CC1101

真空电子技术VACUUMELECTRONICS

•

微波能技术专辑•

微波加热中物料实时温度测量无线传感器及其网络

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/j.

cnki.

cn11-2485/tn.

2021.

02.

07

Wireless

Sensors

and

Networks

for

Rea萝卜做法 l-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

,

Chengdu

610065,

China)

Abstract

:

Microwave

is

a

new

type

of

clean

energy

source

widely

ud

in

industrial

applications.

How

ever,

non-uniform

heating

caud

by

lective

microwave

heating

and

the

difficulty

of

accurate

online

tem-

peraGure

measuremenGin

microwave

field

limiGGhe

e

f

icienGdesign

and

applicaGion

of

microwave

indusGrial

essGheproblems

,

a

microwaveheaGingGemperaGure

measuremenGsysGem

bad

on

wirelessnsorneGworkandmicroconGro

l

erGechnologyisdesigned

,

whichusSTM32asmicroconGro

l

er

andCeuppercompuGer

display

program

to

realize

real-time

temperature

measurement

at

multiple

points

in

microwave

heating

process??relessnsornode

(

EndDev?ce

)

usDS18B20d?g?taltemperaturensorto

measurethenodepos?t?ontemperature?nrealt?meandnddata

,

andthecentralnode

(

AccessPo?nt

)

re-

ce?ves

the

data

and

upload

them

to

PC

d?splay

through

RS232

r?al

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

tem?slow-costandflex?ble?ndeploymentandcontrol

,

wh?ch?ssu?tablefortunnelng?n-

dustr?alm?crowaveheat?ngandotherapplcat?ons.

Keywords

:

Microwave

heating

,

Real-time

temperature

measurement

,

Wireless

nsor

networks

相比于传统的热传导加热

，

微波加热可以穿透

然而

，

由于物料移动和强电磁干扰等原因

，

微波加热

物质达到内外同时加热的效果,具有选择加热

、

高效

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

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

2021-02

受物体发射率

、

气雾的影响而准确性不高

；光纤温度

VACUUMELECTRONICS真空电子技术

计虽然抗电磁干扰和抗辐射性能好

，

但是造价高

，

使

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。

用

容易损坏

，

而且用

受布线的限制

(

3

)

。

因此

，

本文

微波工

I备

一

过

本系统的

传感器采用数字温度传感器

电磁屏蔽

的接触

传感器系统

，

该系统

热物料中实现

的

DS18B20

,

单总线接口方式连接至

STM32

的

PB6

由无线传感器节点

、

无线接收机和上位机构成

％

单

引脚

，

采用外部供电

#s

完成

，

可直接读出被

200

传感器节点可直接插入

。

为防止电磁干扰

，DS18B20

灵活

％

接触

议组网

，

多个传感器节点可采用

SimpliciTI协

用圆

柱

形教师培训总结心得体会 金属壳封装

，

可以根据物料

控制金属封装探头的

时且

实现多点数据

工作

，并在上位机实

示存储

％

本系统可

置

#

隧

过传感器节点灵活布

强电磁干扰下高质量通信是实现加热温度实

的关键因素之一

，微波加热腔采用

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％

微波反应腔

图

1

系统设计

概念图

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

72

MHz,

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

2.45

GHz

的工作

,

强电磁干扰

，游乐场的作文

无线通

用

433

MHz

#

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STM32

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

CC110

1端零

相位的平衡信号与天线端的革命诗 单端非平衡信号间

的

％

(a)结构图

⑹电路板

(c)实物图

图

2

传

感器

节点结构图

与实物图

2021

-02

@

真空电子技术VACUUcf连跳 MELECTRONICS

3

基于通信模块

CC1101

的选择

，

本系统软件设

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

计采用

SimpliciTI

网络协议

，

组网协议

状网

到

数据,则将数据经串口传输给计算机显示％

终端节点上电

温度传感器

Jion

请

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

对板级硬件

、

定时器中断、

一系列初始化

，

完成后

，终端节点开

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

网络

，

搜索到网络

控制中心节点发送一

数据打印显示

％

终端

数据

目标

，通

，

在收到响应后

，成功加入此网

数据

，

并将数据按照一定的

中心节点

，为减少节点间数

节点入网络和

编码以

“

节点编号

+

值

”

的

传输％

络

％

终端节点

数据帧

传

中心节点上电

线网络

％

对网络

级硬件初

和网

据碰撞次数

，

节点开启空闲信道评估

，

发送数据时若

络初

，

使能

串

口中断与

机

，

然

无

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％

扫描侦听

，接收终端节点

（

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

4实

4.1实验系统

温度数据实时读取

，

监控

端节点编号

、

节点对应

置

图

4

所示

，主要由终

根据本文设计的目标和实验系统的特性

，

设计

数据显示栏

、串口参数设

了实际数据采集

，

实验

部分:无线传感器节

串

口关闭

按

键组成％

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

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

图

4上位机显示界面

热总时间为

600

s,

微波源输出功率分别为

30

、

40、

5

2021

-02

VACUUMELECTRONICS真空电子技术

50

、

60

W,

将探头数据和光纤温度数据进行实时采

探头测量均与光纤测量结果有较好的吻合

，

最大误

集

#

到的数据作对比

%

差不超过

2C

，

对的工业微波加热

要求％

图

6

热功率下

，

探头和光纤采集到的

景

，

这样的精度符

温升曲线对比

。

由图可

知

#

功

热

情况

下,

A

D

(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

头在微波加

由上一节可

知

，

本文所

上

,

节点组网

的实验

。

制作一个土豆块

2021

-02

例

真空电子技术VACUUMELECTRONICS

(56

mm

#56

mm

#23

mm)

并将其平均分为四个区

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

，四个无线传感器节点插入土豆块四

中心

的

，

微

波

工

17

mm,

如图

7

所示

，

然后将土豆块置于反应腔中心

设备的

与

％

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

参考文献

(1)

曾昭文

，

郑成

，

毛桃嫣

，

等

•

微波在化工过程中的研究及

入光纤同步测量。

应用进展

［

J

)

•化工学报

,2019,70(Sl)

：

1

—14.

刘长军

，

吴昕

.

微波能工业应用研究进展

(J).

太赫兹为武汉加油手抄报 科

学与电子信息学报

，

2012,10(4):451

—

455.

邹建

，

饶程

，

顾兴志

，

等

•

微波场中温度传感方法

(

J).雪梨汁

压

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

位置

1温度

置

2置

3

置

4时间

/C

/C

/C

/C

/

s

头

光纤

头

光纤

头

光纤头

光纤100

31.

1

30.925.2

25.7

33.232.3

26.926.9

20036

35.4

32.6

31.740.5

39.833.4

32.5300

39.

9

39.137.5

36.4

45.744.438

36.9

400

44.

845

41.140

48.747.641.1

40.2

500

48.

1

47.

243.6

42.8

51.6

50.6

44.3

43.3600

50.3

49.1

46.245.1

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

数据分别与相对应的

数据相差

2C

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

9

2021

-02

电

与

#2003

25

(

2

)

：

170

—174.

(4)

曾永春

，

黄喜庆,李明伟

，

等

•

一种抗微波干扰防腐蚀的

温度传感器

(

〕

)•

真空电子技术

,2013,(6):23

—

27.

(5)

何其娟

，

刘长军

.

一种多路微波功率及温度数据采集系

统的实现

(

〕

)

•

太赫兹科学与电子信息学报

，

2007,5

(2):115

—118.

()

刘雪亭

.

基于

CC1101

的无线收发系统设计

(

J).

电子

设计工程

,

2016,24(18):123

—

125,128.

(7)

崔思

阳

，

彭泳卿

，徐辉•适用于火箭环境监测的无线传

感网络应用研究

(J)

•计算机测量与控制

，

2019,27(9

)

：

278

—282.

()

季国鹏

，

郭晋楠

，

葛立峰.基于

Simpli电炖锅食谱 ciTI

协议的无线温

系

统

的

与

实

现

(J

).

技

术

与

传

感

器

2012#(7):45

—47.

()

范虹兴

，

高凤良

，

熊

｝

瑶

，

等

.

基于

STM32

的开关柜母

线温度无线采集系统

(

J)

•仪表技术与传感器

，

2020,

(4):77

—80.

(10)

傅天煜，

王希

，

杨国辉

.

隧道式微波加热温度自动控制

电路模块的设计(

J

)

•微波学报

，

2010,

(S2

)

：

285

—

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。