綜合管廊內(nèi)電纜附件無(wú)線紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 朔 ,軒瑩瑩 ,胡 源 ,吳 鵬 ,張 帥 ,邢 琳

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司,石家莊 050071)

綜合管廊是指在道路、廠區(qū)或者景觀地下集中鋪設(shè)電力、燃?xì)?、通信、供水的公共隧?從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、集中建設(shè)和便于管理的功能。綜合管廊的建設(shè)和投運(yùn)極大的節(jié)約了城市用地,實(shí)現(xiàn)了城市地下空間的綜合開發(fā)利用,在土地資源日趨緊張的今天受到了越來(lái)越多的追捧。目前,我國(guó)北京、上海、深圳和青島等城市均開展了地下綜合管廊建設(shè),并預(yù)計(jì)建成一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的地下綜合管廊投入運(yùn)營(yíng),改善城市地面景觀[1-3]。綜合管廊內(nèi)由于管線眾多,起火原因復(fù)雜,包含電氣火災(zāi),檢修過(guò)程中明火引發(fā)的火災(zāi),燃?xì)庖l(fā)的可燃物火災(zāi)等,其中,最主要的是電力電纜火災(zāi)。電纜長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行中,電纜終端或接頭處由于接觸電阻大,溫度升高快,嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)電纜材料的內(nèi)焦、松弛甚至燃燒現(xiàn)象[4]。綜合管廊位于地下,空間相對(duì)狹小,一旦電力電纜發(fā)生火災(zāi),空間內(nèi)熱量迅速集聚,火災(zāi)蔓延趨勢(shì)快。如果電纜燃燒產(chǎn)生的一氧化碳等有毒氣體不能及時(shí)排出,嚴(yán)重影響消防人員對(duì)火災(zāi)進(jìn)行撲救[5-6]。因此,設(shè)計(jì)可靠的電纜附件溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),做好電纜火災(zāi)預(yù)警工作,從源頭上減少電纜火災(zāi)的發(fā)生至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合管廊內(nèi)電纜附件紅外測(cè)溫系統(tǒng)以STM32為開發(fā)平臺(tái),使用TMP007紅外溫度傳感器作為溫度采集裝置,ESP8266 無(wú)線路由器作為信息傳輸裝置。紅外測(cè)溫系統(tǒng)包含溫度采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)管理中心兩部分。紅外測(cè)溫傳感器首先完成溫度數(shù)據(jù)的采集,然后單片機(jī)使用通用的IO 接口與數(shù)字溫度傳感器完成通信,經(jīng)過(guò)協(xié)議幀解析提取有效數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)在單片機(jī)STM32中經(jīng)過(guò)處理和封裝后,傳輸至ESP8266的通信接口,通過(guò)無(wú)線通信方式將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。數(shù)據(jù)管理中心接收到各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)后,通過(guò)RS485總線與服務(wù)器完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互,并對(duì)各節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),顯示和分析。紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 溫度測(cè)量原理

常見的測(cè)溫方式分為接觸式和非接觸式2種。接觸式測(cè)溫方法主要有半導(dǎo)體IC 溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和光纖溫度傳感器,此類方法雖然測(cè)量精度較高,但是絕緣性能差,維護(hù)成本高。非接觸式測(cè)溫方法為紅外測(cè)溫,可以遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)行溫度,具有測(cè)量范圍廣,反應(yīng)速度快,使用靈活的優(yōu)點(diǎn)[7]?？紤]到綜合管廊對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備有較高的絕緣要求,本文采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行電纜附件的溫度測(cè)量。

紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是黑體的熱輻射定律,任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度就會(huì)向外輻射能量,能量強(qiáng)度與物體表面溫度成正比。依據(jù)普朗克定理和玻爾茲曼定理:

式中:ε為物體輻射率;T為物體表面溫度,K;σ=5.67×10-8為玻爾茲曼常數(shù),W/m-2K-4;P(T)為溫度為T時(shí)的總輻射度,W/m-2。

2 硬件設(shè)計(jì)

合適的硬件選擇是建立綜合管廊電力電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ),對(duì)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、反饋的準(zhǔn)確性、使用的節(jié)能性有直接的影響。

2.1 紅外傳感器接口電路設(shè)計(jì)

紅外溫度傳感器TMP007可以完成現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集與轉(zhuǎn)換,并通過(guò)SDA串行數(shù)據(jù)接口發(fā)送數(shù)字溫度信號(hào)。由于傳感器連接線長(zhǎng)度可能大于30 m,為了提高測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性,傳感器TMP007的上拉電阻選用4.7 kΩ。為了保證傳感器供應(yīng)電壓,防止線路分壓過(guò)多造成傳感器電壓不足,盡可能提高傳感器的使用壽命,供電電壓Vcc選用5.0 V。綜合管廊內(nèi)有較強(qiáng)的電磁干擾,為了保證監(jiān)測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確,傳感器電路加上R5和C4組成的抗干擾電路。電阻R5取值350Ω,電容C4取值102 p F,電容C2選用106 pF。接口電路如圖2所示。

圖2 紅外溫度傳感器接口電路

2.2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

由于受到紅外溫度傳感器外殼的體積限制,選用STM32作為該設(shè)計(jì)的主控芯片。STM32是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位微處理器,具有眾多高性能的外設(shè),具有12位的ADC和DAC模塊,尤其適用于高速、大容量的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。STM32利用自身硬件IIC 接口實(shí)現(xiàn)與紅外溫度傳感器的數(shù)據(jù)交互處理,最后通過(guò)SPI接口與ESP8266射頻通信模塊將溫度數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。ESP8266射頻通信模塊的工作頻率為2.4 GHz,能夠滿足常規(guī)短距離無(wú)線通信需求。如果工作環(huán)境的電磁干擾較強(qiáng),可以添加電源濾波電路等提高節(jié)點(diǎn)抗干擾能力,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)管理中心硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中心負(fù)責(zé)接收各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),通過(guò)射頻模塊ESP8266實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理中心與各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互,并通過(guò)RS485工業(yè)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳輸,服務(wù)器對(duì)監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和分析,根據(jù)電纜節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)管理中心包含射頻通信電路和串口通信電路,硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)管理中心硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序采用C 語(yǔ)言編寫,由節(jié)點(diǎn)控制主程序、硬件設(shè)備初始化程序、射頻發(fā)送程序、射頻接收程序、溫度數(shù)據(jù)采集程序、無(wú)線數(shù)據(jù)打包程序等組成。程序中采用中斷完成溫度數(shù)據(jù)讀取、射頻通信數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收等。各硬件初始化后測(cè)溫節(jié)點(diǎn)處于就緒狀態(tài),然后等待溫度數(shù)據(jù)測(cè)量命令,測(cè)量完成后將溫度數(shù)據(jù)打包并無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心,繼續(xù)等待溫度測(cè)量指令。無(wú)線收發(fā)程序利用ESP8266內(nèi)部寄存器,通過(guò)中斷方式識(shí)別收發(fā)完成狀態(tài)。

數(shù)據(jù)管理中心程序主要包括硬件初始化程序、與服務(wù)器和各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互程序。數(shù)據(jù)管理中心首先完成硬件資源初始化工作,然后查詢服務(wù)器指令,當(dāng)收到溫度采集命令后,數(shù)據(jù)管理中心解析轉(zhuǎn)發(fā)采集命令給各節(jié)點(diǎn),同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息封裝轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程示意如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程示意

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件運(yùn)行于服務(wù)器,完成通信設(shè)備選擇、通信參數(shù)設(shè)置和通信模式選擇等。服務(wù)器接收到無(wú)線模塊ESP8266發(fā)送的數(shù)據(jù)包后,使用可靠性高的TCP控制協(xié)議,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,獲得測(cè)溫節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并在visual studio中用C#語(yǔ)言進(jìn)行顯示界面開發(fā),該語(yǔ)言運(yùn)行在微軟的.NET Framework(又稱為“.NET 框架”)平臺(tái)。.NET Framework環(huán)境大大簡(jiǎn)化了客戶端應(yīng)用程序的開發(fā),包含在其中的Windows窗體類為GUI的開發(fā)提供了非常大的便利,用戶可以很方便的創(chuàng)建具有適應(yīng)多變商業(yè)需求的靈活命令窗口、按鈕、菜單、工具和其它屏幕元素,大大加快了GUI的開發(fā)速度。

4 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證無(wú)線紅外測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性,對(duì)無(wú)線紅外測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。通過(guò)保溫箱將被測(cè)物體加熱到不同溫度,被測(cè)物體的直徑為110 mm,系統(tǒng)的測(cè)溫探頭距離被測(cè)物體50 cm。測(cè)量誤差如圖6所示。由圖6可得,當(dāng)被測(cè)物體溫度范圍在60～70℃時(shí),系統(tǒng)測(cè)量精度較高,誤差不超過(guò)0.2 ℃。被測(cè)物體溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)引起測(cè)量誤差的增大,但是系統(tǒng)最大測(cè)量誤差不超過(guò)0.5℃,滿足電纜附件溫度監(jiān)測(cè)要求。

圖6 測(cè)量誤差絕對(duì)值

5 結(jié)論

綜合管廊能夠節(jié)約城市土地資源、美化城市景觀,但由于管廊內(nèi)管線眾多,極易發(fā)生電纜附件溫度過(guò)高而引發(fā)電纜起火的現(xiàn)象。以上針對(duì)上述隱患問(wèn)題,開發(fā)了一種綜合管廊內(nèi)電纜附件無(wú)線紅外測(cè)溫系統(tǒng),該系統(tǒng)以單片機(jī)STM32 為平臺(tái),通過(guò)紅外溫度傳感器TMP007采集電纜終端或中間接頭處溫度,利用低成本串口WiFi模塊ESP8266及RS485總線將各節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至服務(wù)器。本研究?jī)?nèi)容對(duì)綜合管廊中電力電纜的溫度在線監(jiān)測(cè)和火災(zāi)預(yù)防具有重要借鑒意義。