韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了降低測溫系統的安裝難度并提高測溫系統的普適性，設計了一種無(wú)線(xiàn)測溫系統。該測溫系統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(guò)射頻（RF）無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信。介紹了系統的整體方案設計、硬件設計、軟件設計及外形結構設計。該系統安裝簡(jiǎn)單，可適應現場(chǎng)不同的設備，并具有低功耗、易維護的特性。

關(guān)鍵詞：測溫系統；低功耗；RF無(wú)線(xiàn)模塊

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

傳統人為抄讀溫度儀表盤(pán)的方式已不能滿(mǎn)足當前測溫需求。演變出來(lái)的有線(xiàn)式連接主機進(jìn)行測溫的方式對布線(xiàn)規劃、施工等要求較高。無(wú)線(xiàn)測溫發(fā)送方式對主站硬件要求過(guò)高且不靈活。巡檢機器人圖像識別儀表盤(pán)或者紅外相機判斷被測物體溫度的方法對被測物要求過(guò)高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀(guān)察被測物。在新智能環(huán)境下，迫切需要一種簡(jiǎn)便有效且對主機系統通用的無(wú)線(xiàn)測溫方式。

       本文所提無(wú)線(xiàn)測溫系統包括主溫度匯集單元和若干個(gè)從溫度感知單元。系統使用一主多從的方式，可實(shí)現同時(shí)對多個(gè)被測設備進(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(lái)測量被測物體的溫度，從溫度感知單元經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信方式將采集到的溫度數據發(fā)送至主溫度匯集單元，主溫度匯集單元與主機連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機。無(wú)線(xiàn)測溫系統整體設計如圖1所示。

2.1硬件整體設計

       硬件系統包括兩個(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計框圖

       主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類(lèi)配置更加靈活，使用更加開(kāi)放，可與包括計算機、手機、融合終端、巡檢機器人等擁有USB接口的主機進(jìn)行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無(wú)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(cháng)電池的使用時(shí)間及減少從溫度感知單元的維護工作，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)現電池使用五年免維護。

       主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8，該芯片采用32位Cortext-M3內核架構，工作頻率可以達到24MHz，內置128KBFlash，8KB靜態(tài)隨機存取存儲器（staticrandomaccessmemory,SRAM）、模擬數字轉換器（analogtodigitalconverter,ADC）、數字模擬轉換器（digitaltoanalogconverter,DAC）、12timers計時(shí)器等資源。

2.3無(wú)線(xiàn)傳輸模塊選型

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

2.4溫度檢測電路設計

       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(kāi)關(guān)電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過(guò)高低電平來(lái)控制MOS管開(kāi)關(guān)電路3。由10kΩ電阻R15、330Ω電阻R16與負溫度系數（negativetemperaturecoefficient,NTC）熱敏電阻R17組成分壓電路。根據熱敏電阻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化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據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的模擬數字轉換器（ADC）引腳，通過(guò)數模轉換，經(jīng)計算可得到電壓值，根據電壓和溫度之間關(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電平導通MOS管開(kāi)關(guān)電路3，根據分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過(guò)TEMP_AD讀取熱敏電阻R17兩端電壓，算出當前溫度。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(mén)狗電路設計

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

圖9從溫度感知單元實(shí)物

4.2主溫度匯集單元結構

       主溫度匯集單元外形為方形盒狀結構，天線(xiàn)和USB連接線(xiàn)通過(guò)連接器引出，在外部面板上有設備工作狀態(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(kāi)關(guān)柜溫度在線(xiàn)監測系統是基于470MHz無(wú)線(xiàn)測溫技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統，可對開(kāi)關(guān)柜分別為母線(xiàn)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)監測，方便運維人員及遠程監控中心掌握現場(chǎng)設備運行情況。

5.2應用場(chǎng)所

       變電所，配電室，箱變等

5.3系統架構

       開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測溫系統由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監測預警工作站三部分組成，

5.4.1實(shí)時(shí)監測

       Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示各測溫節點(diǎn)的溫度數據及有關(guān)故障、告警等信息。

5.4.2溫度查詢(xún)

       溫度歷史曲線(xiàn)（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：

5.4.3運行報表

       查詢(xún)各回路設備運行溫度報表。

5.4.4實(shí)時(shí)報警

       壁掛式無(wú)線(xiàn)測溫監控設備具有實(shí)時(shí)報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發(fā)出警告。設備提供以下幾種告警方式：

       1）彈出事件報警窗口。

       2）實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語(yǔ)音告警。

       3）短信警告?？梢韵虬l(fā)送告警信息短信（需選配）。

5.4.5歷史告警查詢(xún)

       Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統能夠對所有告警事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

5.4.6用戶(hù)權限管理

       Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.7定值設置

       用于修改高溫定值、超溫定值。

       WEB，手機APP（可選）：

       通過(guò)和手機APP展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息，設備溫度、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(wú)線(xiàn)測溫傳感器選型

5.6典型配置方案

5.6.1高低壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫（單柜就地顯示）

       a）配置方案

5.6.2高壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)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場(chǎng)）

方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：

       本文所提無(wú)線(xiàn)測溫系統中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現場(chǎng)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(cháng)；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類(lèi)配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動(dòng)上報兩種模式，保證主溫度匯集單元與從溫度感知單元之間通信的穩定性，且兩種工作模式可根據使用要求進(jìn)行選擇，保證低功耗運行情況下設備的穩定性。

 

[1]何志甘，范彥琨，陳光焰，等.溫度趨勢相似性在電力設備預警中的應用[J].儀器儀表標準化與計量，2019,209（5）:79-81.

[2]池東亮，李龍龍，束鵬飛，熊樹(shù)海.一種無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計與實(shí)現.

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

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06月版.

 

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用