谭瑜，陶瑞，杨阳，朱9丞，黄卡玛
(四川大学电子信息学院，四川成都610065)
摘要：微波作为新型的清洁能源在工业生产中得到广泛应用％然而，微波选择性加热导致的加热不均匀和微波场中温度难以准确实时测量的问题限制了微波工业设备的高效设计与应用％针对以上问题，本文设计了一种基于无线传感器网络和单片机技术的微波加热温度测量系统，该系统以STM32作为微控制器、CC1101作为无线收发器组成星型无线传感器网络，并开发简易的上位机显示程序，实现了微波加热过程中多点位置的实时温度测量。其中无线传感器节点(End Device)采用DS18B20数字温度传感器实时测量节点位置温度值并发送数据，中央节点(Access Point)接收数据并通过RS232串口上传至PC机显示％本文使用该系统测量结果和光纤温度计结果作为比对，验证了该系统的可行性和准确性，且该系统成本低廉、布控灵活，适用于隧道式工业微波加热等多种应用场景％ 关键词：微波加热；温度实时测量；无线传感器网络；单片机技术
中图分类号:TN015文献标识码：A文章编号:1002-8935(2021)02-0038-05
doi：10.16540/jki11-2485/tn.2021.02.07
Wireless Sensors and Networks for Real-Time Temperature
Measurement of Materials in Microwave Heating
TAN Yu,TAO Rui,YANG Yang,ZHU Hua-cheng#HUANG Ka-ma
(.College of Electronic and Information Engineering,Sichuan University,Chengdu610065,China)
Abstract:Microwave is a new type of clean energy source widely used in industrial applications.However,non-uniform heating caused by selective microwave heating and the difficulty of accurate online tem-peraGure measuremenGin microwave field limiGGhe e f icienGdesign and applicaGion of microwave indusGrial equipmenG.ToaddressGheseproblems,a microwaveheaGingGemperaGure measuremenGsysGem based on wirelesssensorneGworkandmicroconGro l erGechnologyisdesigned,whichusesSTM32asmicroconGro l er andCC1101aswirelessGransceiverGoformasGar-GypewirelesssensorneGwork.AsimpleuppercompuGer display program to realize real-time temperature measurement at multiple points in microwave heating process?sdeveloped.Thew?reles
ssensornode(EndDev?ce)usesDS18B20d?g?taltemperaturesensorto measurethenodepos?t?ontemperature?nrealt?meandsenddata,andthecentralnode(AccessPo?nt)re-ce?ves the data and upload them to PC d?splay through RS232ser?al port.The measurement results of the system and the f?ber opt c thermometer results are compared to ver?fy the feas?b l ty and accuracy of the system.Thesystem?slow-costandflex?ble?ndeploymentandcontrol,wh?ch?ssu?tablefortunnelng?n-dustr?alm?crowaveheat?ngandotherapplcat?ons.
Keywords:Microwave heating,Real-time temperature measurement,Wireless sensor networks
相比于传统的热传导加热，微波加热可以穿透物质达到内外同时加热的效果，具有选择加热、高效环保、易于控优点，微波加热已广泛应用金、有机合成、药物萃取、食品工业等行业(1—匕然而，由于物料移动和强电磁干扰等原因，微波加热过程中的实一直是技术。在已有的测量方案中，红外测温仪只能测量物料表面温度，且受物体发射率、气雾的影响而准确性不高；光纤温度
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计虽然抗电磁干扰和抗辐射性能好，但是造价高，使用容易损坏，而且用微波工I备受布线的限制(3)。因此，本文一过电磁屏蔽的接触传感器系统，该系统由无线传感器节点、无线接收机和上位机构成％单传感器节点可直接插入热物料中实现的接触，多个传感器节点可采用SimpliciTI协议组网实现多点数
高放废液据工作，并在上位机实示存储％本系统可过传感器节点灵活布置#隧工业微波加热等应用场景中有线的布线局限和非接触的［确，对加热物料空置实，快捷高效且数据可靠％
1总
本系统概念图如图1所示，无线传感器节点，将节点探头根据实际要置在热物料中，在微波加热腔部安置无线接收机创建无线传感网络，上电置料中的无线传感器节点加入网络并向无线接收机发送数据，无线接收机接收无线数据，并基于UART串口：，实现与上位机之间的有线，将采集到的所有温数据通过上位机的显示程序示％设计目的，尽量减小MCU的外围电路，仅构建STM32最小系统完成设计。
本系统的传感器采用数字温度传感器DS18B20，单总线接口方式连接至STM32的PB6引脚，采用外部供电，可直接读出被200 #s完成。为防止电磁干扰，DS18B20用圆柱形金属壳封装，可以根据物料灵活控制金属封装探头的％
强电磁干扰下高质量通信是实现加热温度实时且的关键因素之一，微波加热腔采用2.45GHz的工作，强电磁干扰，无线通
用433MHz#功和成本用TI低功耗低成本无线收发芯片CC1101 作模块％CC1101无线收发芯片与STM3
2的SPI1总线连接进行数据传输，其口是平衡结构，分别是端口RF_P和RF_N，设计时考虑封装的要用单极性贴片式FPC柔性天线，故插入一个BALUN电路来完成CC1101端零相位的平衡信号与天线端的单端非平衡信号间的％
微波反应腔
图1系统设计概念图(a)结构图
⑹电路板
2硬
MCU作为无线传感器节点中最核心的模块，控节点工作过程中数据的和无线数据的发送，由一片导体公司基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位微控制器STM32F103C8T6来完成，其工作频率最高可达72MHz，具有UART、
SPI接口，耗电低且电路简单，可扩展性强％无线传感器网络中节点图和实物图如图2所示。为实现无线传感器节点小型化、低功的
(c)实物图
图2传感器节点结构图与实物图
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@
3
基于通信模块CC1101的选择，本系统软件设
计采用SimpliciTI 网络协议，组网协议 状网络拓扑 ，由无线接收机作为中心节点（AP ）和无 线传感器节点作为终端节点（ED ）构成%中心节点
作为数据汇聚点，进行网络的组建和数据的接收，同
过串口向上位机发送
数据打印显示％终端节点 入网络和
数据
目标，通
编码以“节点编号+ 值”的 传输％
中心节点上电 级硬件初 和网
直流断路器络初 ，使能串口中断与 机 ，然 无 线网络％对网络
扫描侦听，接收终端节点
发送的入网申请和温度数据帧％若接收到入网申
请，则与终端节点 接 配LinkID ；若接收
到 数据，则将数据经串口传输给计算机显示％
终端节点上电 对板级硬件、定时器中断、
温度传感器
一系列初始化，完成后，终端节点开
网络，搜索到网络 控制中心节点发送一
Jion 请
物理概念图，在收到响应后，成功加入此网
络％终端节点 数据，并将数据按照一定的数据帧 传
中心节点，为减少节点间数
据碰撞次数，节点开启空闲信道评估，发送数据时若
忙则延时50 ms %中心节点和终端节点的
程序流程如图3所示％
（a ）中心节点（b ）终端节点
图3程序流程
本文还基于C++语言，采用Visual Studio
2015软件开发了一个简易的上位机显示程序实现
温度数据实时读取，监控 图4所示，主要由终
端节点编号、节点对应 数据显示栏、串口参数设
置
串口关闭按键组成％
图4上位机显示界面
4实
4.1实验系统
根据本文设计的目标和实验系统的特性，设计
了实际数据采集，实验 部分：无线传感器节
点 性实验和多节点组网 实验，采用实
验室搭建的系统，具体组件及实物图如图5所示％
4.2实验与结果
4. 2. 1无线探头测温准确性实验
用微波源对放置 应腔中的土豆（体积34锦纶6
mm # 34 mm #21 mm ）进行加热，设计的无线传感
器探头伸入土豆17 mm，同时用
头伸入无线传感器探头 相 置，设置微波加
热总时间为600 s，微波源输出功率分别为30、40、
5 2021 -
02
50、60 W，将探头数据和光纤温度数据进行实时采
集# 到的数据作对比%图6 热功率下，探头和光纤采集到的温升曲线对比。由图可知# 功 热情况下,
探头测量均与光纤测量结果有较好的吻合，最大误
差不超过2C ，对 的工业微波加热
景，这样的精度符
要求％
马鸣春
(a)实验系统框架(b)实验系统搭建
A ：功率可调的固态微波功率源，
B ：波导环形器,
C ：水负载，
D ：微波反应腔，
E ：无线接收机,
F ：上位机，
G ：光纤温度计
图5实验系统
4.2.2多探头组网测温实验 热过程中的温度测量有良好的准确性。在此基础
由上一节可知，本文所 头在微波加
上, 节点组网 的实验。制作一个土豆块
2021 -02
例
(56 mm #56 mm #23 mm)并将其平均分为四个区 ，四个无线传感器节点插入土豆块四 中心17 mm，如图7所示，然后将土豆块置于反应腔中心 位置处，在50 W 功率下加热600 s ，上位机实时显
示 节点数据, 节点位置探头相 插
入光纤同步测量。
图7无线传感器节点安置图
将无线传感器节点采集到的数据与光纤数据对 比，如表1所示%
表1各位置多路数据对比结果
时间
/ s
位置1温度
/C
置2/C
置3/C
置4/C
头
光纤
头光纤头光纤头
光纤100
31. 130.925.2
25.7
33.232.3
26.926.9
20036
35.432.631.740.5
39.833.4
32.5300
39. 939.137.536.445.744.438
36.940044. 845
41.140
48.747.641.1
40.250048. 147. 243.6
42.851.650.644.343.3600
50.3
49.146.245.1
54
53.1
46.8
45.5
从表1可以看出，在多传感器节点组网进行温
，四
称谓语
数据分别与相对应的
数据相差2°C 以下，能够比较精确地测量出
微波加热过程中物料内部的多点
％
5结
上所述，在微波加热日益广泛地应用于工业
生
手 限的背景下，本文提出的 基
于无线传感网络的
价格低廉，灵活布控，且
具 2C 的精确度，可用于隧
绝大多数
工业微波加热过程中的 ％基于SimpliciTI
网络协议，多个传感器可同时组网使用，能够实时测 出 料 热 过 程 中
的 ， 微 波 工
设备的 与 ％
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288.
收稿日期'021 — 01 — 14
作者简介：
谭瑜(1995 —)，男，硕士研究
生，就读于四川大学电子 学 院，主要研究
微波能工业
应用；Tel ： 184****5651, E-mail ：
761224047@qq. com 。
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