高壓開關(guān)設(shè)備監(jiān)測中的遠(yuǎn)程無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪曉紅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

高壓開關(guān)設(shè)備監(jiān)測中的遠(yuǎn)程無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪曉紅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

為了降低電力系統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備工作中導(dǎo)電接點(diǎn)過熱所造成的設(shè)備損壞和安全故障，文中提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)由無線測溫節(jié)點(diǎn)、無線測溫終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)組成點(diǎn)對多點(diǎn)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)在軟硬件方面采取了相應(yīng)的抗干擾措施，保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

高壓開關(guān)設(shè)備；測溫系統(tǒng)；無線傳輸；nRF24L01；TC35i

高壓開關(guān)設(shè)備主要用于電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)，既可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要將一部分電力設(shè)備或線路投入或退出運(yùn)行，也可在電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)將故障部分從電網(wǎng)快速切除，從而保證電網(wǎng)中無故障部分的正常運(yùn)行及設(shè)備、運(yùn)行維修人員的安全。電力系統(tǒng)的各種戶內(nèi)外高壓開關(guān)設(shè)備在長期的運(yùn)行中會由于各種因素（過負(fù)荷、過電流、接點(diǎn)虛接等）引起的接點(diǎn)溫度異常，進(jìn)而導(dǎo)致電氣事故發(fā)生，發(fā)生大面積停電和設(shè)備損壞事故現(xiàn)象[1]。目前比較成熟的高壓開關(guān)設(shè)備測溫技術(shù)主要包括紅外測溫、光纖光柵測溫和無線測溫。而相對于其他測溫技術(shù)而言，無線測溫技術(shù)為解決工作現(xiàn)場中由于監(jiān)測點(diǎn)分散及被測環(huán)境封閉所導(dǎo)致的技術(shù)難題以及降低高壓環(huán)境下測量設(shè)備故障和人員觸電風(fēng)險(xiǎn)等方面提供了有效地解決方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

高精度無線測溫系統(tǒng)主要由3部分組成：高精度無線測溫節(jié)點(diǎn)、便攜式無線測溫終端、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)。1）高精度無線測溫節(jié)點(diǎn)放置在被測高壓開關(guān)設(shè)備的測溫點(diǎn)，完成溫度測量和無線溫度數(shù)據(jù)發(fā)送，硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。2）便攜式無線測溫終端可由現(xiàn)場人員手持或安裝在被測設(shè)備附近，完成多測量點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)接收、顯示和語音報(bào)警，并可通過GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)發(fā)送被測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。3）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)負(fù)責(zé)收集、顯示和存儲各測量點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可通過后臺的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析和趨勢研究。

圖1 無線測溫節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Hardware structure diagram of the wireless temperature measuring node

圖2 無線測溫終端的硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Hardware structure diagram of the wireless temperature measuring terminal

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括測溫節(jié)點(diǎn)中的測溫傳感器模塊設(shè)計(jì)，測溫節(jié)點(diǎn)和測溫終端所共有的無線傳輸模塊設(shè)計(jì)、主控用微控制器設(shè)計(jì)，測溫終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)所共有的GSM移動通信模塊設(shè)計(jì)。常規(guī)用鍵盤、液晶顯示和語音報(bào)警電路不再贅述。

2.1 測溫傳感器模塊

處于無線測溫節(jié)點(diǎn)中的前端測量元件選用ADI公司最新推出的16位分辨率高線性度數(shù)字溫度傳感器ADT7320，測溫范圍（-40～+150℃），測溫精度±0.25 ℃，內(nèi)置的16位ADC和SPI兼容接口，可保證與凌陽16位單片機(jī)SPCE061A實(shí)現(xiàn)直接連接和可靠數(shù)據(jù)傳輸。ADT7320與SPCE061A之間的接口電路如圖3所示。

圖3 測溫傳感器ADT7320接口電路圖Fig. 3 Interface circuit diagram of temperature sensor ADT7320

2.2 無線傳輸模塊

測溫節(jié)點(diǎn)與測溫終端之間的無線數(shù)據(jù)傳輸選用NORDIC公司推出的高速、低功耗工業(yè)級嵌入式2.4 GHz 無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01，它具有增強(qiáng)型的ShockBurst功能，集成了雙向通信所需要的鏈路層[2]。nRF24L01具有的地址和CRC校驗(yàn)功能可保證其通過SPI總線接口與凌陽16位單片機(jī)SPCE061A實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)可靠通訊。nRF24L01與SPCE061A之間的接口電路如圖4所示。

圖4 無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01接口電路圖Fig. 4 Interface circuit diagram of wireless RF transceiver chip nRF24L01

2.3 GSM移動通信模塊

測溫終端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信選用SIEMENS公司生產(chǎn)的雙頻900/1800 MHz工業(yè)級GSM模塊TC35i。TC35i通過SIM卡接口使用GSM網(wǎng)絡(luò)提供的語音和中文短信服務(wù)，其具有的標(biāo)準(zhǔn)RS232雙向接口可以方便的與單片機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行通信，但與PC機(jī)的通信需要進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換[3]。測溫終端中TC35i模塊與單片機(jī)SPCE061A之間的接口電路如圖5所示，而在數(shù)據(jù)管理機(jī)一側(cè)可將TC35i模塊的RXD0、TXD0通過MAX232芯片接口轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)管理機(jī)進(jìn)行連接，使得測溫終端與數(shù)據(jù)管理機(jī)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸借助GSM網(wǎng)絡(luò)服務(wù)得到有效保證。

2.4 微控制器模塊

無線測溫節(jié)點(diǎn)和無線測溫終端中的微控制器采用凌陽公司的基于μpnSPTM內(nèi)核的十六位單片機(jī)SPCE061A。SPCE061A具有32kB的FlashROM和32位的可編程I/O接口，內(nèi)部集成DAC、ADC、UART及Watchdog等片內(nèi)外設(shè)，其指令系統(tǒng)中提供的16位×16位乘法指令和內(nèi)積運(yùn)算指令使其可應(yīng)用于DSP應(yīng)用領(lǐng)域[4]。此外，SPCE061A 借助其DSP處理能力和SACM音頻處理技術(shù)，給用戶提供了豐富的專用于語音處理的API接口函數(shù)，為無線測溫終端的語音報(bào)警設(shè)計(jì)提供了低成本的解決方案。

2.5 抗干擾措施

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于無線測溫節(jié)點(diǎn)與高壓開關(guān)設(shè)備同處在高電壓、大電流和強(qiáng)烈電磁輻射環(huán)境中，因此無線測溫節(jié)點(diǎn)的抗干擾設(shè)計(jì)就顯得非常重要。針對電磁干擾的三要素：干擾源、傳播途徑和電磁敏感設(shè)備，硬件上主要利用良金屬導(dǎo)體介質(zhì)表面上的反射和金屬層內(nèi)的吸收來抑制電磁輻射，測溫節(jié)點(diǎn)加裝屏蔽罩[5]。在軟件設(shè)計(jì)中采用Watchdog進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)均進(jìn)行CRC校驗(yàn)。無線接收終端接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行也需要進(jìn)行數(shù)字平滑濾波以保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)流程

3.1 測溫節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

測溫節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示。在各模塊初始化后測溫節(jié)點(diǎn)等待測溫終端發(fā)送來的地址后與本機(jī)的地址進(jìn)行比對，地址一致則啟動ADT7320連續(xù)測溫并發(fā)送溫度數(shù)據(jù)及CRC校驗(yàn)碼至測溫終端，等待測溫終端校驗(yàn)應(yīng)答后結(jié)束或重啟發(fā)送。

圖6 測溫節(jié)點(diǎn)的程序流程圖Fig. 6 Flow chart of temperature measuring node

3.2 測溫終端的軟件設(shè)計(jì)

圖7 測溫終端的程序流程圖Fig. 7 Flow chart of temperature measuring terminal

測溫終端的程序流程如圖7所示。本地初始化后掃描鍵盤并發(fā)送啟動測溫節(jié)點(diǎn)的命令，接收到溫度數(shù)據(jù)后驗(yàn)證應(yīng)答。對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字平滑濾波處理后，通過液晶顯示器顯示測溫節(jié)點(diǎn)地址、測量溫度以及越限報(bào)警等信息并同時(shí)播放報(bào)警語音，最后相關(guān)數(shù)據(jù)通過GSM模塊TC35i打包發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)。

3.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理機(jī)通過GSM模塊TC35i接收測溫終端傳送來的數(shù)據(jù)，使用Delphi語言開發(fā)接口程序并接入供電系統(tǒng)管理界面，實(shí)現(xiàn)溫度顯示、報(bào)警和故障點(diǎn)定位。結(jié)合供電管理系統(tǒng)的電流監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比對分析并打印報(bào)表，及時(shí)對故障點(diǎn)進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

文中介紹的遠(yuǎn)程無線測溫系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GSM通信技術(shù)[6]結(jié)合，解決了傳統(tǒng)電氣開關(guān)設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)布網(wǎng)施工難度大、成本高的問題。基于GSM移動通信模塊的便攜式終端設(shè)計(jì)，完善了電氣開關(guān)設(shè)備點(diǎn)檢、巡檢的方法和手段。該系統(tǒng)也可推廣到其他不適宜有線數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Design of remote wireless temperature measurement systerm in high voltage switchgear equipment monitoring

WANG Xiao-hong
（School of Electrical Engineering, Shaanxi Polythecnic Institute of Technology, Xianyang 712000, China）

In order to reduce the risks of equipment damages and security accidents of high voltage switchgear equipment caused by its conductive joint overheating during working, this paper presents a remote wireless temperature measurement systerm based on wireless sensor network and GSM wireless conmmunication technology. The systerm comprised of wireless temperature measuring node, wireless temperature measuring terminal, and remote data managment computer with point-to-multipoint network structure. It also takes some anti-interference measures in hardware and software to ensure the systerm reliability.

high voltage switchgear equipment; temperature measurement systerm; wireless transmission; nRF24L01; TC35i

TN87

A

1674-6236(2014)03-0104-03

2013–05–30 稿件編號：201305296

汪曉紅(1973—)，男，陜西寶雞人，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。