基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童凡杰

摘 要 本文通過引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，它能對(duì)重要的電力電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，變電站設(shè)備，溫度監(jiān)測(cè)，節(jié)點(diǎn)

1引言

變電站設(shè)備是電力生產(chǎn)的重要設(shè)備，它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中的地位異常重要，但變電站設(shè)備在正常的運(yùn)行應(yīng)用過程中，極容易因?yàn)檠b置設(shè)備老化或者是溫度過高等問題，發(fā)生運(yùn)行故障事故，這會(huì)對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利影響?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是為了保證變電站設(shè)備安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、融合和傳輸，是保證整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

2系統(tǒng)的測(cè)溫原理

本系統(tǒng)使用在線式紅外測(cè)溫儀對(duì)變電站敏感設(shè)備進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)溫儀采用固定安裝的方式，以使被測(cè)設(shè)備輻射出的紅外能量易于被紅外測(cè)溫儀的物鏡接受為安裝原則。首先，變電戰(zhàn)運(yùn)行過程中，被測(cè)設(shè)備輻射出的紅外能量通過測(cè)溫儀的物鏡匯聚到紅外探測(cè)器上；然后，探測(cè)器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又通過前置放大器、主放大器將信號(hào)放大、整形、濾波后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路處理，輸入微處理器；最后，微處理器在內(nèi)部經(jīng)過線性化處理、溫度補(bǔ)償和發(fā)射率修正后，把溫度值通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給監(jiān)控室的主控計(jì)算機(jī)。

3系統(tǒng)的總體方案

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)主要包括：溫度采集節(jié)點(diǎn)（主要部分是溫度采集傳感器）、匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控室的主控計(jì)算機(jī)組成。軟件系統(tǒng)包括匯聚節(jié)點(diǎn)和溫度采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度，微處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過nRF905射頻收發(fā)器芯片將處理數(shù)據(jù)上報(bào)給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)按照一定的頻率間隔陸續(xù)監(jiān)聽各個(gè)采溫節(jié)點(diǎn)上報(bào)的設(shè)備溫度，并將其與該設(shè)備設(shè)定的報(bào)警溫度閾值進(jìn)行比較，若正常則繼續(xù)監(jiān)聽下一個(gè)采溫節(jié)點(diǎn)上報(bào)的設(shè)備溫度；否則，將該異常數(shù)據(jù)以通過RS485總線的方式上報(bào)給監(jiān)控室的主控計(jì)算機(jī)，并同時(shí)通過nRF905射頻收發(fā)器芯片對(duì)采溫節(jié)點(diǎn)下達(dá)溫度跟蹤采集上報(bào)的命令，采溫節(jié)點(diǎn)的微處理器在收到命令后，將控制安裝在變電站監(jiān)測(cè)設(shè)備上的溫度傳感器對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行跟蹤采集。監(jiān)控室主控計(jì)算機(jī)通過RS485串行總線的方式自動(dòng)周期地從匯聚節(jié)點(diǎn)讀取所接收的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)超過警戒的溫度或溫度發(fā)生異常波動(dòng)的則及時(shí)報(bào)警。此外，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)還可以在主控計(jì)算機(jī)中長(zhǎng)期存儲(chǔ)以供查詢，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)人員可以對(duì)設(shè)備溫度的走勢(shì)進(jìn)行分析以輔助故障處理。

4系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析

4.1溫度采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

1.微處理器模塊

微處理器模塊采用MSP430F149 為主芯片，其電路部分主要包括與無(wú)線通信單元的接口、與溫度數(shù)據(jù)采集單元的接口和與撥碼開關(guān)的接口等，具有功耗低、處理能力強(qiáng)、體積小、性能穩(wěn)定以及方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，并且其運(yùn)行溫度范圍能夠適應(yīng)變電站的工作環(huán)境，非常適合于開發(fā)低功耗、小型化的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控終端設(shè)備。

2.溫度采集模塊

本系統(tǒng)將在電力電氣設(shè)備的易發(fā)熱部位裝設(shè)由攝像機(jī)、數(shù)字云臺(tái)、紅外測(cè)溫儀等組成的溫度采集模塊，該模塊能夠自動(dòng)保存每次溫度采集的記錄，精度較高，滿足使用要求。

3.無(wú)線通信模塊

該模塊采用單片射頻收發(fā)器芯片 nRF905， 其電路部分主要包括與 MSP430F149 接口電路、晶振電路和天線部分電路三部分，最高發(fā)射速率50 kb/s，10 dB 發(fā)射功率條件下，配置外置鞭狀天線的有效通信距離為300 m 左右。

4.電源模塊

電源模塊采用TPS60100 芯片，通過鋰一次電池供電提供3.3V 電壓。

4.2匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)要滿足以下功能：（1）通過無(wú)線通信模塊匯聚溫度采集節(jié)點(diǎn)采集到的溫度信號(hào)；（2）將采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行分析處理，并嵌入到RS485總線上，等到主控計(jì)算機(jī)采集；（3）將節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)參數(shù)以及溫度采集節(jié)點(diǎn)上報(bào)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以防丟失。

根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)電路要實(shí)現(xiàn)的功能，本文將匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件組成框架設(shè)計(jì)成如圖1所示，由微處理模塊、無(wú)線通信模塊、串行通信模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊五部分。

圖1 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件組成框架

匯聚節(jié)點(diǎn)的微處理模塊和無(wú)線通信模塊與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)模塊原理相同，故不作重復(fù)介紹。下面將對(duì)其它模塊進(jìn)行介紹。

1.串行通信模塊

該模塊設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的RS485 總線接口，一方面將匯聚節(jié)點(diǎn)處理好的溫度數(shù)據(jù)傳輸給主控計(jì)算機(jī)，另一方面根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的控制命令對(duì)模塊進(jìn)行控制。

2.存儲(chǔ)模塊

該模塊采用AT24C02存儲(chǔ)器，工作電壓為5V，主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的地址和配置信息，以及最近一次的溫度數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)這些信息一方面是為了防止溫度數(shù)據(jù)遺失，另一方面則是為了給匯聚節(jié)點(diǎn)與主控計(jì)算機(jī)的通信提供依據(jù)。

3.電源模塊

微處理模塊和無(wú)線通信模塊的供電電壓是3.3 V，串行通信模塊和存儲(chǔ)模塊的供電電壓是5 V。因此，本模塊使用了兩個(gè)電源芯片 LM2575 和 LM1117-3.3，以分別提供 5 V和3.3 V 電壓。

5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

5.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的任務(wù)就是解析匯聚節(jié)點(diǎn)的命令、采集溫度數(shù)據(jù)、根據(jù)時(shí)隙優(yōu)先級(jí)計(jì)算定時(shí)時(shí)間、發(fā)送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)。其程序流程主要如下：

Step1：關(guān)閉看門狗定時(shí)器WDT并進(jìn)行系統(tǒng)初始化；接著打開WDT，置無(wú)線通信模塊為接收模式，等待并接受匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的組網(wǎng)信號(hào)，接著等待匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號(hào)。若一直沒收到則返回組網(wǎng)，若收到，則開始接受匯聚節(jié)點(diǎn)的溫度采集命令。

Step2：進(jìn)入采溫周期的循環(huán)，即先監(jiān)聽匯聚節(jié)點(diǎn)的采集溫度命令（同時(shí)也是同步信號(hào)），各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)采溫同步命令之后，解析出自己的時(shí)隙，啟動(dòng)定時(shí)器開始一個(gè)采樣周期。

Step3：采樣周期結(jié)束后，各個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)同步信號(hào)的時(shí)隙安排將采集好的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

Step4： 無(wú)線通信模塊在發(fā)送完溫度數(shù)據(jù)之后，設(shè)置nRF905為掉電模式，MSP430F149休眠，等待下一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的采集溫度命令。

5.2匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，其程序流程主要如下：

Step1：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成之后程序進(jìn)入周期循環(huán)，置nRF905為發(fā)送模式并連續(xù)發(fā)生三次組網(wǎng)信號(hào)。若有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，則返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；若沒有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，則直接進(jìn)入下一階段。

Step2：匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)在網(wǎng)的各個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集溫度的命令；接著設(shè)定等待時(shí)間，這段時(shí)間是溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間，采樣定時(shí)時(shí)間到，關(guān)閉串口中斷，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)返回的溫度數(shù)據(jù)。

Step3：若匯聚節(jié)點(diǎn)三次沒有收到在網(wǎng)的溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)返回的任何數(shù)據(jù)，則默認(rèn)該節(jié)點(diǎn)已退出網(wǎng)絡(luò)。

Step4：匯聚節(jié)點(diǎn)處理完溫度數(shù)據(jù)之后，打開串口中斷，響應(yīng)串口命令，直到定時(shí)時(shí)間到，重新發(fā)送組網(wǎng)信號(hào)。

6結(jié)束語(yǔ)

總之，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有功耗小、采樣精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，值得在實(shí)踐領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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