基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

于保柱++賈丹平++趙立民

摘 要：為提高溫度監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率，文中設(shè)計了基于無線通信技術(shù)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該變電站監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合無線通信技術(shù)，采取高性能、低功耗的MSP430F149作為主微處理器芯片，并利用溫度傳感器MAX6675完成K型熱電偶冷端自動補償以及射頻發(fā)射器nRF905芯片來完成無線通信，同時采取LabVIEW軟件完成上位機設(shè)計，從而構(gòu)建了一種由多個傳感器節(jié)點、中心節(jié)點和上位機構(gòu)成的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。通過傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)和無線通信技術(shù)的融合，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，保障變電站設(shè)備的安全運行。

關(guān)鍵詞：無線通信；變電站設(shè)備；溫度監(jiān)測；抗干擾

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于無線通信技術(shù)的重要內(nèi)容，同時也是無線通信技術(shù)不斷發(fā)展的主要趨勢。在實際運行過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以對數(shù)據(jù)信息進行獲取、傳輸及處理，其完善的控制系統(tǒng)提升了自動化技術(shù)水平，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)控制的一體化智能管理[1]。

變電站設(shè)備在使用過程中存在的觸頭老化，物理振動等原因，可能會造成接觸處溫度升高，引起接點處氧化，導(dǎo)致電阻增大，溫度進一步上升，致使變電站設(shè)備故障，影響變電站設(shè)備的正常運行。因此，基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過對變電站設(shè)備的溫度進行實時監(jiān)控，了解變電站設(shè)備的實際使用情況和使用壽命，并對變電站設(shè)備進行智能控制，進而防止變電站設(shè)備發(fā)生故障，為變電站設(shè)備的正常運行提供重要保障[2]。

1 基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

1.1.1 溫度監(jiān)測上位機軟件系統(tǒng)的目的

主要利用計算機技術(shù)對變電站中的高壓母排進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)變電站設(shè)備故障時，其開關(guān)接頭處會產(chǎn)生熱量，系統(tǒng)會在溫度變化異常前發(fā)生警報，并將發(fā)熱信息通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)傳送給用戶，以有效保證變電站設(shè)備的安全運行。

1.1.2 溫度監(jiān)測主要功能

在溫度監(jiān)測方面，計算機可以對被監(jiān)測點進行實時監(jiān)控，掌握被監(jiān)控點的溫度變化，并直接顯示出被監(jiān)測點的準確地址、信號接收狀態(tài)、告警溫度設(shè)置、溫度報警顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表生成，及在一段時間內(nèi)的溫度曲線顯示。

1.1.3 實現(xiàn)方法

每一個變電站配電柜中都要設(shè)置幾個監(jiān)測點，通過無線通信技術(shù)傳送到中轉(zhuǎn)機，再由中轉(zhuǎn)機傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備中，連接電腦，通過上位機軟件進行傳輸數(shù)據(jù)的還原，實現(xiàn)后臺計算機的實時監(jiān)測。其中，下位機的主要作用是對變電站設(shè)備溫度信息進行獲取和傳輸，并根據(jù)預(yù)設(shè)事件進行溫度數(shù)據(jù)的傳輸，進而實現(xiàn)變電站設(shè)備的溫度實時監(jiān)測[3]。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集層功能

采集溫度數(shù)據(jù)，定時發(fā)送。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計框架

根據(jù)變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的使用需求，本文將無線通信監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、管理分析層及系統(tǒng)通信層，其整體框架如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層是由分布在高壓開關(guān)柜、母線接頭、電纜接頭等設(shè)備上的溫度傳感器節(jié)點構(gòu)建，貫穿于整個變電站環(huán)境中，對變電站各設(shè)備的溫度信息進行采集，實現(xiàn)對變電站設(shè)備溫度的實時監(jiān)控。系統(tǒng)通信層主要負責(zé)中心節(jié)點和上位機的實時通信。主控室監(jiān)測計算機利用RS-485總線和多個中心節(jié)點進行通信，并采用主從應(yīng)答的方式完成基本通信功能。管理分析層主要完成數(shù)據(jù)的分析處理工作。主控室監(jiān)測計算機在管理分析層上對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、圖表顯示、打印及智能控制，并具有超限報警功能[4]。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.3.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點部署在變電站內(nèi)各溫度監(jiān)測點上，環(huán)境比較惡劣，電磁干擾嚴重，因此，傳感器節(jié)點要盡可能考慮低功耗設(shè)計和抗干擾設(shè)計。此節(jié)點應(yīng)該在體積上足夠小，以保證對監(jiān)測對象本身特性造成的影響可忽略不計。傳感器節(jié)點的硬件構(gòu)成框架由微處理器單元、無線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元和電源單元構(gòu)成[5]，如圖2所示。溫度傳感器應(yīng)根據(jù)對監(jiān)測對象的監(jiān)測需求選取，測溫范圍為0～500℃，測溫精度±0.5℃能滿足變電站各種設(shè)備對測溫范圍和精度的要求。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）微處理器單元。微處理器單元的主芯片采用 MSP430F149芯片，其電路部分包括與溫度數(shù)據(jù)采集單元的接口、與無線通信單元的接口和與撥碼開關(guān)的接口等。該芯片具有功耗低、空間占有小、處理能力強、性能穩(wěn)定及安全高效的開發(fā)環(huán)境等特點，并且其運行溫度范圍能夠適應(yīng)變電站的工作環(huán)境，適合于開發(fā)低功耗、小型化的遠程智能監(jiān)控終端設(shè)備[6]。

（2）數(shù)據(jù)采集單元。本設(shè)計主要采用了包含K 型熱電偶的MAX6675溫度傳感器來讀取溫度數(shù)據(jù)。MAX6675的測溫范圍為0～1 024 ℃，工作溫度范圍為-20～85 ℃，自帶冷端補償電路，能將 K 型熱電偶的輸出熱電勢轉(zhuǎn)換為12位溫度值，分辨率為0.25 ℃。圖 3 所示為MAX6675與MSP430F149的接口電路。

圖 3 MAX6675與MSP430F149的接口電路

（3）無線通信單元。該單元采用單片射頻收發(fā)器芯片nRF905，其電路部分主要包括MSP430F149接口電路、晶振電路天線部分電路[7]。

（4）電源單元。電源單元采用TPS60100芯片，通過鋰電池供電，提供3.3 V電壓。

1.3.2 中心節(jié)點硬件設(shè)計

中心節(jié)點硬件設(shè)計要通過無線通信單元匯聚傳感器節(jié)點采集溫度信號；將采集到的溫度信號進行分析處理，并嵌入到RS 485總線上，等待主控計算機采集；將節(jié)點地址、節(jié)點參數(shù)以及溫度采集節(jié)點上報的溫度數(shù)據(jù)進行存儲，以防丟失。

根據(jù)中心節(jié)點電路要實現(xiàn)的功能，將中心節(jié)點的硬件組成框架按圖4設(shè)計，由微處理單元、無線通信單元、串行通信單元、存儲單元等組成。

圖4 中心節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）串行通信單元。該單元設(shè)計了標準的 RS-485 總線接口，一方面將中心節(jié)點處理好的溫度數(shù)據(jù)傳輸給主控計算機；另一方面根據(jù)主控計算機的控制命令對模塊進行控制。

（2）存儲單元。為防止中心節(jié)點掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計時加入了存儲單元，主要存儲溫度數(shù)據(jù)、節(jié)點地址和節(jié)點的基本配置信息。而這些信息都是中心節(jié)點與監(jiān)測計算機通信的憑證。

（3）電源單元。微處理單元和無線通信單元的供電電壓為3.3 V，串行通信單元和存儲單元的供電電壓為5 V。因此，本模塊使用了2個電源芯片LM2575和LM1117-3.3，分別提供5 V和3.3 V電壓。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

射頻發(fā)射端與射頻接收端的軟件設(shè)計采用編程開發(fā)工具IAR for MSP430。上位機軟件采用LabVIEW軟件編寫，該軟件所提供的各種模塊化、圖形化的函數(shù)能安全高效地實現(xiàn)所需功能。

上位機接收端流程和發(fā)射端流程分別如圖5和圖6所示。系統(tǒng)開始工作時，首先執(zhí)行初始化程序，包括系統(tǒng)時鐘初始化、中斷初始化、芯片GPIO管腳初始化、串口初始化、SPI口初始化、射頻模塊初始化、定時器初始化。與PC機相連的射頻接收端轉(zhuǎn)化為發(fā)送模式，發(fā)出查詢命令，循環(huán)訪問4個測溫終端，4個測溫終端此時處于接收等待狀態(tài)，只有當測溫終端接收到通信地址與本測溫終端的硬件地址一致，且 CRC校驗正確時，測溫終端才開始測溫，并發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后進入掉電模式。若無線收發(fā)模塊開啟了自動應(yīng)答功能，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)或命令后，收到接收方的確認信號（ACK信號）后才表示發(fā)送成功，否則將再次發(fā)送信號。與PC機相連的射頻接收端成功發(fā)出命令后，轉(zhuǎn)為接收模式，接收4個測溫終端的數(shù)據(jù)包，最后將溫度數(shù)據(jù)通過RS 232串口上傳給PC機，判斷溫度是否超限，并實時顯示在屏幕上并儲存。

上位機軟件設(shè)計運用LabVIEW的函數(shù)模塊直接調(diào)用各函數(shù)模塊搭建所需的功能程序，所用語言俗稱“G 語言”，即圖像語言。該軟件設(shè)計包括串口初始化、串口寫命令、串口中斷、數(shù)據(jù)幀頭判斷子VI、溫度變換和顯示子VI、數(shù)據(jù)保存。圖 7所示為上位機監(jiān)控程序。

圖5 上位機接收端程序流程圖

圖6 發(fā)送端程序流程圖

2 基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電源管理

在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，如果斷電，系統(tǒng)會立即停止工作，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常使用。因此，對各溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行安全高效的電源管理是變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（1）電池選擇。電池是各數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主要電能提供者，所以要盡量選擇能量高、壽命相對較長的電池。

（2）硬件低功耗設(shè)計。除了選擇高效的電池外，還要進行硬件的低功耗設(shè)計。選擇具有低電壓、低功耗的處理器芯片，如MSP430F149芯片。該芯片主要適用于無線微型產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件設(shè)施對低功耗的要求。

（3）軟件低功耗設(shè)計。軟件低功耗設(shè)計主要通過MSP430F149的活動模式與低耗模式對系統(tǒng)資源進行有效的開發(fā)與利用，進而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的低功耗。在進行軟件低功耗設(shè)計的過程中，要嚴格控制節(jié)點模塊的供電，即只在工作期間供電，其余時間關(guān)閉模塊節(jié)點，需要時再重新啟動[8]。

圖7 上位機監(jiān)控程序

2.2 抗干擾技術(shù)

傳感器節(jié)點與中心節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集的過程中經(jīng)常會受到干擾，根據(jù)性質(zhì)分為內(nèi)部干擾與外部干擾。內(nèi)部干擾主要是系統(tǒng)內(nèi)部包含的電子電路形成的互相干擾；外部干擾則為外界干擾元素進入系統(tǒng)內(nèi)部而形成的干擾，其中影響最為頻繁的就是電磁干擾。因此，為保證溫度信息數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，要及時排除系統(tǒng)內(nèi)外部干擾，提高變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的運行效率和質(zhì)量。在設(shè)計數(shù)據(jù)節(jié)點的過程中，為減小和抑制干擾，把干擾問題納入系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃中，從系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計入手，提高變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.3 通信協(xié)議

變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的通信協(xié)議主要包括CSMA與TDMA。CSMA通信屬于爭用型介質(zhì)訪問控制協(xié)議，主要依托于ALOHA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，更傾向于介質(zhì)利用率的開發(fā)。在實際應(yīng)用中，發(fā)送數(shù)據(jù)之前會對大氣中同頻率載波進行檢測，若存在這種載波，CSMA不會發(fā)送數(shù)據(jù)，只有不存在同頻率載波的情況下才會進行數(shù)據(jù)傳輸。其發(fā)送原理相對比較簡單，技術(shù)上有較大優(yōu)勢，適合在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用[9]。對于TDMA來說，主要是一種時間分割信道協(xié)議，在傳送數(shù)據(jù)的過程中，在每個時幀內(nèi)的節(jié)點上設(shè)置時隙，每個時隙在特定時域中不會發(fā)生重疊現(xiàn)象，各節(jié)點在各自的時隙中不會使信號混亂。因此，TDMA通信協(xié)議更加重視通信質(zhì)量，系統(tǒng)容量也相對較大，在實際運行中可有效降低電池能耗。

3 基于無線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

可采取如下硬件抗干擾措施：

（1）提高印刷板工藝。在采用印刷工藝進行硬件抗干擾過程中，通過合理布線，加粗電源線，使電源線和地線方向與數(shù)據(jù)傳輸方向保持統(tǒng)一，及接地方式等抑制內(nèi)外界信號干擾。印刷電路板上的各器件滿足干擾小、散熱快等要求，同時印刷電路板的各個線路互相遠離，可防止互相干擾的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）利用金屬屏蔽。空心密封金屬屏蔽體縱使在電場環(huán)境中，屏蔽體內(nèi)的電場也可以不受外部電場的影響，始終保持電場強度為0。因此，可利用這一抗干擾原理，在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)各數(shù)據(jù)節(jié)點的外部放置金屬屏蔽體，金屬屏蔽體表面接地，達到抗干擾的目的。

3.2 軟件抗干擾措施

內(nèi)部干擾的頻譜一般較寬，除要采用硬件抗干擾措施外，還要在軟件方面建立抗干擾系統(tǒng)，保證變電站設(shè)備的正常運行。在程序中，為減少中斷源，一般是在對應(yīng)的中斷服務(wù)地址入口處設(shè)置軟件陷阱，使其跳轉(zhuǎn)到程序入口，同時使用看門狗軟件抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。將重要的數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)內(nèi)部存儲模塊中，避免內(nèi)部干擾導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)丟失。同時在通信過程中設(shè)置了CRC檢驗，以保證通信信息的準確性和可靠性[10]。

4 實驗結(jié)果分析

本文進行了兩方面的實驗測試工作。一是系統(tǒng)傳感器測溫精度測試；二是系統(tǒng)功能測試。

4.1 傳感器測溫精度測試

將MAX6675熱電偶溫度傳感器置于可控的恒溫箱內(nèi)，其中標準溫度采用水銀溫度計，在上位機上讀取傳感器的測量溫度。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表1所列。由實驗數(shù)據(jù)可知，誤差在± 0.5℃以內(nèi)則符合設(shè)計目標。標準值和測量值的分布圖如圖8所示。

系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯的原因主要是由感溫探頭的導(dǎo)熱能力和物理硬件現(xiàn)場安裝時不可避免產(chǎn)生的誤差引起的。如果探頭的導(dǎo)熱性能良好，其響應(yīng)溫度變化的速度就會加快，遲滯程度就會減小，同時信號調(diào)理電路性能的好壞也會影響測量精度。

4.2 系統(tǒng)功能測試

4.2.1 傳感器設(shè)置測試

在傳感器安裝前，按系統(tǒng)配置表在監(jiān)測主機中設(shè)置傳感器ID。然后分別使用電吹風(fēng)對傳感器逐個吹熱風(fēng)測試，檢查監(jiān)測主機顯示的溫度變化。實驗結(jié)果見表2所列。

4.2.2 報警輸出功能測試

設(shè)定溫度報警值為65℃，達到設(shè)定值時，裝置即發(fā)出報警信號，溫度下降后，報警復(fù)歸[11]。檢查測溫主機、監(jiān)控電腦聲光信號及報文是否正常。實驗結(jié)果見表3所列。

5 結(jié) 語

本文針對變電站設(shè)備溫度監(jiān)測中的實際問題，提出一種基于無線通信的變電設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過實驗驗證了該設(shè)計可以對變電設(shè)備發(fā)熱部位的溫度進行實時有效的監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果來看，該系統(tǒng)可靠性高，抗干擾性強，功耗小，移動性強，成本低，可廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的多點無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)中。

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