基于ZigBee的袋式除尘器的分布式压力监测

严林波，殷志坚

(1.南昌理工学院电子与信息学院，江西南昌 330044；2.江西科技师范大学通信与电子学院，江西南昌 330013)

0 引言

随着工业生产造成的环境污染问题越来越严重，尤其工业颗粒不仅污染环境而且损坏人身健康[1]。气流分布是袋式除尘器的一项重要因素，压力分布均匀且稳定可以让除尘效率高达90%，滤袋在使用过程中会产生表面破损等问题，通过监测压力分布可以提高除尘器的效率和使用寿命[2]，因此开发一种基于ZigBee无线技术的分布式压力监测系统。

1 袋式除尘器的压力监测原理

袋式除尘器按照结构不同可以分为袋式、电式除尘器、湿式除尘器等，按照进出口气流方向可以分为上进气口、中进气口、下进气口等[3]，本文袋式除尘器的具体结构如图1所示，进气口在下方更加有利于2个滤袋的气流平衡，喷气管在上方用于清理滤袋上的灰尘，净化室为封闭空间可以保证清洁滤袋设备的稳定运行，出气口与进气口在相反的方向可以提高袋式除尘器的滤尘效率。

图1 袋式除尘器原理

2 压力检测硬件

分布式压力检测系统按照模块可以分为压力检测部分和数据传输部分，压力检测部分主要为压力检测的硬件和压力数据补偿部分[4]，数据传输部分为建立ZigBee网络并使终端连接到网络系统中并传输数据。

2.1 硬件检测系统

硬件检测系统的整体架构如图2所示，压力采集模块为分布式安装，可以根据滤袋的粗细、长度等安装在滤袋任意部分，压力采集模块的芯体需要根据压力监测范围确定，本系统采用100 kPa的压力芯体[5]，压力采集部分的信号调理电路为ZSC31050，最多可以补偿5个温度点，数据传输需要将压力采集终端连接到ZigBee网络汇总，分配物理地址后再置位接收系统的寄存器才能将数据传输到上位机中。

图2 硬件整体架构

2.2 压力采集电路

压力采集电路按照温度补偿点数可以分为5、64、128点等，随着温度补偿点数增加，系统采集精度会提高，但采集传输速度会降低[6]，本系统需要保证时效性，因此采用5点温度补偿的ZSC31050。本芯片可以兼容大部分桥式芯体，温度补偿既可以采用芯片内部温度也可用外界温度传感器，内置的校准公式存放在内部存储器中。压力检测模块应用电路如图3所示，温度测量采用外部温度二极管D53，校准数据通过SPI总线存入内部存储器中，供电引脚+5 V引脚连接到200 nF电容，输出部分OUT引脚为0～15 V电压信号，输入信号VBR和VINP连接到芯体全桥的中点位置，芯体需要+5 V电源供电，电阻R461经过压力挤压变形时阻值会发生变化，经过电路检测后转换为压力信号。

图3 压力检测模块

2.3 ZigBee硬件电路

ZigBee网络需要高稳定性和抗干扰能力，TI公司将2.4 GHz、ZigBee集成在同一片上系统中，这样就可以用很低的成本建立一个稳定的网络节点系统[7]，本RF收发器可以在高速和低功耗模式之间快速切换，转换时间短可以保证系统的低功耗运行，而且内部集成了51内核和ZigBee协议栈。

ZigBee网络硬件电路具体应用如图4所示，内部偏置电阻R465根据芯片功率要求设计为56 kΩ，Q2和Q1引脚连接到32 kHz的RC振荡器中，这个低速振荡器可以保证系统在低功耗模式下运行，XOSC_Q2和XOSC_Q1连接到32 MHz的振荡器中，主要用于RF信号的发射和接收时使用。RF_N和RF_P信号连接到天线，LC和CLC电路的并联使用保证在高低频段信号的稳定性和灵敏度[8]，信号通过天线可以发射的输出功率为4.5 dBm。

图4 ZigBee网络硬件电路

3 分布式压力监测软件系统

分布式压力监测系统软件部分包括ZigBee网络配置和压力测量误差补偿。ZigBee网络配置主要针对CC2530的配置过程，使网络中的RF接收器正常运行，压力测量误差补偿为压力检测标定和温度补偿过程。

3.1 ZigBee系统的配置

ZigBee系统作为中间环节，起到接收数据并上传上位机的重要作用，因此稳定性和实时的数据识别效率非常重要，在本系统中，ZigBee系统配置程序如图5所示，系统上电后先对CC2530初始化，初始化包括I/O引脚使能、系统时钟配置、引脚时钟配置、输出信号类型等[9]，网络的建立主要为配置ZigBee协议栈，置位接收寄存器用于判断接收的信号是数据还是新设备，数据首位为0开头为数据，如果开头为1为新设备，新设备需要为终端配置物理地址并发送确认指令，如果是数据则传输至上位机显示。

图5 ZigBee系统配置程序

3.2 压力测量误差补偿

压力测量误差补偿程序在系统上电后先完成系统自检、任务管理等，待系统稳定后开始检测压力信号和温度信号，压力补偿算法如图6所示。信号检测部分为压力和温度2部分，温度用于补偿压力从低到高时的温度漂移[10]，压力检测部分采集电压信号，先要对电压信号和压力进行标定，完成后应用合适的滤波器来提高信号信噪比[11]，然后检测全桥中阻值的变化并转化为压力输出信号，温度补偿部分采集完阻值后先要标定到0 ℃，经过温度零点补偿后的压力数值更接近实际值。

图6 压力补偿算法

4 压力测试

利用240 cm除尘器滤袋检测实验验证分布式压力监测系统，首先在2个滤袋上平均分布监测不同位置的压力[12]，然后在不同压力下根据喷气管最近位置的压力数值判断检测系统的测量误差。

4.1 压力分析实验

滤袋上的压力检测过程主要为了验证分布式压力监测系统的可靠性，在滤袋1和滤袋2上等距离放置多个压力测试点，滤袋长度为240 cm，具体压力点试验布置如图1所示，4个压力监测点的位置分别为0、80、160、240 cm，2个滤袋上都放置在同位置处。

在喷气管中喷出30 kPa的压力，根据压力点试验布置图检测出的结果如图7所示，滤袋1的压力结果显示在入风口和出风口的压力都比较低，在4个监测点中，80 cm处的压力最大，在入风口的压力下跌最严重，符合实际袋式除尘器内的气体压力情况，同样滤袋2在出风口的压力最小，在4个监测点中，80 cm处压力也是最大，并且除尘器内部的最高压力为27 kPa，符合实际喷气管压力情况。

图7 不同位置的压力检测结果

4.2 测量误差实验

本次测量误差试验选择的压力传感器为0 cm处，通过对比理论值、补偿前和补偿后实测值3个结果验证系统，依次在0、3、6、9、12、15、18、21 kPa测量不同的压力值，具体结果如图8所示。测量正行程压力显示补偿前的数据存在温度振荡现象，补偿后的实测值虽然存在正反行程迟滞但减弱了振荡现象，而且与理论值保持一致。

5 结束语

本文设计了一种袋式除尘器的分布式压力监测系统，采用分布式的方法采集压力信号，首先分析袋式除尘器系统的原理，然后对压力采集电路和ZigBee电路进行硬件设计，开发压力补偿程序和ZigBee配置的软件系统，利用240 cm除尘器滤袋检测实验分析压力。结果显示监测系统可以精确识别出袋式除尘器的压力分布。

图8 距离喷气管最近的压力检测