基于PLC和傳感器的高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測研究

摘 要：為實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定性高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于傳感器的高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求將系統(tǒng)整體框架分為溫濕度采集器、集中器、客戶端、上位機(jī)4個(gè)部分，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了高壓微機(jī)溫度傳感器和濕度傳感器，對(duì)所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器和系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證測試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器在溫度為20～100 ℃時(shí)，具有良好的溫度敏感特性，可快速響應(yīng)溫度變化；所設(shè)計(jì)的濕度傳感器對(duì)濕度的敏感性良好，靈敏度為0.647，線性度R 2 為0.952，可快速響應(yīng)濕度變化。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；濕度傳感器；高壓微機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP212.9；TQ016.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）11-0053-04

Research on high voltage microcomputer real timemonitoring based on PLC and sensors

PAN Minghao，DONG Jianwu

（Wuhan Steel（Wuhan）Tin Plate Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

Abstract：In order to achieve low power consumption and high stability remote monitoring of high voltage comput?ers，a high voltage microcomputer remote monitoring system based on sensors was designed and implemented withtemperature and humidity as the monitoring objectives. According to the system requirements，the overall frame?work of the system is divided into four parts：temperature and humidity collector，concentrator，cclient and host com?puter，the system hardware selection and software design are carried out，the high-voltage microcomputer tempera?ture sensor and humidity sensor are designed，and the designed temperature and humidity sensor and system areverified and tested. The results showed that the designed temperature sensor had good temperature sensitivity andrepeatability at temperatures ranging from 20 ℃ to 100 ℃，with a resolution of 0.5 ℃，and could quickly respond totemperature changes.The designed humidity sensor had good sensitivity to humidity，with a sensitivity of 0.647 anda linearity of R 2 =0.952，which can quickly respond to humidity changes.

Key words：temperature sensor；humidity sensor；high voltage microcomputer；remote monitoring

高壓微機(jī)是一種電光礦用保護(hù)設(shè)備，具有選擇性漏電保護(hù)和漏電閉鎖保護(hù)功能，適用于煤礦等含有爆炸性危險(xiǎn)氣體的工作環(huán)境，可有效保護(hù)礦用設(shè)備。因此，有必要對(duì)高壓微機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

目前，遠(yuǎn)程監(jiān)測方案主要包括基于深度學(xué)習(xí)的遠(yuǎn)程和基于傳感器的遠(yuǎn)程檢測，如基于長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM），依托某 660 MW 機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了重型柴油車遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測 [1] ；基于STM32設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集周邊環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高穩(wěn)定性的遠(yuǎn)程監(jiān)控 [2] ；針對(duì)區(qū)域內(nèi)多口鉆井雙側(cè)向測井儀檢測數(shù)據(jù)無法及時(shí)聯(lián)合反演的問題，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的雙側(cè)向測井儀遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) [3] 。因此，本研究基于傳感器設(shè)計(jì)高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

同時(shí)結(jié)合高壓微機(jī)對(duì)環(huán)境溫濕度的嚴(yán)格要求，以溫度和濕度為監(jiān)測目標(biāo)，通過設(shè)計(jì)溫度傳感器和濕度傳感器采集精確的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)娇蛻舳诉M(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了高壓微機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體框架

本研究的目的是實(shí)現(xiàn)高壓微機(jī)低功耗、高穩(wěn)定性遠(yuǎn)程監(jiān)測。高壓微機(jī)中，對(duì)環(huán)境的溫度和濕度范圍具有嚴(yán)格要求，規(guī)定溫度為20～40 ℃，相對(duì)濕度為40%～70% [4-5] 。因此，遠(yuǎn)程監(jiān)控高壓微機(jī)溫濕度，可實(shí)現(xiàn)高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)上述分析，研究以溫濕度監(jiān)測為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于傳感器的高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)包括溫濕度采集器、集中器、客戶端、上位機(jī)4個(gè)部分。其中，溫濕度采集器負(fù)責(zé)采集高壓微機(jī)環(huán)境溫濕度值并通過無線傳輸方式傳輸?shù)郊衅?；集中器?fù)責(zé)接收采集到的溫濕度值，并通過有線傳輸方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；上位機(jī)負(fù)責(zé)接收和顯示集中器傳輸數(shù)據(jù)，并利用局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳耍豢蛻舳素?fù)責(zé)向用戶展示數(shù)據(jù) [6-8] 。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 1 硬件選型

本系統(tǒng)選用具有低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸優(yōu)勢的Si4432搭建無線組網(wǎng)模塊，選用PIC24FJ64GA004芯片作為微控制單元，選用Silicon Laboratories系列作為無線射頻收發(fā)器件，并通過SPI總線實(shí)現(xiàn)通信 [9-11] 。

考慮到無線組網(wǎng)模塊中，傳感器采集器采集的數(shù)據(jù)精確性對(duì)高壓微機(jī)監(jiān)測性能具有重要影響。因此，為采集到更精確的溫濕度數(shù)據(jù)，研究分別設(shè)計(jì)了一種溫度傳感器和濕度傳感器。

2. 1. 1 溫度傳感器設(shè)計(jì)

（1）材料與設(shè)備：本研究選用表1和表2所示材料與設(shè)備制備溫度傳感器。

（2）制備工藝流程：①柔性基底。先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗燒杯等器皿以及聚酰亞胺（PI）薄膜，然后將薄膜放入紫外線固化儀中照射20min [12] 。②電極制備。將固化后的PI薄膜貼在玻璃板上放置于絲網(wǎng)印刷臺(tái)，使用導(dǎo)電銀膠印刷電極后，放置于加熱臺(tái)進(jìn)行烘干。③感溫薄膜制備。取100 mg石墨烯/碳納米導(dǎo)管電漿放入燒杯中，并添加 50 ml 超純水，利用超聲分散儀分散20 min并在室溫條件下磁力攪拌1 h。然后將噴筆在去離子水中超聲清洗30 min，并連接噴筆和高純氮?dú)?，再向噴筆背后總加入無水乙醇，徹底清洗噴筆。最后固定噴筆口和柔性基底距離為 15 cm，將足量石墨烯/碳納米管溶液注入噴筆中，以小流量噴出，使溶液沉積在基底上，形成薄膜電阻 [13-14] 。④退火。將噴涂后的器件放置于加熱臺(tái)以60 ℃溫度烘干1 h，再在管式爐中以170 ℃恒溫進(jìn)行退火，為放置薄膜氧化，在管式爐中通入氮?dú)狻＂莘庋b。為保證薄膜不被氧化，采用PI膠帶進(jìn)行封裝 [15] 。

2. 1. 2 濕度傳感器設(shè)計(jì)

（1）材料與設(shè)備：本研究選用表1和表2所示材料與設(shè)備制備濕度傳感器；

（2）制備工藝流程：①聚酰胺酸旋涂。先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗燒杯等器皿，并在固含量18%的聚酰胺酸中加入甲基吡咯烷酮稀釋至固含量為115%的聚酰胺酸溶液。在玻璃片中心倒入適量聚酰胺酸溶液，并將玻璃板置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)，啟動(dòng)勻膠機(jī)旋涂。旋涂時(shí)前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)時(shí)長分別為6、20 s，轉(zhuǎn)速分別為300、3 000 r/min [16-17] 。②PI薄膜制備。將旋涂后的玻璃片放入退火爐中，以240 ℃溫度熱處理30 min，得到PI薄膜。③將覆有PI薄膜的玻璃片放入盛滿純水的玻璃培養(yǎng)皿中，并置于加熱臺(tái)，以60 ℃溫度浸泡30 min，揭下PI薄膜 [18] 。④氧化石墨烯噴涂。將PI薄膜使用噴筆噴涂氧化石墨烯（GO）溶液，噴涂時(shí)長分別為5、10、15 min。⑤電極制備。將 PI 薄膜平鋪在絲網(wǎng)印刷臺(tái)上，使用導(dǎo)電銀膠印刷電極，再在加熱臺(tái)上進(jìn)行烘干 [19] 。

2. 2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括無線數(shù)據(jù)發(fā)送和無線數(shù)據(jù)接收2個(gè)部分，具體流程如圖2所示。

3 仿真試驗(yàn)

3. 1 傳感器性能測試

3. 1. 1 溫度傳感器性能測試

為檢驗(yàn)本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的溫度傳感器性能，研究基于HI-H-40恒溫實(shí)驗(yàn)箱和AT281X的LCR測試儀，搭建了測試平臺(tái)，并分析了溫度傳感器的溫度敏感特性、分辨力、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù)性 [20] 。

（1）溫度敏感特性分析：將溫度傳感器放置于恒溫箱中并將起始溫度設(shè)置在-40 ℃，并使用LCR測試儀檢測傳感器實(shí)時(shí)電阻并記錄。然后以2 ℃/min的速度對(duì)恒溫箱進(jìn)行升溫至120 ℃，并間隔10 ℃記錄一次傳感器電阻值，得到傳感器電阻值隨溫度變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)溫度低于-20 ℃時(shí)，傳感器溫度與電阻呈正相關(guān)，傳感器電阻值隨溫度升高而增大；當(dāng)溫度高于-20 ℃時(shí)，傳感器溫度與電阻呈負(fù)相關(guān)，傳感器電阻值隨溫度升高而減?。划?dāng)溫度介于 20～100 ℃時(shí)，傳感器線性度良好。

由此說明，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器可用于日常溫度測量。

（2）響應(yīng)時(shí)間分析：為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的溫度傳感器是否能對(duì)環(huán)境溫度變化作出快速響應(yīng)，研究對(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測試。設(shè)定恒溫箱溫度為80 ℃，并將室溫下的傳感器放入恒溫箱中，連接LCR測試儀與溫度傳感器，并記錄傳感器電阻變化，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為3、3.6 s。由此說明，所設(shè)計(jì)的溫度傳感器可快速響應(yīng)溫度變化。

3. 1. 2 傳感器濕度性能測試

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的濕度傳感器對(duì)濕度的敏感特性，實(shí)驗(yàn)將濕度傳感器置于氯化鋰飽和鹽溶液中，并觀察不同相對(duì)濕度環(huán)境下濕度傳感器的響應(yīng)度，并通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖5所示。

由圖 5 可知，當(dāng)相對(duì)濕度介于 15%～90% RH范圍內(nèi)，濕度傳感器的靈敏度為 0.647，線性度R 2 =0.952。由此說明，所設(shè)計(jì)的濕度傳感器敏感性良好。

3. 2 系統(tǒng)測試與結(jié)果

首先從采集器和集中器中各選一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并配置節(jié)點(diǎn)參數(shù)為中心載波頻率433MHz，發(fā)射功率20 dbm，發(fā)射速率9.6 kbps。然后，將采集節(jié)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離集中器節(jié)點(diǎn)至100 m，并利用采集節(jié)點(diǎn)向集中節(jié)點(diǎn)發(fā)送1 000個(gè)長度為10 db的數(shù)據(jù)包。當(dāng)集中節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并根據(jù)計(jì)算丟包率。最后，每間隔100 m記錄一次采集節(jié)點(diǎn)與集中節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)和丟包率，測試結(jié)果為：當(dāng)通信距離小于等于900 m時(shí)，系統(tǒng)丟包率為0；當(dāng)通信距離大于1 000 m后，系統(tǒng)丟包率快速增長。

因此，要保證本系統(tǒng)通信質(zhì)量，應(yīng)使節(jié)點(diǎn)間的通信距離不超過1 000 m。

4 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的基于傳感器的高壓微機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過采用自制的溫度傳感器和濕度傳感器采集高壓微機(jī)溫度和濕度，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊將數(shù)據(jù)在客戶端進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)了高壓微機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)通信距離小于1 000 m時(shí)，系統(tǒng)通信質(zhì)量良好，可較好地配合天線，且具有良好的輸出功率。所設(shè)計(jì)的溫度傳感器，在溫度為20～100 ℃時(shí)，具有良好的溫度敏感特性和重復(fù)性，分辨力為0.5 ℃，且可快速響應(yīng)溫度變化；所設(shè)計(jì)的濕度傳感器對(duì)濕度的敏感性良好，靈敏度為0.647，線性度R 2 為0.952，可快速響應(yīng)濕度變化。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 鄧明星，歐陽含笑，錢楓，等. 基于改進(jìn)LSTM的重型柴油車遠(yuǎn)程監(jiān)測NOx濃度缺失數(shù)據(jù)填補(bǔ)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，9（20）：1-14.

[2] 趙宇航，龔元明，王瑤，等. 基于LoRa的垃圾抓斗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2023，61（8）：150-154.

[3] 王永濤，王書純，邵春. 基于NB-IoT的雙側(cè)向測井儀遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（19）：1-5.

[4] 王豐，申屠南瑛，李青. 基于雙互感等值電壓的地下位移三維測量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，33（3）：332-338.

[5] 李曉. 一種新型高精度低功耗的數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（8）：16-18.

[6] 陶佰睿，韓月，田朋博，等. 基于納米材料的無源RFID溫度傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，36（7）：1011-1016.

[7] 楊麗，陳雪，王子涵，等. 基于激光誘導(dǎo)石墨烯的柔性超疏水溫度傳感器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，9（20）：1-11.

[8] 王慶灼，劉家偉，夏江，等. 一種數(shù)字溫度傳感器板卡的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J]. 電子質(zhì)量，2023（8）：97-102.

[9] 劉博，于洋，常偉，等. 基于錯(cuò)位偏移無芯光纖的高靈敏度濕度傳感器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2022（10）：21-26.

[10] 袁剛烈，車愛蘭. 高速公路路基濕度場空間分布快速測試及評(píng)價(jià)方法研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，41（9）：100-107.

[11] 申曉月，鄭來芳，李蕓. 基于FBG模擬溫室環(huán)境的濕度傳感器設(shè)計(jì)[J]. 電子制作，2022，30（20）：57-59.

[12] 吳宇強(qiáng)，董宇欣. 基于紅外光譜的SSA-ELM石墨烯成分含量預(yù)測分析[J]. 粘接，2023，50（4）：114-117.

[13] 黃宜明，丁書聰，梁峻閣，等.TiO 2 /PI復(fù)合薄膜對(duì)濕度傳感器性能的影響[J].傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（8）：49-52.

[14] 霍海林，李雪松，趙金洋，等. 基于LabVIEW的DHT8X型數(shù)字式溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集器的研制[J]. 計(jì)量科學(xué)與技術(shù)，2022，66（7）：7-12.

[15] 尚福瑞，范云飛，郝強(qiáng)，等. 基于深度學(xué)習(xí)的工程作業(yè)智能監(jiān)控技術(shù)的模型優(yōu)化測試[J].粘接，2023，50 （4）：182-186.

[16] 鄧喆，劉卓瑤，孟凡策，等. 基于表面等離子體共振的光纖光柵溫濕度傳感器[J].量子光學(xué)學(xué)報(bào)，2023，29 （3）：79-87.

[17] 俞含琪，孫輝，于斌. 聚電解質(zhì)@PLA熔噴非織造材料柔性濕度傳感器的制備及其傳感性能[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，9（20）：1-9.

[18] 柏淼鑫，金儷陽，李嘉麗，等.基于聚合物微球腔的高靈敏溫度傳感器（特邀）[J].紅外與激光工程，2022，51 （10）：69-75.

[19] 陳健蘭，周雪芳，胡淼，等.一種基于FSI和MZI并聯(lián)組合的光纖溫度傳感器[J].光電子·激光，2022，33 （10）：1024-1030.

[20] 何希然，劉晨旭，張仁輝，等. 一種高精度低功耗溫度傳感器電路[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2022，47（11）：906-914.