基于Si4432火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

宋 毅，曹鳳蓮

（淮陰師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

近年來近年來，隨著社會用電量的大幅增長，電氣火災(zāi)發(fā)生率始居各類火災(zāi)之首，電氣火災(zāi)的起火原因主要有以下幾種：1）漏電；2）短路；3）過負(fù)荷。由電力設(shè)備發(fā)熱而最終導(dǎo)致的電氣火災(zāi)在全部電氣火災(zāi)中占到了60%以上的比例；另外，由絕緣受損、環(huán)境潮濕等引起的泄漏電流故障（以及由泄漏電流電火花引起，又在電氣火災(zāi)的起因中占有10%以上的比例。

當(dāng)絕緣受損的線路上而產(chǎn)生的泄漏電流到300～500 mA時，破損處將和鄰近的接地導(dǎo)體產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。這時，釋放出的電火花可以輕易的引燃周圍的可燃物和易燃物，從而造成火災(zāi)事故。即使，周圍沒有易燃、可燃物存在，泄漏電流產(chǎn)生的火花放電同樣可加速絕緣的受損面積，使得受損點周圍的絕緣層迅速炭化，變?yōu)橐兹嘉矬w，再被火花點燃起火。

高壓開關(guān)柜中設(shè)有大量開關(guān)電氣設(shè)備，并具有復(fù)雜的電氣連接線路，如何對高壓開關(guān)柜中的關(guān)鍵部位或電氣連接處的溫度進(jìn)行實時、遠(yuǎn)程檢測，并確保檢測的安全性和可靠性，是我們所要解決的重點技術(shù)難題之一。

1 系統(tǒng)組成

為解決上述技術(shù)問題，現(xiàn)提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安全性和可靠性較高的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)包括：溫度傳感器1，與溫度傳感器1的溫度信號輸出端相連的適于定時激活工作的第一邏輯控制電路2，第一邏輯控制電路2的溫度信號輸出及收發(fā)控制端相連的用于將溫度信號轉(zhuǎn)換為無線信號的第一無線收發(fā)電路3，第一邏輯控制電路2連接有電池供電電路4。

溫度傳感器1設(shè)于配電室進(jìn)線柜斷路器的上下接口處、三級負(fù)荷進(jìn)線開關(guān)斷路器的上下接口處、風(fēng)機(jī)回路斷路器的上下接口處、冷水機(jī)組回路的上下接口處或開關(guān)柜內(nèi)的帶電觸頭上。應(yīng)用火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)時，還包括用于接收所述無線信號的第二無線收發(fā)電路11、與第二無線收發(fā)電路11的相連的無線交互控制單元5、與無線交互控制單元5的數(shù)據(jù)輸出端相連的用于判斷溫度傳感器1所測溫度是否超過預(yù)設(shè)范圍的中央控制單元6；中央控制單元6的溫度信號輸出端經(jīng)通訊接口8與用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī)10相連。

中央控制單元6的溫度顯示輸出端連接有用于實時顯示溫度值的顯示電路9，即LCD顯示屏。所述中央控制單元6的控制輸入端連接有用于輸入無線收發(fā)的頻點和與所述第一邏輯控制電路2相關(guān)聯(lián)的地址表的第一鍵盤輸入電路7。具體收發(fā)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)收發(fā)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System and structure diagram

2 設(shè)計原理

2.1 硬件設(shè)計

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)主要由微處理器C8051F930（簡稱MCU）和RF收發(fā)芯片 Si4432組成，性能指標(biāo)表明它是業(yè)界目前性價比“最高”的嵌入式無線解決方案。C8051F930是Silicon Labs新近推出的業(yè)界第一款能在0.9～3.6 V電壓范圍內(nèi)工作的MCU，內(nèi)部集成了64 kB的Flash、4352B 的 RAM、1 個 UART、2 個 SPI、4 個 定 時 器 、10 b 的ADC、內(nèi)部振蕩器等，提供了一個真正的SOC（System On Chip）解決方案。

Si4432無線收發(fā)器是Silicon Labs公司EZRadioPro產(chǎn)品線中的一款非常有代表性的芯片，支持頻率范圍240～930 MHz，輸出功率最大為+20 dBm，靈敏度達(dá)-117 dBm。Si4432與主機(jī)MCU之間的通信是通過SPI總線實現(xiàn)的，主要涉及SCLK、SDI、SDO 和 nSEL 4 個引腳。

Si4430/31/32提供了先進(jìn)的無線電特性包括在240-960MHz范圍的頻率覆蓋和允許進(jìn)行精確調(diào)諧控制的156 Hz或312 Hz的步幅，其他的系統(tǒng)特性如：自動喚醒定時器、低電池檢測器、64字節(jié)TX/RX堆棧、自動數(shù)據(jù)報處理、報頭檢測減少了總的電流消耗，使得可以采用廉價的系統(tǒng)MCU。一個集成的溫度傳感器、通用ADC、上電復(fù)位（POR）和GPIO（通用輸入/輸出）進(jìn)一步減少了總的系統(tǒng)成本和尺度[1-3]。

由C8051F930單片機(jī)控制Si4432實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送模塊中的C8051F930將數(shù)據(jù)傳送給 Si4432進(jìn)行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調(diào)之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器C8051F930進(jìn)行相應(yīng)的處理，如送液晶顯示等。系統(tǒng)提供了按鍵和液晶等人機(jī)交互界面，還留有RS232接口可以實現(xiàn)與PC機(jī)通信。

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)電路如圖2所示，其中U9為SI4432，由于采用單天線形式，使用了射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)UPG2214T（圖2中U6）進(jìn)行收發(fā)切換。

圖2 數(shù)據(jù)收發(fā)電路Fig.2 A data transceiver circuit

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用μC/OS-II或RL-RTX實時操作系統(tǒng)（RTOS），以實現(xiàn)多任務(wù)的嵌入式程序應(yīng)用。使用RTOS可簡化任務(wù)的調(diào)度和維護(hù)，對CPU、內(nèi)存等系統(tǒng)資源進(jìn)行靈活配置。程序開發(fā)、編譯及仿真使用ARM公司的RealView MDK開發(fā)工具集的新版本μVision 4，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以分為自動校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)采樣處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及信號發(fā)生與移向模塊等，結(jié)構(gòu)清晰合理，便于開發(fā)、維護(hù)與日后升級，同時有助于增強(qiáng)軟件的可移植性，提高開發(fā)效率。

3 特 點

在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感中，第一邏輯控制電路將溫度傳感器所測得的溫度信息通過控制第一無線收發(fā)電路以無線信號發(fā)出，無線交互控制單元經(jīng)第二無線收發(fā)電路接收該無線信號，經(jīng)處理后得出相應(yīng)的溫度信息并送至中央控制單元，最后經(jīng)顯示電路顯示或經(jīng)通訊接口送至上位機(jī)；故而火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全性和可靠性較高，適于監(jiān)測高壓開關(guān)柜中觸點的溫度。無線溫度傳感系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測設(shè)備接點的運(yùn)行溫度，可確定觸點接頭處的過熱程度，當(dāng)發(fā)生超溫時，發(fā)出報警指示。溫度傳感器被安裝到設(shè)備內(nèi)的帶電部位上 （如斷路器及刀閘的上下接口處），監(jiān)測儀主機(jī)的數(shù)字面板表顯示出每個帶電觸頭的溫度值，并可將溫度值通過RS-485接口傳到上位計算機(jī)作進(jìn)一步處理，實現(xiàn)設(shè)備溫度的集中監(jiān)測?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)可應(yīng)用于地鐵、變電站、電廠、電纜、隧道、供熱管道、油氣管道等場合，特別是地鐵的1 500 V直流開關(guān)、整流系統(tǒng)和車站400 V重要負(fù)荷的設(shè)備安全監(jiān)測。如用于監(jiān)測高低壓輸電線纜及母線接頭溫度、高低壓（500 kV～380 V）開關(guān)觸點溫度、輸油管道溫度及石油化工工藝點溫度和干式變壓器/油式變壓器溫度監(jiān)測。

4 結(jié) 論

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)，其中無線收發(fā)系統(tǒng)[4-8]主要芯片采用Si4432，其優(yōu)點在于功率可達(dá)100mW（+20dBm），降低波特率的情況下無遮擋傳輸距離可達(dá)500 m以上，或者穿透兩層樓?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性和可靠性較高，適于范圍廣等優(yōu)點，它能為維護(hù)工程師提供準(zhǔn)確信息，避免電氣火災(zāi)的發(fā)生，該設(shè)計方案應(yīng)有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景。

[1]林思和，裴善勇.ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的設(shè)計和應(yīng)用[J].電工電氣，2011（2）：45-48.

LIN Si-he，PEI Shan-yong.Design and application of ARCM series electricalfire monitoring detector[J].Electric Electrician，2011（2）：45-48.

[2]潘旭兵.基于Si4432的無線收發(fā)模塊的設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用，2009（29）：189-191.

PAN Xu-bing.Design of wireless transceiver module based on Si4432[J].Journal of Computer Applications，2009（29）：189-191.

[3]張玲，劉九維，何偉.基于Si4432的高性能無線收發(fā)應(yīng)用平臺設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（12）：124-127.

ZHANG Ling，LIU Jiu-wei，HE Wei.Design ofhighperformance wireless transceiver application platform based on SI4432 [J].Application of Electronic Technique，2010（12）：124-427.

[4]高仁璟，劉國新，唐禎安.基于Si4432的無線射頻遙控系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù)，2010，43（10）：137-139.

GAO Ren-jing，LIU Guo-xin，TANG Zhen-an.Design of RF remote control system based on Si4432[J].Communications Technology，2010，43（10）：137-139.

[5]羅春彬，彭龑，易彬.RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2009，42（12）；112-114.

LUO Chun-bin，PENG Yan，YI Bin.Overview on RFID technology and application[J].Communications Technology，2009，42（12）；112-114.

[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2012，31（4）：40-43.

LI Zheng-min，WANG Jian-hui，LIU Wei-wei.Design and implementation of wireless RF communication module based on Si4432[J].Measurement&Control Technology，2012，31（4）：40-43.

[7]尹春雷，王新峰.基于ZigBee和ARM技術(shù)的火災(zāi)信息數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（23）：45-47.

YIN Chun-lei，WANG Xin-feng.Design of data wireless acquisition of fire alarm system based on ZigBee and ARM technology[J].Modern Electronic Technique，2011（23）：45-47.

[8]呂冬華，林賢賢，馮軍，等.基于WSN的燃?xì)獗碜詣映硐到y(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（3）：161-163.

LV Dong-hua，LIN Xian-xian，F(xiàn)ENG Jun，et al.Design of automatic gas meter reading system based on wireless sensor network[J].Modern Electronic Technique，2012（3）：161-163.