淺談無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了降低測溫系統(tǒng)的安裝難度并提高測溫系統(tǒng)的普適性，設(shè)計(jì)了一種無線測溫系統(tǒng)。該測溫系統(tǒng)由主溫度匯集單元和從溫度感知單元組成，主溫度匯集單元與從溫度感知單元通過射頻（RF）無線方式進(jìn)行通信。介紹了系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)安裝簡單，可適應(yīng)現(xiàn)場不同的設(shè)備，并具有低功耗、易維護(hù)的特性。

關(guān)鍵詞：測溫系統(tǒng)；低功耗；RF無線模塊

       隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科技水平不斷提高，電力設(shè)備種類越來越豐富，尤其是高精度設(shè)備越來越多，這些設(shè)備對溫度要求非常高，不同的溫度對設(shè)備影響很大，如變壓器觸頭，其溫度反映了用電負(fù)荷情況，如果在高負(fù)荷情況下觸頭溫度會升高，溫度升高會影響變壓器性能，甚至出現(xiàn)故障，導(dǎo)致停電并造成經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)人為抄讀溫度儀表盤的方式已不能滿足當(dāng)前測溫需求。演變出來的有線式連接主機(jī)進(jìn)行測溫的方式對布線規(guī)劃、施工等要求較高。無線測溫發(fā)送方式對主站硬件要求過高且不靈活。巡檢機(jī)器人圖像識別儀表盤或者紅外相機(jī)判斷被測物體溫度的方法對被測物要求過高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀察被測物。在新智能環(huán)境下，迫切需要一種簡便有效且對主機(jī)系統(tǒng)通用的無線測溫方式。

       本文所提無線測溫系統(tǒng)包括主溫度匯集單元和若干個(gè)從溫度感知單元。系統(tǒng)使用一主多從的方式，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多個(gè)被測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測量，從溫度感知單元與被測物體接觸來測量被測物體的溫度，從溫度感知單元經(jīng)無線通信方式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元，主溫度匯集單元與主機(jī)連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機(jī)。無線測溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1硬件整體設(shè)計(jì)

       硬件系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。

圖3主溫度匯集單元硬件設(shè)計(jì)框圖

       主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類配置更加靈活，使用更加開放，可與包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、融合終端、巡檢機(jī)器人等擁有USB接口的主機(jī)進(jìn)行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無需外接電源，降低了使用難度。

2.2主控芯片選型

       從溫度感知單元采用鋰電池供電，為了延長電池的使用時(shí)間及減少從溫度感知單元的維護(hù)工作，從溫度感知單元采用超低功耗MCU。MCU為STM8L系列的STM8L052R8[8-9]，該芯片在運(yùn)行模式下，功耗低至200μA/MHz；提供五種低功耗模式，在低功耗等待模式下，功耗僅為3μA；內(nèi)置64KBFlash，256B帶電可擦可編程只讀存儲器      （electricallyerasableprogrammablereadonlymemory,EEPROM）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片（realtimeclock,RTC）、液晶顯示器（liquidcrystaldisplay,LCD）、串行外設(shè)接口（serialperipheralinterface,SPI）等資源。從溫度感知單元采用此超低功耗MCU，可以實(shí)現(xiàn)電池使用五年免維護(hù)。

       主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8，該芯片采用32位Cortext-M3內(nèi)核架構(gòu)，工作頻率可以達(dá)到24MHz，內(nèi)置128KBFlash，8KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（staticrandomaccessmemory,SRAM）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analogtodigitalconverter,ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digitaltoanalogconverter,DAC）、12timers計(jì)時(shí)器等資源。

2.3無線傳輸模塊選型

       無線傳輸模塊是推出的一款超低功耗集成的單芯片無線收發(fā)芯片，頻率范圍從300MHz到510MHz。本設(shè)計(jì)采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式電流僅有3mA。

2.4溫度檢測電路設(shè)計(jì)

       從溫度感知單元溫度檢測電路如圖4所示，包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開關(guān)電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過高低電平來控制MOS管開關(guān)電路3。由10kΩ電阻R15、330Ω電阻R16與負(fù)溫度系數(shù)（negativetemperaturecoefficient,NTC）熱敏電阻R17組成分壓電路。根據(jù)熱敏電阻R17外界溫度不同自身阻值不同的特性和歐姆定理將溫度的變化轉(zhuǎn)化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據(jù)功率放大器特性組成電壓跟隨電路，TEMP_AD處電壓反映熱敏電阻R17電壓。TEMP_AD連接MCU的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）引腳，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)計(jì)算可得到電壓值，根據(jù)電壓和溫度之間關(guān)系算出溫度值。MCU芯片退出睡眠模式，分別改變TEMP_PWR和TEMPH_PWR電平導(dǎo)通MOS管開關(guān)電路3，根據(jù)分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過TEMP_AD讀取熱敏電阻R17兩端電壓，算出當(dāng)前溫度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同測溫精度和范圍，TEMP_PWR溫度分辨率為0.5℃，溫度測量范圍為?40～170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃，溫度測量范圍為?20～125℃。

 

圖4溫度檢測電路

2.5看門狗電路設(shè)計(jì)

       從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門狗電路如圖5所示，看門狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳，RESET連接MCU的RESET引腳（復(fù)位引腳），MCU定時(shí)給WDI一個(gè)脈沖信號，看門狗芯片獲取信號，不對RESET引腳輸出脈沖信號，即不對MCU進(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無法進(jìn)行操作，當(dāng)時(shí)間超過1600ms時(shí)，看門狗芯片會輸出脈沖信號，對MCU進(jìn)行復(fù)位以  解除故障。

圖9從溫度感知單元實(shí)物

4.2主溫度匯集單元結(jié)構(gòu)

       主溫度匯集單元外形為方形盒狀結(jié)構(gòu)，天線和USB連接線通過連接器引出，在外部面板上有設(shè)備工作狀態(tài)的指示燈。主溫度匯集單元實(shí)物如圖10所示。

圖10主溫度匯集單元實(shí)物

5.1概述

       開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng)，可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況。

5.2應(yīng)用場所

       變電所，配電室，箱變等

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

       開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成，

5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

       Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2溫度查詢

       溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：

5.4.3運(yùn)行報(bào)表

       查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表。

5.4.4實(shí)時(shí)報(bào)警

       壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式：

       1）彈出事件報(bào)警窗口。

       2）實(shí)時(shí)語音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。

       3）短信警告?？梢园l(fā)送告警信息短信。

5.4.5歷史告警查詢

       Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.4.6用戶權(quán)限管理

       Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的保障。

5.4.7定值設(shè)置

       用于修改高溫定值、超溫定值。

       WEB，手機(jī)APP（可選）：

       通過手機(jī)APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

5.5.產(chǎn)品選型

5.5.1無線測溫傳感器選型

5.6典型配置方案

5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫（單柜就地顯示）

       a）配置方案

5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）

       a）配置方案

5.6.4就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

       本文所提無線測溫系統(tǒng)中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現(xiàn)場安裝方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被測物體溫度信息和鋰電池電量信息，使電池可使用時(shí)間更長；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接，使得主機(jī)種類配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動(dòng)上報(bào)兩種模式，保證主溫度匯集單元與從溫度感知單元之間通信的穩(wěn)定性，且兩種工作模式可根據(jù)使用要求進(jìn)行選擇，保證低功耗運(yùn)行情況下設(shè)備的穩(wěn)定性。

 

[1]何志甘，范彥琨，陳光焰，等.溫度趨勢相似性在電力設(shè)備預(yù)警中的應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2019,209（5）:79-81.

[2]池東亮，李龍龍，束鵬飛，熊樹海.一種無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

[3]安科瑞用戶變電站綜合自動(dòng)化與運(yùn)維解決方案.2021.02月版.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06月版.

 

作者簡介：劉細(xì)鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用