智慧城市 城市工业锅炉运行监测平台总体建设方案

1、智慧 城 市城市工业锅炉运行监测平台总体建设方案单位主体（或部门）撰写负贵人编制版本编制时间目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第一章项目概述5应用背景5应用技术6无线传感器6监测数值接收器8前置处理终端8 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 安全运行能效监控8组态软件9 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第二章建设内容10数据采集11 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 锅

2、炉安全事故参数11 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 安全运行参数12 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 能效监控14 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 蒸汽锅炉蒸汽量测量14介质压力测量15温度测量15烟气测量15传感器采集参数16 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 后装式传感器采集17安装位置19PLC控制箱采集20 HYPERLINK l bookmark20 o Current Docum

3、ent 前装传感式采集20 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 数据采集无线传感器22建设背景23建设目的25建设意义25应用技术26国内外现状27发展趋势29 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 无线传感模组优势31硬件设计32底层协议39协议标准40接收程序流程图43 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 温感RFID标签44建设背景44建设意义45国内外现状46RFID 技术49传感型RFID标签51 HYPERLINK l bookmark32

4、o Current Document 温感型读写器59 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 能效监控70监控数据71 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 锅炉能效计算74人员资质信息监控80RFID 技术81人脸识别技术81通讯方式83 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 监控前置终端83 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 责任追溯85 HYPERLINK l bookmark66 o Current

5、Document 移动智能监控86 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 移动终端87移动终端操作系统87监控系统环境88 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 移动设备监控终端88 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 安全运行能效监控89登录平台89 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 特种设备信息管理89 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 组态监控94建设

6、内容94核心能力95GIS 展示96工艺流程图96报警记录100数据分析101数据报表104环境温度监控105气象信息监控105丰富的接口特性106完备的冗余架构106 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 第三章油田作业设备107洗蜡机107 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 煤粉锅炉108 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 煤粉锅炉燃烧控制108燃烧控制109 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 安

7、装的传感器110 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 建设目标110建设意义112 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 应用价值113第一章项目概述1/1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

8、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 主要釆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。1.2.应用技术1.2.1.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

9、锅炉运行中的炉体温度、 烟温、水位、水温、蒸汽压力、燃气流量进行釆集、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，

10、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：模块预置了乙gBee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

11、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。1.2.5.组态软件1.2.2.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，终端釆用了模块化设计，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

12、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，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即Supervisory Control and Data Acquisition(数据釆集

13、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(RTU System, Remote Terminal Unit)o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、3

14、G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。第二章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。现场模块21数据采集2.1.1.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

15、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。2.1.1.5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。2.1.2.安全运行参数锅炉安全相关的关键参数

16、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

17、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5（rc及以下范围，超过5（rc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。炉膛岀口温度炉膛出口温度釆集运用超声波测温法釆集炉膛出口温度，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

18、障的发生或扩 大，从而引发危险事故。2.2.能效监控根据XXXXXXXXX特种设备安全技术规范一TSG G0003- 20XXT业锅炉能效测试方法提取适合传感器采集的参数。2.2.1.蒸汽锅炉蒸汽量测量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；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10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0级的流量计进行测量。介

19、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釆用精度不低于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./C的温度计进行测量。烟气测量烟气测点应当接近最后一节受热面，距离不大于1m；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， 烟气温度测试应当釆用网格法布置测点按附件G的要求进行；烟气成分测试，RO2、02可用奥氏分析仪测定，CO可用 气体检测管测定，

20、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、02的精度不得低于1.0级，测定CO的的 精度不得低于5.0级。2.2.5.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。岀口介质温度（岀入口水温）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5C；当实际进出水温平均值与设计温度平均值之偏差超过 59时，应对测试效率进行折算；燃煤热水锅

21、炉，出水温度与额定 温度相差-15C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259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 置管道上釆用贴片式温度计，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2.2.6.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，仍釆用

22、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， 以达到数据釆集的目的。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，如果釆集能效数 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0-200Crc360s炉体温度贴片

23、式0-100 CrcTresI? -SLEEP- D 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。本设计釆用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。2.3.9.底层协议底层软件设计(1)数据采集部分程序：ADC12lnit：初始化CPU的AD采集通道数，釆集时间，位数， 等基本信息，并开定时器中断；ADC12JSR：中断子程序，定时器中断

24、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【21.2.3.4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API函数名称函数功能说明spi n(x)发迸一个字节的信息SPI RX(x)接收一个字节的信息RX GARBAGE()从CC2420接收无用信息TX ADDR(a)向CC2420发迸地址信息RX ADDR(a)接收CC242O地址信息STROBE(s)命令选通寄存器设置(15相bi

25、ts)SETREG (a, v)设宣控制、状态寄存器(33*16bits)GETREG(a,v)读取控制、状态寄存器 (33*16bits)SPIUPDSTATUS(s)更新SPI状态字节信息SPIREADFIFOBYTE(b)从FIFO中读取一个字节通信协议程序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，釆用的无线模块根据IEEE802.15o2.3.10.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

26、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。帧控制域（2）数据序列号（1）地址信息（0 to 20）帧负载（n）校验域（2）册c帧头负载 帧尾PHY Layer前导码（4）起始帧分隔符（1）帧长度（1）MAC层数据单元(5+(0 to 20) +n Bytes)同步头PHY头物理层服务数据单元物理层协议数据单元（11+（0 to 20） +n Bytes）图6： 符合I

27、EEE 802.15.4/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

28、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。2.4.温感RFID标签2.4.1.建设背景RFID (Radio Frequency Identification)o 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、信息釆集 处理技

29、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

30、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。2.4.2.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 中心釆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

31、。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。2.4.3.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

32、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(Smart Dust).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

33、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 Smart Sensor Web.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、Roc

34、kwell. Texas Instruments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。Dust Networks 和 Crossbow Technologies 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

35、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

36、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 份证釆用了 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。2.4.4. RFID 技术RFID通信原理RFID 分类频率区分:低频(LF)： 125-134KHZ:高频(HF)： 13.56MHz:超高频(UHF)： 862MHz928MHz:微波(Microwave)： 2.45GHz5.8GHz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

37、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(Unique ID):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。2.4.5.传感型RFID标签标签的功能设计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、 运输过程中的数据釆集、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

38、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。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

39、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。A类天线00标签结构标签主板(1)线路板釆用双层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；CPU(22)时钟奇存器|EPROMFLASH接口控制器5氓线控制器电源控制器天线信号放大器CPU、天线控制器IC、传感器IC、传感器

40、全部釆用表面 贴焊方式贴装到线路板上，电池座(或电池直接焊装)釆用插孔式焊 接，以保证电池固定在线路板上；天线釆用刻蚀技术，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；B类天线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；2454标签功耗由于有源电子标签釆用电池供电，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

41、 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。nRF24L04芯片功耗低，使用 1.9V3.6V工作电源，可釆用电池供电，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工作模式测试条件工作电流发送OdBm11.3mA接收2Mb/s12.3mA待机13032us32 u A掉电0.9 u AnRF24L01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

42、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(Enhanced ShockBurst) 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。“RF24L01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

43、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(Power Down mode),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(Standby mode)。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。2.4.5.5,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、Use

44、r Block数据；标签具备2Kbit8Kbit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；EPC ID传感器BlockUser BlockPower BlockRescrv32bit8bit1024bitv2048bit8bit2.4.5.6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，数据釆用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

45、控制、电源管理等功能；缓存控制标签自我检测每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。标签的封装标签釆用高强度工程塑料做为外壳，釆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，釆用空压 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。2.4.6.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，以实现解读写器工作模式图

46、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:应用系统标签应用程序接口安全模#接口部勿基带处读写器射频询端天线A标签芯片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 体一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

47、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

48、（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

49、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。2.463.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

50、）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。2464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

51、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13.56MH乙 在工作频率为433MHz、800/900MHZ和2.45GHz的射频识别系统 中，主要釆用平板天线、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。射频识别系统可以釆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

52、注意如下 特点：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2.4GHz2.5GHz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 2.4GHz2.5GHz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

53、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 识别系统釆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

54、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0.5Wo（6）读写器天线釆用线极化设计，使用定向天线，读写范围为 X轴为75。,

55、 丫轴为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；2.4.6.5,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。2466 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釆用了边开发边测试和

56、联测的方式，对标签采用了高温、 暴力破坏、浸水等测试，对读写模组釆用了高温、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+50C工作正常低温-30C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 C工作正常低温-30C工

57、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510v/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，数据回传可釆用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，本系统的前置模块釆 用12V

58、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。2.5.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

59、、 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釆集模块相结合，才能在监管软件中实现 能效值的监控。2.5.1.监控数据基准温度基准温度是以釆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乜的温度采集模块进行采集。烟气采集烟气测

60、点应当接近最后一节受热面，距离不大于1m；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, 烟气温度测试应当釆用网格法布置测点按附件G的要求进行；烟气成分测试，R02、02可用奥氏分析仪测定，C0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R02、02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釆用在蒸汽出口安装温度釆集模块获取。炉体温度炉体温度釆用安装了贴片式温度传感器的釆集模块获取。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