基于LabVIEW高壓線路測溫系統的設計

牛 鑫，崔宗超，房澤平

(1.濟源職業技術學院電氣工程系，河南濟源 459000;2.中原工學院電子信息學院，河南鄭州 450007)

0 引言

溫度是電力系統中一個重要的參數，因高壓線路長期經受用電負荷、日曬雨淋、冷熱變化等外部因素作用，會導致高壓線路溫度發生異常變化，溫度的異常升高不僅會使系統的性能下降而且可能導致電力系統設備的損壞，從而影響電力系統的正常工作。高壓線路的溫度有線監測方式由于受電磁干擾、信號衰減、布線不便等多種因素限制，并且隨著無線傳感器網絡技術的快速發展，其取代有線監測方式的趨勢毋庸置疑［1］。因此，為實時監測被測區域高壓線路的溫度信息，及時消除安全隱患，同時減少傳統的人工巡檢方式帶來的繁重的勞動量，本文設計了一套可實現高壓線路溫度測量的無線傳感器網絡(WSN)系統。該系統采用基于圖形化編程軟件LabVIEW開發的監控軟件，實現對高壓線路溫度數據的測量、無線傳輸、處理和運行狀態分析等功能。

1 高壓線路溫度測量系統

系統主要由溫度測量傳感器節點、GPRS無線收發模塊、Sink節點和計算機(LabVIEW)等組成，傳感器節點安裝在被測區域的高壓線路上。Sink節點具有與傳感器節點無線通信的無線收發模塊和GPRS模塊，Sink節點安裝在就近區域的高壓線路鐵架上，如圖1所示。傳感器節點對溫度信號進行采集、調理和轉換，然后通過傳感器節點的無線收發模塊傳輸至Sink節點，再由GPRS模塊收發后通過RS－232串口將數據送至計算機，并通過計算機運行的LabVIEW軟件進行顯示、處理和分析溫度數據。該系統集計算機、無線傳感器網絡、虛擬儀器技術、無線通信技術、強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件于一體，建立靈活且以計算機為基礎的無線測量及監視系統。

2 無線測溫節點

無線測溫節點由溫度測量模塊、MSP430單片機和無線收發模塊組成，如圖2所示。溫度測量采用數字式集成溫度傳感器DS18B20，利用MSP430單片機進行溫度信息的采集和處理，處理后的高壓線路溫度信息經無線收發模塊傳輸，無線收發模塊采用nRF2401芯片。該節點實現溫度測量及無線傳輸，其溫度測量模塊電路簡單，MSP430單片機具有低功耗的優點，采用電池就能滿足供電需求。

圖1 無線傳感器網絡測溫系統

圖2 無線測溫節點

2.1 測溫模塊

該模塊采用DALLAS公司的數字式溫度傳感器DS18B20，它具有功耗低、高性能、抗干擾能力強、1－Wire單總線制等優點，廣泛應用于測量溫度的系統。溫度測量范圍為－55～125℃，具有可編程的溫度轉換分辨率，可根據應用需要在9～12 bit選取，可以滿足對高壓線路溫度測量的范圍和精度要求。由于DS18B20采用單總線結構，因此，與CPU的接口僅需要兩個雙向I/O引腳(分別對單線進行讀和寫的操作)和一個外部上拉電阻;供電電壓范圍是3.3～5 V，適合用于低功耗微處理器;在750 ms以內將溫度轉換為數字值。DS18B20與MSP430F123的接口如圖3所示，由于DS18B20采用1－Wire單總線形式，通過該總線對DS18B20進行讀寫操作，因此，利用74LVC244作為輸入/輸出緩沖接口。P2.5通過74LVC244的17引腳和3引腳對DS18B20進行寫操作;P1.3通過74LVC244的18引腳和2引腳對DS18B20進行讀操作［2］。

圖3 DS18B20與MSP430F123的接口電路圖

2.2 無線收發模塊

無線收發模塊主要包括MSP430F123和nRF2401，如圖4所示。系統采用電池供電，為滿足低功耗設計要求，無線測溫節點的無線收發模塊采用諾迪克(NORDIC)公司的單片射頻收發芯片nRF2401。nRF2401工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。在以－5 dBm的功率發射時，工作電流只有10.5 mA;接收時，工作電流只有18 mA;具有收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式，多種功耗工作模式適合節能設計的需要。nRF2401支持多點通信，最高傳輸速率達2 Mbit/s，數據傳輸可靠性高，DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據，為無線傳感器網絡系統高速大量數據通信提供了技術基礎。

3 Sink節點

圖4 nRF2401與MSP430F123的接口電路圖

Sink節點是溫度測量節點與編程軟件LabVIEW之間信息交換的特殊節點。無線測溫節點測得的溫度數據通過無線收發模塊傳輸至Sink節點后，再經由Sink節點的GPRS模塊將溫度數據傳輸至計算機，由LabVIEW進行接收處理。Sink節點可以將接收的溫度值上傳至計算機，同時也將計算機的命令下傳輸至各個溫度測量節點，如圖5所示。單片機通過該節點來獲取溫度值，再由LabVIEW完成對高壓線路溫度的處理、設置特定功能及無線傳感器網絡組建等［3－4］。

4 GPRS模塊

圖5 Sink節點

GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的簡稱，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端、廣域的無線IP連接。GPRS網絡具有覆蓋面廣、可靠性高、收費低廉等特點，可以廣泛用于遠程數據傳輸的系統［5］。

參照圖1和圖5，GPRS模塊完成Sink節點數據經GPRS無線通信網傳輸至監測計算機(Labview)的功能。GPRS模塊與計算機之間采用RS－232串行接口。系統中使用的GPRS模塊為SIM300C，SIM300C模塊內部集成了GSM控制器、TCP/IP協議，同時提供了2個串口等。該模塊提供GSM語音、短消息和GPRS上網等業務，具有標準AT命令接口，支持RS－232異步串行通信，啟動默認設置是: 19 200 b/s，1位起始位，8位數據位，無校驗位，1位停止位。

5 基于LabVIEW的WSN監控軟件

該監控軟件采用NI公司的LabVIEW7.0編制實現，該軟件具有豐富的模塊庫，可以方便地組成需要的虛擬面板，還可以方便地進行修改。與傳統程序設計語言不同，LabVIEW采用了強大的圖形化語言編程，編程非常方便，適合于測試工程師而非專業程序員，人機交互界面友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力，適合設計開發復雜的測控系統監控軟件。

5.1 監控軟件組成

該軟件主要包括VISA串行通信配置、數據采集命令、溫度數據接收與解析處理、數據保存EXCEL與報警處理模塊等［6］，其軟件結構框圖如圖6所示。主要模塊的功能設置如下:

1)溫度數據保存:保存監測區域各個節點的高壓線路溫度數據及記錄時間，實時顯示溫度數據是否正常，并轉成電子表格格式保存為EXCEL文件;

2)VISA配置模塊:設置系統的通信信息，如串口號、接收數據個數和通信超時等;

3)采集控制模塊:選擇被測節點。

圖6 軟件結構框圖

5.2 監控軟件運行結果界面

根據要求，可以通過節點選擇按鈕選擇被監測的節點，可以實時顯示被監控節點的溫度數據，且被監測節點的溫度數據保存至Excel文件中，Excel文件由用戶指定，如圖7所示。

圖7 監控軟件運行結果界面

6 結束語

本文采用無線方式傳輸高壓線路溫度數據的采集方式，克服了有線傳輸布線不方便的不足，具有無需布線和不必設置工業現場電源的優點。采用基于LabVIEW編寫的監控軟件實現了對高壓線路溫度數據的實時數字化采集、處理和分析。利用該系統，可以及時地掌握高壓線路的溫度分布，采取恰當的措施，從而避免高壓線路發生故障，保證電網的安全運行。同時該系統采用的無線自動巡檢高壓線路方式取代人工巡檢方式，改進了高壓線路的巡檢工作，減少了巡檢工人的工作量，改善了電力系統工人的工作條件，因而可以被廣泛應用于電力領域。

［1］李軍，卞超，吳珺.電力電纜光纖光柵測溫在線監測系統［J］.江蘇電機工程，2005，24(1):6－8.

［2］王建勛，周青云.基于DS18B20和LabVIEW的溫度監測系統［J］.實驗室研究與探索，2012，31(3):47－50.

［3］房澤平.基于雙MCU和nRF2401的無線傳感器網絡系統［J］.自動化儀表，2009，30(8):25－27.

［4］李永戰，馮仁劍，薛皓，等.基于虛擬儀器的無線傳感器網絡監控平臺［J］.儀表技術與傳感器，2008(7):32－35.

［5］王翥，郝曉強，魏德寶.基于WSN和GPRS網絡的遠程水質監測系統［J］.儀表技術與傳感器，2010(1):48－50.

［6］彭慶華.虛擬儀器軟件LabVIEW的串行口通信編程［J］.自動化儀表，2002，23(3):31－34.