第頁智慧工業工業鍋爐安全運行監測平臺建設方案單位主體（或部門）撰寫負責人編制版本編制時間

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.監測數值接收器 6272611.2.3.前置處理終端 769611.2.4.安全運行能效監控 7284971.2.5.組態軟件 79005第二章建設內容 936042.1.數據采集 10134042.1.1.鍋爐安全事故參數 10238712.1.2.安全運行參數 11238932.2.能效監控 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 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.數據采集無線傳感器 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.國內外現狀 25128492.3.6.發展趨勢 27213282.3.7.無線傳感模組優勢 2843672.3.8.硬件設計 29143792.3.9.底層協議 3658222.3.10.協議標準 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.能效監控 64146302.5.1.監控數據 6512912.5.2.鍋爐能效計算 6754822.6.人員資質信息監控 7357182.6.1.RFID技術 7448462.6.2.人臉識別技術 7478722.6.3.通訊方式 76141832.7.監控前置終端 76138992.8.責任追溯 77101192.9.移動智能監控 79288702.9.1.移動終端 79189782.9.2.移動終端操作系統 80150902.9.3.監控系統環境 80238802.9.4.移動設備監控終端 8055462.10.安全運行能效監控 81218282.10.1.登錄平臺 82182742.10.2.特種設備信息管理 82237292.11.組態監控 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.數據分析 913382.11.7.數據報表 9419732.11.8.環境溫度監控 95106092.11.9.氣象信息監控 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和人民生命財產安全具有重要意義。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生。近年來，國家倡導節能減排，但很多鍋爐使用單位對于節能減排的重視程度非常有限，仍采用舊式鍋爐和傳統操作方法，對于節能環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，減少環境污染，為企業帶來巨大的經濟效益。本文的工業鍋爐安全遠程監控系統主要采用單片機技術對工業鍋爐運行狀態進行實時監測和控制，在數據采集精度和設備操控的穩定性方面都有很大提高。采用自定義網絡數據交換協議架構實現遠程數據傳輸，客戶端基于MAP5技術實現對各監控點設備的GIS地圖管理，可進行遠程多點監控。應用技術無線傳感器鍋爐運行監測根據安全運行監測數值采集的需要和鍋爐工作環境的特點，設計了可接入符合鍋爐運行數值監測的無線預處理終端模組，以達到適應鍋爐工作環境、各項數值采集的要求，實現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、數據回傳，以供數據平臺進行分析和呈現，為常規監測、檢驗、應急提供數據依據。鍋爐運行能效監測根據節能減排規定，設計了可接入能效監測傳感器的無線預處理終端模組，以達到對運行狀態時的能效監測，可實時監測排煙二氧化碳量、排煙含氧量、排煙一氧化碳含量等數值，通過與燃氣/燃料數值的結合運算，可有效監測鍋爐的運行能效。鍋爐運行環境監測綜合監控終端可監測鍋爐房內二氧化碳含量、煙塵量、溫度等運行環境數值，同時終端所配置的RFID、圖像監控可監測工作人員是否持有上崗證、上崗證年檢或換證情況等，圖像系統監控可提供日常工作狀態監控，并為在發生事故時的現場記錄。無線傳感器終端傳感器數據變送：適合安裝在鍋爐上的工業傳感器有電平式和數字式，并且不同的數值和不同類型的鍋爐適用不同靈敏度的傳感器，因此，采用公共化數據變送接口技術，以適應不同類型傳感器的數據接入。預置邏輯：根據鍋爐運行監測需要，設計了常規運行狀態監測、報警數值、報警級別及運行指令集和編解碼方式，以達到數值的預前處理，并且在緊急狀態發生前發出預警信號。無線傳輸：模塊預置了ZigBee無線模塊、WiFi、GPRS/3G模塊，以滿足不同環境的需要，保證在不同網絡環境下監測模組正常組網，為數據傳輸和指令交互提供保障。自我狀態監控：為保證無線傳感器終端的穩定運行，保證數據的實時上傳和不斷鏈，每個傳感器終端均設計了自我狀態監控功能，發現故障立即上報給平臺，以通知維護人員進行處理。監測數值接收器監測數值接收器模組是實現多個無線監測終端數據回傳的專用監測模塊，同是承擔指令下達、各傳感終端的狀態輪詢，是集收發一體的專用監測接收終端，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、數據處理主板（包含數據接口）劃分了三個模塊，使用了高性能單片機系統，成為完整的數據處理模塊系統，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據處理平臺終端，主體由ITX和各功能模塊組成，運行安全穩定，并且適應各類鍋爐運行環境要求。安全運行能效監控數據監測平臺包含了數據庫、前端設備狀態監測、警報控制、應用控制、日志模塊、報表系統等；具備鍋爐運行狀態實時監測、鍋爐能效監測、傳感終端狀態監測、臨界警報、運行統計、周期報表、設備臺帳、維護記錄、數據訪問控制、權限管理、共享接口等。組態軟件組態軟件，又稱組態監控軟件系統軟件。譯自英文SCADA，即SupervisoryControlandDataAcquisition(數據采集與監視控制)。它是指一些數據采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。在電力系統以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(RTUSystem，RemoteTerminalUnit)。在本項目中，利用組態軟件直觀、靈活、兼容性強的特點，通過對組態軟件低層驅動部分的開發，使組態軟件兼容本項目研發的采集模塊終端、特殊非標傳感器變送數據及ZigBee協議、3G傳輸協議，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控的專業監控軟件系統。建設內容針對于鍋爐運行中安全和能效相關的參數、指標的監控及在不改變鍋爐及壓力容器現有結構的前提下達到安全監控及能將監控的目的，本項目從監控硬件的設計、通訊協議的選擇、數據格式的設計及軟件平臺內置能效運算公式入手，構建一套基于物聯網中無線傳感技術的遠程鍋爐安全運行及能效監測系統。數據采集鍋爐安全事故參數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、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、水壓試驗等工藝規范錯誤等引起。安全運行參數鍋爐安全相關的關鍵參數主要以蒸汽壓力、水位、爐溫、煙溫、爐膛溫度幾個關鍵參數。蒸汽壓力鍋爐蒸汽壓力超過出廠規定的安全指數，那么，鍋爐就會發生爆炸、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象；另外水冷壁的水循環過低之后氣水比增加，導熱水冷壁爆管，此現象較少，通常發生在過熱器燒壞之后。因此，蒸汽壓力的監控是安全運行的重要參數。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（下降管帶汽，使水循環停滯或倒流），造成一部分水冷壁得不到鍋爐水循環的冷卻而過熱燒壞，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，設定了水位的上下限，按照安全規章規定，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《蒸汽鍋爐安全監察規程》規定。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，產生尾部受熱面腐蝕從而產生安全隱患。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生異常變化未能及時發現而導致故障的發生或擴大，從而引發危險事故。能效監控根據XXXXXXXXX《特種設備安全技術規范—TSGG0003－20XX工業鍋爐能效測試方法》提取適合傳感器采集的參數。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流量，可在鍋爐回水（油）管道上，根據介質特性，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的壓力、熱水鍋爐及有機熱載體鍋爐介質循環系統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。傳感器采集參數基準溫度（環境溫度）以鍋爐運行環境自然溫度為基準溫度，并且，環境溫度的變化，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。基準濕度（環境濕度）環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，實現蒸汽溫度的測量，根據蒸汽輸出口介質材質的熱傳導性能進行計算，可實現蒸汽溫度值的計算。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，仍采用傳統儀表完全依靠人工來觀測鍋爐運行當中的各項參數，為實現系統中數據的需要，需在現有鍋爐上加裝傳感器，通過無線傳感器模組進行A/D轉換，以達到數據采集的目的。部分傳感器鍋爐有些鍋爐為了降低成本，多數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，如果采集能效數據，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，以滿足能效監測的需要。后裝傳感器選擇根據監測的需要，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）環境較差，尤其是燃煤鍋爐環境粉塵較多，因此，傳感器選擇耐高溫、耐粉塵的工業傳感器，以保證運行的穩定性，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，以保證監控工作的長期進行，保證監控系統的順利推廣。安裝位置PLC控制箱采集對于帶有PLC控制設備系統的鍋爐系統，只需加裝SO2、CO2傳感器即可，其它數據可通過PLC的RS232或RS485接口接出，鍋爐PLC基本遵守標準ModBus協議，直接通過無線數據接口模塊實現數據的采集。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，數據采集最全面，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控傳感器安裝在鍋爐上，在與控制系統配合的同時，實現遠程監控。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，更容易實現較全面的數值監控。前裝式傳感器同樣選擇耐高溫、耐粉塵的工業傳感器，以保證運行的穩定性。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秒火焰傳感器燃燒器火焰紫外/電阻≤1秒數據采集無線傳感器傳感器作為人們感官的延伸，在現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、傳感器技術的發展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發展。本課題以溫度傳感器為例，使用模塊化設計思路，實現了一個無線傳感器網絡。這種傳感器網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。無線傳感器網絡可以應用于環境科學，為科學家獲得野外的隨機數據提供方便；可以應用于特種設備監控，在設備上安裝一些特殊的傳感器，監管部門可以隨時監測設備的運行情況；在商業上，無線傳感器網絡和中心主控計算機相結合，能夠給人們提供更舒適、方便、人性化的家居環境。普通節點和匯聚節點的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據采集與監控的應用，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協議的CC2420為核心組成射頻模塊，ZigBee對無線傳感器網絡來說無疑是最合適的無線局域網通信協議。建設背景隨著無線技術的快速發展和日趨成熟，無線通信也發展到一定的階段，其發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據采集和通信。微機電系統和低功耗高集成數字設備的發展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節點得以實現。這樣的節點配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網絡（WSN）。無線傳感網絡是一種開創了新的應用領域的新興概念和技術。廣泛應用于戰場監視、大規模環境監測和大區域內的目標追蹤等領域。傳感技術、傳感網絡已經被認定為最重要的研究之一。因為無線傳感器網絡節點一般采用電池供電，工作環境通常比較惡劣，而且數量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一，因此，它迫切需要對傳統的嵌入式應用開發進行更新和改進，需要精心設計的軟硬件系統，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的應用和發展將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰爭的變革。可以預測,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絡的節點。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其低功耗具有一定的理論和現實意義。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展的階段，低功耗就是其發展方向之一，而低功耗與高性能的結合實現還不完全。因此，為了更好的實現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。并輔助軟件開發人員完成各子模塊的驅動編寫，實現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絡是一種開創了新應用領域的新興概念和技術。當前，傳感技術、傳感網絡已經被認定為最重要的研究之一。無線傳感器網絡節點的穩定運行是整個網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，其功能的實現具有極其重要的理論和現實意義。首先，現有的眾多研究中，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，經過深入的分析和對芯片的數據比較，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絡的應用外，無線傳感技術還廣泛的應用于環境監測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實現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，它采用一定的頻率和編碼方法實現與其它模塊的通信，屬于無線技術的一種。無線傳感網絡WSN是由部署在監測區域內大量的具有信息采集、數據處理和無線通信能力的微小傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息，并發送給觀測者[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“電子系統產品之母”或“3C產業之基石”。國內外現狀無線傳感模塊是新興的下一代無線傳感網絡節點，它是組成無線傳感網絡的基本部分。最早的代表性論述出現在二十世紀九十年代末，題為“傳感器走向無線時代。傳感技術的發展經歷了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個階段。一般傳感器，是最早產生的傳感器，只能實現數據采集；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數據等信息采集，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，而是一個能夠實現數據采集、處理，信息交換和控制的有機整體。為了實現隨時隨地與任何人或任何設備的互聯互通，無線通信技術獲得了蓬勃發展。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獲得了長足發展。作為蓬勃發展的無線技術，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點進行數據采集和通信。綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等的無線傳感網絡,是當前的熱點研究領域。而無線傳感網絡節點的穩定運行是整個網絡可靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設計，傳感技術、傳感網絡已經被認定為最重要的研究之一。當前國內外出現了多種無線傳感器網絡節點的硬件平臺。典型的節點包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。各平臺的主要區別是采用了不同的處理器和無線通信模塊。有些節點具有高性能但功耗較大，如Imote2節點，不適用于能量受限的應用環境。其他一些節點，如Telos、Mica等，由于設計時間較早，其性能已經落后于當今的集成電路工業設計水平。因為無線傳感器網絡節點一般采用電池供電，工作環境通常比較惡劣，而且數量大，更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一。ITP（美國再生能源辦公室工業技術計劃）在2002年發布的報告“21世紀工業無線技術”第一頁中引用了總統科技顧問的斷言：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，但目標的實現還需要一定的努力。MIT發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據收集，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來取代單一的硬件系統。隨著電子技術、計算機技術以及集成技術的不斷發展，傳感技術也會得到不斷的發展和完善。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絡當中，以高的精確度和良好的穩定性服務于更加廣泛的領域。發展趨勢正是由于低功耗無線傳感節點在如此廣范圍內的應用，使得它受到了來自軍事、工業和商業以及學術專家的極大關注。其發展方向必然是無線通信的網絡化，即通過自組網的方式形成動態、自適應的無線傳感網絡。而無線傳感網絡(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、現代網絡及無線通信技術、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，并盡快推動其發展。因此，以無線傳感模塊為基礎，實現傳感網絡的無線互聯將是一個必然的趨勢。另外由于無線傳感器網絡節點的穩定運行是整個網絡可靠性的重要保障。在不同的應用中，傳感器網絡節點的組成不盡相同。已有的節點，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，無線傳感模塊的發展必然是趨向與低功耗的。即在保證所需要實現功能的基礎上，盡量的實現整個模塊的低功耗，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降低功耗的目的。除開以上所講兩種發展趨勢之外，無線傳感模塊的應用和發展還具有極大的發展空間和良好的發展方向。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絡（WSN），構成網絡的各個節點都是被固定的安放在一個地方，要實現對整個環境的檢測，就需要向環境中投放大量的無線傳感節點。這樣一來成本就會非常的高。若實現無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環境內投放更少的節點，就能實現對環境的全面檢測。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，在實現低功耗后，無線傳感模塊的發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展，電池的容量越來越大，再加上低功耗的實現，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。無線傳感模組優勢考慮到鍋爐環境中發熱設備較多，為了安全和保證監控的需要，在鍋爐運行環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，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，可實現自組網數據傳送，亦兼容WiFi技術，可實現數據的區域性遠程傳送。無線模組的使用可節省布線，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普通節點無線傳感器節點的普通節點負責將實時數據采集起來并將其發送到鄰居節點，其硬件結構圖如圖1所示。圖1：WSN中普通傳感器節點結構WSN匯聚節點匯聚節點的作用是將傳感器節點發送的數據收集起來，并進行一定的數據優化處理將其需要的格式發送給最終監控計算機。圖2：WSN中匯聚節點結構中央處理器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點數據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絡的瓶頸，節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數據傳輸率。芯片具有50個寄存器：33個控制、狀態寄存器；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新之處在于選取了硬件上支持IEEE802.15.4/ZigBee協議的物理層和數據鏈路層中的LLC子層，因此這時我們只需在協議層上實現上層的安全層，MAC層和用戶的應用層協議。下面介紹ZigBee協議在新一代無線通信中的特點和對于無線傳感器網絡中應用的優勢。低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為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（如工業控制場合等）應用。網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活。可靠：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，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，讀、寫緩存數據，讀CC2420回饋的信息。在與射頻芯片的接收、發送FIFO接口時用FIFO和FIFIOP引腳進行狀態的控制和讀取信息；射頻天線部分的原理圖如圖5所示，在2.4GHZ的無線通信系統中設計采用的對信號屏蔽和保護效果很好的環形天線設計，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標準已經成為現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據傳輸速度并達到很好的抗干擾性，一邊是設備穩定可靠的工作。這個模塊選用FTDI-232BM總線芯片實現標準的串行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總線芯片原理圖數據采集電路節點的數據采集部分可根據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字式傳感器。本設計采用AD公司的兩維數字加速度計ADXL202和Maxim公司的線式數字溫度計DS18B20是很好的選擇。底層協議底層軟件設計（1）數據采集部分程序：ADC12Init：初始化CPU的AD采集通道數，采集時間，位數，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緩存中的數字量存儲到堆棧數組中去，等待發送。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送接收程序，設置控制狀態寄存器的函數；讀取、更新射頻芯片狀態寄存器。具體的API函數可以參考文中表一的設計。表一射頻控制API函數通信協議程序IEEE802.15.4/ZigBee傳輸的幀格式及其作用：在IEEE802.15.4標準中，定義了一套新的安全協議和數據傳輸協議，方案中，采用的無線模塊根據IEEE802.15。協議標準定義了一套幀格式來傳輸各種數據。如圖所示是本系統設計中的符合標準的在物理層和數據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絡中的行為和狀態進行控制和監視；數據型數據幀結構的作用是把指定的數據傳送到網絡中指定節點上的外部設備中，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：是返回型數據幀結構的作用是無線模塊將發送數據接收情況反饋給自身的幀。圖6：符合IEEE802.15.4/ZigBee通信協議幀程序中定義發送數據結構體和接收數據結構體包括下列信息：發送幀序列號、發送設備源地址、PAN網絡的地址、幀長度、接收數據指針等信息。本文的幀發送和接收程序設計符合ZigBee協議的要求，對數據的發送接收在軟件上實現了最可靠的形式。下圖所示為發送程序的流程圖。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的無線傳感器網絡硬件電路設計，其中包括基于超低功耗MCU最小系統的核心控制模塊、無線射頻收發模塊、以及一種能夠通過USB-COM端口對傳感器節點進行接口供電、編程和控制的功能模塊，進一步簡化了外部接口。針對傳感器網絡這個特殊的背景選取了具有多種優勢的ZigBee通信協議，并對ZigBee協議棧的技術細節進行研究。設計了ZigBee無線通信協議棧的通信程序，能夠很好的符合無線傳感網絡的各種需求。通過軟件設計的無線通信協議。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、無線數據傳輸技術、網絡數據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。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，并獲取相關數據，具有精度高、適應環境能力強、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。而無線傳感器網絡過于分散，在大規模應用時，精確傳感節點位置較為困難，這對無線傳感器網絡的應用也產生了一些影響。如果將無線傳感器網絡同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絡高達100m的有效半徑，形成RFID傳感器網絡。在國防安全、特種設備監控、工農業領域各種控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區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在無線傳感器網絡應用就是綜合了RFID和無線傳感器網絡的技術特點，它繼承了RFID利用射頻信號自動識別目標的特性，同時實現了無線傳感器網絡主動感知與通信的功能。因此，RFID無線傳感器網絡能夠更加精確的得到節點甚至整個網絡的信息，對控制中心采取下一步措施起著莫大的幫助。RFID傳感器網絡中，傳感器節點往往是隨機布置在工作區域當中，大量節點位置在監測區域中是隨機的、未知的。雖然兩者結合能夠極大的改善系統的，能夠優缺點互補，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、監測都必須熟知節點的分布的具體位置，所以，我們要對這些節點進行良好的識別。只有明確的識別這些節點，我們的傳感器網絡才是有意義的。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展。國內外現狀目前，國內外學者都在對RFID無線傳感器網絡進行具體研究，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，就陸續展開分布式傳感器網絡(DSN)、集成的無線網絡傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(WEBS)、分布式系統可升級協調體系結構研究(SCADDS)、嵌入式網絡傳感(CENS)等一系列重要的無線傳感器網絡的研究項目。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無線傳感器網絡技術的研究，并在C4ISR基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場情報的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把RFID無線傳感器網絡作為一個重要研究領域，設立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面傳感器群、傳感器組網系統、網狀傳感器系統等一系列的軍事傳感器網絡研究項目。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工作，并紛紛設立或啟動相應的研發計劃，在無線傳感器節點的微型化、低功耗設計、網絡組織、數據處理與管理以及WSN網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無線傳感器網絡表現出了極大的興趣，并各自展開了該領域的研究工作。我國的RFID無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，首先被記錄在1999年發表的中國科學院《知識創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研究與發展中心，掛靠中科院上海微系統所，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絡相關的課題。“中國未來20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絡。2006年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術確定了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網絡研究直接相關。最值得一提的是，中國工業與信息化部在2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網”國家級重大專項中，有第6個子專題“短距離無線互聯與無線傳感器網絡研發和產業化”是專門針對RFID無線傳感器網絡技術而設立的。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，藉由電磁或微波產生電源有源：標簽內建電池，主動發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境中，RFID標識記錄的數據內容、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，便于數據的采集，配合相配套的RFID讀寫機具或模組，以達到食品生產、加工、包裝、運輸過程中的數據采集、數據解碼、全程狀態監測和數據回傳，以供數據系統進行分析和呈現。標簽帶有自動休眠和喚醒功能，以節省標簽電力，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的條件。（2）適合危險設施監管的傳感型RFID標簽：根據危險設施監測管理的需要，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監測原始數據的采集，配合相配套的RFID讀寫機具，可以實現對危險設施的數據采集、數據解碼、狀態監測和數據回傳，以供數據系統進行分析和呈現。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；標簽電池根據使用環境和需求不同，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。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送0dBm11.3mA接收2Mb/s12.3mA待機13032μs32μA掉電0.9μAnRF24L01具有突發傳遞（ShockBurst）的收發工作模式。該模式允許用戶使用較低速經微控制器把數據傳入nRF24L01芯片，芯片內部開辟有FIFO緩存區，在緩沖區內將數據組幀，以高速將數據發射出去。這樣縮短了發射模塊的發射時間，減少了發射模塊的切換次數，降低了發射電流損耗，使射頻芯片間歇工作，降低功耗。同時突發模式使得像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，可以在接收到數據包后自動回傳應答信號ACK，如果發送端沒有收到應答信號，說明檢測到有數據丟失，則自動重傳丟失的數據包。nRF24L01用增強型突發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，由于系統微控制器不需要具備硬件SPI接口，使系統成本進一步降低。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收發單元停止工作，系統進入待機模式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。標簽數據標簽數據包含了標簽ID、傳感器數據、電量數據、狀態數據、UserBlock數據；標簽具備2Kbit~8Kbit的存儲容量，根據實際需要的數據內容，可以對Block進行分區定義；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議，實現異步/實時兩種方式的指令響應機制，數據采用AES加密方式，增加數據的安全性。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、協議控制、電源管理等功能；標簽自我檢測每500ms進行一次狀態自檢，發生異常，主動上報；標簽狀態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節，以使標簽能適應多種環境。溫感型讀寫器讀寫器的開發是在現有閱讀器的基礎上進行升級改造，以實現解析標簽傳感器的數據，達到RFID具備感應功能的目的，以適用于特種設備監管需要。讀寫器是射頻識別系統的核心部件，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到主機或中間件以供處理。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中作為連接后端應用系統與前端信息載體—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定的協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多電子標簽同時識讀，要具備數據防碰撞功能；（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在耦合方式（電感耦合或電磁耦合）、通信方式、數據傳輸方式以及系統頻率的選擇上存在很大的區別，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的核心部分，它負責接收用戶命令、對發送信號進行編碼及加密和對接收信號進行解碼和解密；射頻模塊首先要產生射頻能量，完成對基帶信號的調制發射和解調接收；天線負責將發射信號給電子標簽，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）實現射頻信號的收發轉換，實現收發隔離。（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，執行從應用系統軟件發來的動作指令。（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）執行防碰撞算法。（5）對讀寫器和電子標簽之間傳送的數據進行加密和解密。（6）進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。（7）根據既定協議和編碼規則，解析電子標簽返回的數據及標簽內置的傳感器數據。讀寫器天線數據傳輸是RFID系統運行的一個重要環節。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)實現數據傳遞，因此，天線在整個RFID系統中扮演著重要角色，一方面天線的好壞決定了系統的通信質量，另一方面天線決定了系統的通信距離。射頻識別系統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的可讀寫區域。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、環行天線等。其中環行天線主要用于低頻和中頻射頻識別系統中，如13.56MHz，在工作頻率為433MHz、800/900MHz和2.45GHz的射頻識別系統中，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據的電磁耦合。射頻識別系統可以采用收發共用一個天線的方式，也可以收發天線分開以達到更好的隔離效果。讀寫器天線的參數主要有：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的頻率范圍要求，如超高頻系統中天線可以在840-960MHz頻率范圍之間，微波系統中天線可以在2.4GHz-5.8GHz頻率范圍之間。微波2.4GHz~2.5GHz頻段的有源RFID系統，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定。經實際研究測試，最遠距離可達到300米，低于1W功率時可達到208米的距離，穩定距離可在150~187米范圍，調節天線增益（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采用的天線增益根據應用需求不同有4dBi、6dBi、8dBi、11dBi等不同數值。讀寫器的天線增益在一定程度上決定了射頻識別系統的作用距離，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。實際中要根據不同的應用環境和功能需求進行選擇。（5）讀寫器的作用距離受讀寫器發射功率的限制，通常情況下，發射功率越大，作用距離越大，但是讀寫器的發射功率要受國家相關無線電頻譜規則的限制。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，發射功率要求不大于2W，對于手持式讀寫器，發射功率不大于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據交互的重要部件，為防止靜電損壞、磁場等對接口的影響，防止數據的錯誤率增加，數據接口采用了光隔技術，實現了非接觸式的數據轉換。開發APIAPI采用C語言編寫，將接口連接、狀態查詢、數據獲取、指令發送、協議接口、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工作采用了邊開發邊測試和聯測的方式，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，濕度傳感器標識數據準確；浸水標簽無進水現象，封狀達到要求；暴力破壞10米墜落標簽無破裂現象，工作正常摔標簽無破裂現象，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，濕度傳感器標識數據準確；暴力破壞10米墜落無損壞現象，工作正常摔無損壞現象，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工作正常網絡選擇數據回傳可根據鍋爐運行場所的網絡條件決定，由于每臺鍋爐監控的數據量并不大，只保留在kb級，因此，數據回傳可采用ADSL、3G、GPRS三種方式其中的任一種實現實時上報監控數據，并且通訊模塊采用了多方式自動轉換，可在保證數據穩定上傳的同時，減少監控成本。供電方式考慮到鍋爐運行環境中大多有220V電源，本系統的前置模塊采用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、人員資質信息監控終端、前置終端機使用，以減少線路復雜的問題。能效監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鍋爐型號、鍋爐安全標準及各鍋爐生產廠家出廠時規定的鍋爐安全運行參數設定即可。鍋爐系統運行能效監控是對使用過程中的工業鍋爐及其系統，在安全、穩定運行工況下的總體能效評估數值監控。通過對工業鍋爐及其輔機系統在一定運行周期內產生蒸汽量或者輸出熱量，燃料、電、水消耗計量數據的統計和分析，評估工業鍋爐及其系統的整體能效狀況。能效由于包含了眾多項目，根據《工業鍋爐能效測試方法》要求，一些燃燒介質需要采樣化驗方能獲取其能效相關數值，比如燃燒介質，因此，如果比較準確的實現能效值的監控，必須根據《工業鍋爐能效測試方法》中提供的算法與采集模塊相結合，才能在監管軟件中實現能效值的監控。監控數據基準溫度基準溫度是以采集到的監控地點的環境溫度為基準溫度。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量計算公式蒸汽生產量=蒸汽流量—水流量蒸汽壓力鍋爐蒸發量的折算當蒸汽和給水的實測參數與設計參數不一致時，鍋爐的蒸發量的折算：(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；有機熱載體鍋爐數據采集計算（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）（可根據每天燃燒使用量為依據）；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時的計算公式：C2以采集到的過熱蒸汽流量為依據時的計算公式：（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：人員資質信息監控根據國家特種設備安全監察局對于安全事故的報告，特種設備事故多發生在使用階段，其中違規操作、維保缺失、不定期檢驗是主要原因。依照《安全生產法》和《特種設備安全監察條例》的規定，對有可能發生重大安全事故的設備必須有經過專業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工作。但現實情況是許多特種設備使用單位、維保單位為節省成本逃避檢驗、聘用無證人員的現象屢禁不止，因此，對于操作和維保人員的資質、維保狀態的監控成為最大難題。采用RFID、人臉識別、人體感應技術構建的人員資質監控系統是解決這個難題的重要技術手段。系統由前端終端和監控平臺組成，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，通過圖像采集系統可在發生預警或故障時對現場進行圖像采集。特種設備維保狀態及人員資質監控系統對于鍋爐、電梯、起重機械等經常發生借證、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標簽實現人員證件制作，每個操作人員攜證上崗，進入工作區域后刷卡，離開工作區域刷卡，實現人員到崗信息記錄。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上崗人員是否借證上崗的信息監控。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及領域，以及智能門禁、門鎖、考勤、手機、數碼相機、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多是平面型的，但人在現實環境中是多維的，人眼所能看到的事物是三維的，而平面型人臉識別系統卻是對平面圖像進行分析，因此，一直受到姿態、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，多數識別會出現問題，并且環境光線對平面人臉識別系統也造成一定影響。三維人臉動態識別系統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，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、姿態變化、環境光線變化等非極端因素，對本識別系統影響很小，甚至可在人行進過程中對人進行姿態跟蹤識別，因此，識別率極低；同時，三維人臉動態識別系統包含了先進的數據分析處理技術，既保留了二維人臉識別簡單的優點，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、高檔樓宇中得到廣泛應用。通訊方式資質信息監控終端內置ADSL、WiFi和3G/GPRS多種通訊模塊，根據現場情況選擇通訊方式。監控前置終端監控前置終端在本課題中由工業PC集成WiFi、ZigBee模塊、供電模塊和監控客戶端組成。工業電腦為人機界面和生產流程控制提供了最佳的解決方案。與一般商用電腦不同，工業電腦產品系列具備堅固、防震、