電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 靖，李 杜，許松枝

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410131；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410012)

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電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 靖1，李 杜1，許松枝2

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410131；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410012)

為預(yù)防電氣設(shè)備異常升溫而導(dǎo)致的電力故障等問題，設(shè)計一種以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)為核心，傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由6個傳感器節(jié)點和1個數(shù)據(jù)匯總單元組成，傳感器節(jié)點負責(zé)溫度測量并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將溫度信息發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元；數(shù)據(jù)匯總單元會在每天的規(guī)定時間將各個傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)無線傳送給巡檢員并在系統(tǒng)供電電壓不足或者設(shè)備異常升溫時發(fā)出報警短信。測試實驗結(jié)果表明：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通訊距離遠，系統(tǒng)功耗低，測量數(shù)據(jù)準確可靠，適合于電力系統(tǒng)的溫度在線監(jiān)測。

電氣設(shè)備；溫度在線監(jiān)測；傳感器技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；GSM

0 引言

目前，國內(nèi)外對電氣設(shè)備溫度的測量主要有溫度傳感器[1]、光纖測溫[2]和紅外測溫[3]3種方法，并依靠人工的定期巡檢，效率低，可能出現(xiàn)漏測、錯記的問題，還可能因為某些工作人員未去現(xiàn)場檢測直接填制報表，導(dǎo)致設(shè)備故障未能及時發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致嚴重的電力事故發(fā)生[4]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)是近年來快速的新技術(shù)，廣泛用于智能家居、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域[5-6]。

本文針對傳統(tǒng)電氣設(shè)備溫度監(jiān)測方式的不足，設(shè)計并實現(xiàn)了基于WSN和GSM的智能電氣設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、功耗小、準確度高、擴展性好等優(yōu)點，能夠定時采集溫度信息并通過無線模塊傳輸給巡檢員，大大提高了巡檢員的工作效率，在供電電壓不足或者設(shè)備異常升溫時能及時發(fā)出報警短信有效地避免了因溫度過高而導(dǎo)致的電力故障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

溫度監(jiān)測系統(tǒng)由6個傳感器節(jié)點和1個數(shù)據(jù)匯總單元組成，傳感器節(jié)點采集溫度信息，通過nRF24L01無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元，匯總單元定時將一整天的溫度信息通過GSM模塊以手機短信的形式發(fā)送到目標手機上，并在系統(tǒng)供電單元電壓不足或者高壓電氣設(shè)備的溫度異常時及時發(fā)出警告短信，巡檢員也可以根據(jù)需求向系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定格式的短信對系統(tǒng)進行控制。傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)匯總單元、匯總單元和巡檢員之間都能雙向通訊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 WSN的構(gòu)建

本系統(tǒng)使用價格低廉的nRF24L01無線模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，nRF24L01采用一對多模式，有6個從機和1個主機，從機和跟主機之間能夠雙向通訊，而且能夠自動應(yīng)答，nRF24L01的功耗也相當?shù)?，當工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0 dBm，時電流消耗為11.3 mA ，接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低，數(shù)據(jù)包每次可以傳輸1～32 Byte的數(shù)據(jù)，通訊速率最高可達8 Mbit/s，適合于各種MCU連接，適合于本系統(tǒng)。

nRF24L01只有地址相同的通道才可以相互通訊，但所有nRF24L01的通道1～5只能接收數(shù)據(jù)而不能發(fā)送數(shù)據(jù)，只有通道0可以雙向發(fā)送數(shù)據(jù)，這也是為何通道0的地址是40位可以任意改寫，而其他通道前32位要相對固定的原因。將接收方的接收通道地址是和發(fā)送方的通道0地址設(shè)成一樣，接收通道接收到屬于自己的數(shù)據(jù)后，就會以自己的地址作為應(yīng)答訊號的接收地址，自動發(fā)送應(yīng)答訊號給對方的通道0。在本系統(tǒng)中，當主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過改寫通道0的地址使其與要接收數(shù)據(jù)的從機的通道0地址相同，才能成功發(fā)送數(shù)據(jù)并接受應(yīng)答訊號；當主機向從機接收數(shù)據(jù)時，主機通道0～5的地址分別對應(yīng)于從機1～6的通道0地址，才能成功接收數(shù)據(jù)并發(fā)送應(yīng)答訊號。主機與從機通訊示意圖如圖2所示。

圖2 主機與從機間的通訊示意圖

2 傳感器節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

在該版溫度測量系統(tǒng)設(shè)計方案中，傳感器節(jié)點由MSP430G2553主控芯片、nRF24L01無線模塊、DS18B20溫度傳感器以及供電單元組成，如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點的主控芯片采用低功耗單片機MSP430G2553，運行模式下功耗為220 μA，休眠模式下功耗僅為0.5 μA。MSP430G2553主要有16 KB FLASH，512 KB RAM等高性能模塊，還有8路10位ADC，2個16位定時器、看門狗定時器，以及16個可編程I/O引腳內(nèi)嵌UART、SPI、IIC接口。溫度傳感器采用美國DALLAS公司1-Wire總線技術(shù)的DS18B20，跟主控芯片只需要一個I/O連接便能雙向通訊，支持-55～125 ℃的測量范圍，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等優(yōu)點。無線傳輸模塊采用廉價的nRF24L01，跟主控芯片通過SPI接口進行通訊，編程簡單，使用方便。

2.2 軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點每隔1 h會接收到數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)來的命令對溫度進行采集并通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元。傳感器節(jié)點的功耗主要是無線模塊，而無線模塊平時都處于待機模式，功耗極低，這樣就保證了傳感器節(jié)點采用電池供電也能長時間工作。另外，MSP430G2553的A/D模塊還能對供電單元的電壓進行監(jiān)測，當電壓過低時，傳感器節(jié)點將向數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)出報警信息并停止工作。傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點的軟件流程圖

3 數(shù)據(jù)匯總單元設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)匯總單元由控芯片、nRF24L01無線模塊、時鐘模塊、GSM模塊以及供電組成，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)匯總單元

數(shù)據(jù)匯總單元的主控芯片和nRF24L01無線模塊跟傳感器節(jié)點一樣。時鐘模塊采用低功耗實時時鐘芯片DS1302，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能，跟單片機采用三線接口進行同步通信。GSM模塊采用新款緊湊型產(chǎn)品SIM900A，依靠商業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行遠距離的信息傳輸，跟主控芯片采用UART通信，操作簡單，使用方便。

3.2 軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)匯總單元是整個系統(tǒng)的核心，主要有以下功能：(1)GSM模塊接收巡檢員發(fā)來的特定格式的手機短信并做出相應(yīng)動作，如改變接收報警短信的目標手機號碼以及獲得一整天溫度信息的時間等；(2)當傳感器節(jié)點或本身供電電壓不足時，發(fā)出報警短信；(3)不斷讀取時鐘信息，并在整點時向傳感器節(jié)點發(fā)出溫度采集命令，然后接受并存儲傳感器節(jié)點發(fā)來的溫度信息，當時間為早上8點時(可以隨意設(shè)定)，將先前24 h的溫度信息通過手機短信發(fā)送到目標手機上，方便巡檢人員制作報表；(4)采集溫度信息時，當發(fā)現(xiàn)某傳感器節(jié)點溫度異常時，會及時向目標手機發(fā)送報警短信。數(shù)據(jù)匯總單元的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 匯總單元的軟件流程圖

4 系統(tǒng)性能評價

4.1 nRF24L01有效通信距離測量

nRF24L01無線模塊的最大有效工作距離決定著本套系統(tǒng)能夠監(jiān)測得到的空間最大范圍。在實驗室分別對本系統(tǒng)中6個傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)匯總單元的nRF24L01無線模塊穩(wěn)定通信的有效距離進行測量，測得的結(jié)果如表1所示。

表1 nRF24L01有效通信距離 m

從表1可以看出，nRF24L01無線模塊最小的有效通信距離超過65 m，也就意味著本套系統(tǒng)能夠監(jiān)測到以數(shù)據(jù)匯總單元為中心，以65 m為半徑的圓的空間范圍。當然nRF24L01無線模塊最大有效通信距離是可以改善的，現(xiàn)有技術(shù)能使最大通信距離達到1 km以上。

4.2 系統(tǒng)功耗分析

傳感器節(jié)點采用3.3 V供電，工作狀態(tài)有2個，狀態(tài)1：只有單片機在工作；狀態(tài)2：傳感器接收到數(shù)據(jù)匯總單元的命令對溫度進行采集，DS18B20溫度傳感器和nRF24L01無線模塊也在工作。采用U1252B分別對6個傳感器節(jié)點2個狀態(tài)下的功耗進行多次測量，測得的平均功耗見表2。

表2 傳感器節(jié)點功耗測量結(jié)果 mA

傳感器節(jié)點大部分時間都處于狀態(tài)1，只有接收到數(shù)據(jù)匯總單元的溫度采集命令才會進入狀態(tài)2中，即每小時進入狀態(tài)2的時間約5 s，其余時間都處于狀態(tài)1。故采用3.3 V 3 A·h(1 A·h=3.6 kC)鋰電池供電可以持續(xù)工作超過240天，即8個月。

數(shù)據(jù)匯總單元采用3.7V供電，工作狀態(tài)有3個，狀態(tài)1：nRF24L01無線模塊和GSM模塊都處于休閑狀態(tài)；狀態(tài)2：僅GSM模塊處于休閑狀態(tài)；狀態(tài)3：僅nRF24L01無線模塊處于休閑狀態(tài)。采用U1252B分別對數(shù)據(jù)匯總單元3個狀態(tài)下的功耗進行多次測量，3個狀態(tài)下平均功耗分別為0.95 mA、14.20 mA、25.40 mA。正常情況下，根據(jù)程序可算得，一天中狀態(tài)2大概12 min，狀態(tài)3大概5 min，其余時間都處于狀態(tài)1。故采用3.7 V 3 A·h鋰電池供電可以持續(xù)工作超過108天。

4.3 系統(tǒng)運行結(jié)果

為測試系統(tǒng)性能，利用6個水泥電阻模擬開關(guān)柜接頭，調(diào)節(jié)水泥電阻兩端電壓的PWM可以改變水泥電阻的溫度。溫度傳感器DS18B20經(jīng)校準后，其測量溫度跟溫度計實測溫度對比，測量誤差都在1℃以內(nèi)，部分測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 溫度測試結(jié)果 ℃

本系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是能在設(shè)定手機上顯示早前一整天的每隔一小時采集的溫度，并且在接頭溫度有異常時會受到報警短信，最終效果見圖7。

圖7中，左圖是全天溫度信息短信，右圖是溫度異常報警短信。全天溫度信息短信以采集溫度時的日期開頭，如本圖中的2014/05/22 早上8點2分收到短信的，也就是說這條短信中記錄的溫度信息是21日早上9點到22日早上8點每隔1 h的溫度信息，第一排就是21日早上9點的溫度信息，依次類推，”[]”里面6個溫度分別對應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)6個接頭的溫度。溫度異常報警短信中，明顯能看出在22日早上10點測量溫度時發(fā)現(xiàn)3號接頭溫度達到69.7 ℃，超過了正常溫度閥值60 ℃，故發(fā)出了報警短信，測試結(jié)果表明系統(tǒng)達到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過軟硬件的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了對電氣設(shè)備溫度的連續(xù)、準確、智能的測量，主要具有以下2個優(yōu)點：(1)系統(tǒng)能夠定時測量溫度并將溫度信息通過手機短信傳送給巡檢員，方便巡檢人員制作報表，大大提高工作效率，同時，被測設(shè)備溫度異常時能及時發(fā)出報警信息，有效地避免了因溫度過高而導(dǎo)致的電力故障；(2)系統(tǒng)內(nèi)部采用廉價的nRF24L01無線模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，降低了系統(tǒng)成本，并且傳感器節(jié)點上的nRF24L01無線模塊通道1～5還可以用來擴展網(wǎng)絡(luò)，靈活性好。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)監(jiān)測范圍廣，功耗小，準確度高，且擴展性好，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 王武禮,楊華. 基于SHT11的糧倉溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計. 儀表技術(shù)與傳感器,2010(9):50-51，59.

[2] 滕志軍,李國強,何鑫,等. 基于ZigBee的高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng). 電測與儀表, 2014(1):85-88.

[3] 周為,朱強,徐敏捷,等. 高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭的紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)研制. 電測與儀表, 2013(12):96-99.

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[6] 王翥,郝曉強,魏德寶. 基于WSN和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng). 儀表技術(shù)與傳感器,2010(1):48-49;52.

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《管道技術(shù)與設(shè)備》雜志

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Temperature Online-monitoring System for Electrical Equipment

LI Jing1，LI Du1，XU Song-zhi2

(1. Hunan Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower, Changsha 410131, China;2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410012, China)

An temperature online-monitoring system which takes wireless sensor network as the core, sensor technology as the base was developed for electricity interruption caused by abnormal temperature rising of high voltage electrical equipment. The system included six sensor nodes and a data aggregation unit, and sensor node was responsible for measuring temperature and then the value of temperature was sent to data aggregation unit through WSN. The data aggregation unit was responsible for sending the data to inspector and sending warning messages when the power supply voltage was insufficient or the temperature of the high voltage electrical equipment was abnormal. Test results show that the effective communication distance of wireless sensor network is extensive, the power consumption of the system is low and the measuring data is accurate and reliable. The system is suitable for monitoring the temperature of power system.

electrical equipment; temperature online monitoring; sensor technology; WSN; GSM

2014-10-19 收修改稿日期：2015-03-14

TM93

A

1002-1841(2015)08-0065-03

李靖(1983—)，講師，本科，主要從事教學(xué)和電子通訊、圖像處理方面的研究。E-mail:38234948@qq.com 李杜(1983—)，講師，本科，主要從事教學(xué)和電子通訊、信號處理等方面的研究。E-mail:26452905@qq.com