪识别，因此，识别率极低；同时，三维人脸动态识别系统包含了先进的数据分析处理技术，既保留了二维人脸识别简单的优点，又借鉴了三维图像分析的三维信息，识别性能达到国际一流，目前已在航天、军工、保密系统、高档楼宇中得到广泛应用。通讯方式资质信息监控终端内置ADSL、WiFi和3G/GPRS多种通讯模块，根据现场情况选择通讯方式。监控前置终端监控前置终端在本课题中由工业PC集成WiFi、ZigBee模块、供电模块和监控客户端组成。工业电脑为人机界面和生产流程控制提供了最佳的解决方案。与一般商用电脑不同，工业电脑产品系列具备坚固、防震、