無(wú)線測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 萍

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

在電力系統(tǒng)中，高壓開(kāi)關(guān)柜將斷路器、互感器及相關(guān)的控制電器、輔助設(shè)備等組合起來(lái)，封閉在金屬柜內(nèi)，對(duì)供電系統(tǒng)的電能進(jìn)行接受和分配［1］.然而，當(dāng)電路中電流過(guò)大時(shí)，這種封閉式結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致熱量集結(jié)，溫升加劇［2］，若得不到有效散熱，長(zhǎng)期在此環(huán)境下運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失［3-4］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約有40%的電力事故是由開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升異常造成的［4］，因此，需要采取措施監(jiān)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度.

目前，常用的測(cè)溫方法中人工紅外測(cè)溫具有局限性，示溫蠟片不能及時(shí)跟蹤溫度［1］.此外，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境惡劣，測(cè)溫系統(tǒng)需克服大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境干擾.針對(duì)現(xiàn)有測(cè)溫手段的缺陷，設(shè)計(jì)了一種高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫升檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、有效性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常部位，有效避免事故發(fā)生.

1 系統(tǒng)概述

通常溫度采集器安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜需要測(cè)溫的節(jié)點(diǎn)部位，包括開(kāi)斷節(jié)點(diǎn)、母線觸頭及接點(diǎn)等，由6~12個(gè)溫度采集器構(gòu)成1個(gè)測(cè)量集群.每個(gè)測(cè)量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無(wú)線發(fā)射模塊，將采集到的節(jié)點(diǎn)溫度傳輸?shù)絻x表控制終端，通過(guò)RS485通訊接口上傳到上位機(jī).因此，高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分，由溫度傳感器、nRF24L01無(wú)線通信、RS485通信等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.溫度傳感器采集各測(cè)試點(diǎn)溫度，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊nRF24L01將溫度數(shù)據(jù)匯集，實(shí)時(shí)顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、接收和存儲(chǔ)，同時(shí)具有設(shè)備自檢功能，對(duì)超溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)出警報(bào).

圖1 高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量模塊

溫度傳感器采用DS18B20，測(cè)量溫度范圍從-20 ℃ 到120 ℃，通過(guò)主控制器將監(jiān)測(cè)到的溫度值傳輸?shù)絥RF24L01無(wú)線通信模塊. DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量小，程序內(nèi)容較簡(jiǎn)單，因此選擇STM8L051F3P6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸控制.

圖2 DS18B20與STM8接口電路圖

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01［5-12］等.考慮到高壓開(kāi)關(guān)柜高壓、大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊的運(yùn)行環(huán)境，以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術(shù)要求［9］，無(wú)線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進(jìn)行設(shè)計(jì). STM8單片機(jī)與nRF24L01無(wú)線模塊接口電路如圖3所示，二者之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行雙向通信.

圖3 STM8與nRF24L01接口電路圖

2.3 儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)警、無(wú)線通信和RS485通信，如圖1所示.顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏，控制芯片為ILI9341，存儲(chǔ)芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行.

控制終端模塊主要功能包括：（1）12路無(wú)線溫度顯示；（2）報(bào)警溫度限值設(shè)置；（3）記錄最近12次超高溫報(bào)警數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均帶有時(shí)標(biāo)記錄；（4）通訊地址和波特率設(shè)定功能；（5）設(shè)備具有自檢和自動(dòng)恢復(fù)功能；（6）數(shù)據(jù)通訊功能，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)上傳到上一級(jí)采集器或者上傳到后臺(tái).

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集與發(fā)送模塊

程序流程如圖4所示：（1）溫度達(dá)到快速發(fā)送模式（報(bào)警溫度-20 ℃）時(shí)，溫度數(shù)據(jù)30 s發(fā)送一次；（2）溫 度沒(méi)有達(dá)到快速發(fā)送模式時(shí)，30 s進(jìn)行一次溫度采樣，當(dāng)溫升超過(guò)5 ℃時(shí)，才將數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表控制終端.

圖4 溫度采集與發(fā)送模塊程序流程框圖

3.2 控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.（1）無(wú)線模塊接收到采集模塊的溫度數(shù)據(jù)，則進(jìn)行溫度顯示，若溫度達(dá)到設(shè)置的報(bào)警值，則記錄過(guò)溫時(shí)間，繼電器動(dòng)作報(bào)警；（2）控制終端接收到系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)文，則對(duì)儀表端控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；（3）若是接收到溫度查詢報(bào)文，則把溫度值送到儀表控制終端.

圖5 儀表控制端程序流程框圖

4 測(cè)試結(jié)果

由于在系統(tǒng)設(shè)置界面中測(cè)溫點(diǎn)數(shù)設(shè)置為12，因此，實(shí)時(shí)溫度顯示界面對(duì)應(yīng)有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為系統(tǒng)儀表控制終端顯示界面.此外，系統(tǒng)設(shè)置界面還可以對(duì)配對(duì)碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統(tǒng)時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置.設(shè)置溫度報(bào)警值為90 ℃，若實(shí)時(shí)溫度值超過(guò)這一溫度上限時(shí)，將在事件記錄界面記錄此次事件發(fā)生的時(shí)間、溫度值以及持續(xù)時(shí)間.事件記錄界面共有4頁(yè)，可以記錄12次報(bào)警事件，圖6（c）顯示的是其中的第1頁(yè).

圖6 系統(tǒng)顯示界面

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心，無(wú)線模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協(xié)議在主機(jī)和終端設(shè)備之間通訊.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)12路溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)?bào)警溫度限值、通訊地址和波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于最近12次超高溫報(bào)警數(shù)據(jù)，能夠顯示并帶有時(shí)標(biāo)記錄.測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，提高了開(kāi)關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性.