基于Wi-Fi的發(fā)電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王　瑾，曹　飛，郭前崗，周西峰

基于Wi-Fi的發(fā)電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王瑾，曹飛，郭前崗，周西峰

（南京郵電大學自動化學院，江蘇南京210023）

隨著小型分布式發(fā)電機的廣泛應用，發(fā)電機的穩(wěn)定運行和便捷維護的重要性日益突出，設(shè)計一個對分布式發(fā)電機的遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有相當?shù)膶嵱脙r值。針對發(fā)電機的特殊使用環(huán)境和應用背景，提出了一種新型的低成本的基于Wi-Fi的發(fā)電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)，探討了系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)的部分軟硬件設(shè)計方案及硬件電路圖。

遠程監(jiān)控；Wi-Fi；單片機；過零點檢測；同步發(fā)電機；傳感器

0　引言

現(xiàn)代社會人們對電能的依賴越發(fā)明顯，發(fā)電機作為電能的產(chǎn)生裝置，在系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。對發(fā)電機工作狀態(tài)的監(jiān)視與診斷，對于整個電站的維護、故障診斷與維修起著基礎(chǔ)性作用［1］。在人們的生活中，小型分布式發(fā)電機的應用場景越來越多，醫(yī)院、礦井等越來越多的場合使用小型分布式發(fā)電機，越來越分散的發(fā)電機應用場所給其使用和維護帶來諸多不便。基于嵌入式技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地解決現(xiàn)場的生產(chǎn)和遠程監(jiān)控之間的矛盾。

圖1　系統(tǒng)框圖

1　系統(tǒng)設(shè)計方案

基于W i-Fi的發(fā)電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)使用環(huán)境和應用設(shè)計的由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)傳輸組成的一個有機整體。現(xiàn)代社會中使用的交流電能幾乎全由同步發(fā)電機產(chǎn)生［2］，故本方案的監(jiān)測對象為單相交流同步電機，監(jiān)測的主要參數(shù)主要包括：發(fā)電機的溫升、發(fā)電機的輸出電流電壓和電壓相位等。圖1是系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由單片機、信號采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成。信號采集模塊主要實現(xiàn)交流電信號的調(diào)理，工頻電壓電流經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)為較低的交流電壓電流信號，再通過調(diào)理電路將電壓電流調(diào)理到單片機AD采集的電壓范圍；同時經(jīng)過霍爾傳感器的工頻電壓信號經(jīng)過過零點檢測電路監(jiān)測電壓信號頻率，同步發(fā)電機的溫度信號由溫度傳感器轉(zhuǎn)換后送至單片機采集，發(fā)電機的實時電壓電流信號和發(fā)電機的溫升經(jīng)由單片機采集后，在單片機中對數(shù)據(jù)分析處理并打包，最后將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至上位機，由上位機實時顯示發(fā)電機的運行參數(shù)和運行狀態(tài)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1傳感器的選型

系統(tǒng)使用了電壓電流傳感器和溫度傳感器，其中電壓電流傳感器采用的是霍爾傳感器，溫度傳感器采用的是PT100熱電阻溫度傳感器。

2.1.1電壓電流傳感器

發(fā)電機輸出的電壓、電流信號需要通過電壓、電流傳感器將大信號轉(zhuǎn)換為適當?shù)男盘栔筮M行調(diào)理，而電壓、電流傳感器的轉(zhuǎn)換精度將直接影響檢測結(jié)果，因此需要選用轉(zhuǎn)換精度較高的傳感器。

電壓、電流傳感器的具體選型和詳細參數(shù)如表1所示。

表1　霍爾傳感器具體參數(shù)

2.1.2溫度傳感器

溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可測量的電信號的傳感器。溫度傳感器主要分為熱電阻式和熱電偶式，本系統(tǒng)采用的PT100為熱電阻式的溫度傳感器。其電阻值隨溫度的升高而增大，在電路中與恒值電阻串接在電路回路中，通過采集其上電壓值即可計算得到其電阻值。其電阻與溫度的關(guān)系如下：

其中，Ro、A、B為常數(shù)。

2.2調(diào)理電路的設(shè)計

2.2.1電流電壓采樣調(diào)理電路

發(fā)電機輸出的電壓電流不可以直接送至單片機采集，解決的辦法主要分為兩步：第一步是對模擬量同比例縮小，第二步是對模擬量進行調(diào)理。第一步主要是采用霍爾電壓、電流傳感器將交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)化為-4 V～+4 V的隔離弱電模擬信號。對于調(diào)理電路，則是將-4 V～+4 V的隔離弱電模擬信號轉(zhuǎn)換成適合A/D采樣的0～3 V信號。圖2所示為電壓調(diào)理電路。

圖2　電壓信號調(diào)理電路

圖2中采用的是雙輸入雙輸出的運算放大器LM358，為了防止輸入信號過大，通過二極管D3、D4設(shè)計了電壓鉗位電路，將電壓控制在0～3.3 V之間。由電壓信號調(diào)理電路圖不難求得輸入輸出信號之間的關(guān)系，即：

其中，AC_Ug為霍爾電壓傳感器到的交流電壓量，ADC5為單片機的AD采集輸入端口。

與電壓采集類似，發(fā)電機的輸出電流也不能直接送至控制器采集，其調(diào)理電路與電壓調(diào)理電路類似，這里不再詳盡敘述。

2.2.2電壓過零檢測電路

為實時監(jiān)測發(fā)電機的輸出電壓頻率，需要加入過零檢測電路即方波電路，如圖3所示。該電路的原理主要是使用LM339比較器將霍爾電壓傳感器的輸出電平與零電平進行比較，將高于零的電壓信號在LM339輸出端置為高電平，若發(fā)電機的輸出為正常正弦電壓，則通過過零點檢測電路得到與其同頻的方波信號。圖4為利用過零點檢測電路得到的示波器波形。轉(zhuǎn)換后的方波再由單片機通過外部中斷捕獲其上升沿，從而可以實時地跟蹤發(fā)電機的頻率變化。

圖3　過零點檢測電路

圖4　過零點檢測波形

2.3MSP430單片機

單片機是系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的運作，所以必須要有較高的響應速度和豐富的外設(shè)資源［3］。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司（TI）近年開發(fā)的新一代單片機，是一種超低功耗、具有精簡指令集的16位混合型單片機，它具有方便靈活的開發(fā)手段和豐富的片內(nèi)外設(shè)［4］。本系統(tǒng)中使用的MSP430F149單片機其價格低廉且功耗極低，同時還具有豐富的片上資源，另外還有60 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB用戶可編程內(nèi)部修改空間，2 KB的內(nèi)部RAM，開發(fā)簡單，易于使用。

2.4無線傳輸模塊

本系統(tǒng)中無線傳輸是聯(lián)系發(fā)電機現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控平臺的紐帶。Wi-Fi是一種目前得到廣泛應用的短距離無線通信協(xié)議，具有成本低、部署方便等優(yōu)勢［5］。本系統(tǒng)設(shè)計使用的無線傳輸模塊為RAK410模塊，該模塊是一款Wi-Fi串口透傳模塊，可以方便、快速地使用實現(xiàn)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)收發(fā)等。它通過串口與單片機控制器相連接，支持AT命令及數(shù)據(jù)透明傳輸模式，由單片機控制其實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)嵌完整的TCP/IP協(xié)議棧，可以配置為AP工作模式及Ad-Hoc工作模式。RAK410在UART接口模式下模塊的最大傳輸速率可達640 kb/s，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.5單片機與無線傳輸模塊及調(diào)理電路的連接

單片機與無線傳輸模塊、電流電壓調(diào)理電路、溫度傳感器等部分硬件連接如圖5所示。其中MSP430F149單片機與RAK410Wi-Fi透傳模塊的硬件連接引腳定義如表2所示。

圖5　部分硬件連線示意圖

表2　MSP430F149與RAK410引腳連接定義

3　控制器軟件程序設(shè)計

3.1控制器主程序設(shè)計

控制器程序設(shè)計主要包括RAK410配置部分、配置信息存儲部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)打包部分以及數(shù)據(jù)傳輸部分。其流程圖如圖6所示。為考慮低功耗運行，系統(tǒng)在沒有數(shù)據(jù)采集或者沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿諘r進入低功耗睡眠狀態(tài)，等待有任務到達時，再從中斷喚醒，進入激活工作狀態(tài)。

圖6　控制器程序流程圖

3.2RAK410模塊配置程序

單片機通過串口發(fā)送AT指令配置RAK410模塊的工作模式并控制其傳輸數(shù)據(jù)，同時單片機保存了模塊的配置信息，首次開機完成配置后，再次啟動時無需再配置模塊即可加入網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。為保證配置和傳輸信息的可靠性，RAK410通過創(chuàng)建Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)與上位機通信進行模塊參數(shù)的配置；傳輸數(shù)據(jù)時，RAK410以客戶端的方式加入AP網(wǎng)絡(luò)。

MSP430F149片上Flash程序存儲器中有1 KB的用戶數(shù)據(jù)空間，此部分空間可以通過編程實現(xiàn)內(nèi)部修改，本系統(tǒng)利用這部分存儲空間存儲RAK410的配置參數(shù)，存儲的配置參數(shù)主要包括：待加入的無線網(wǎng)絡(luò)的SSID、密鑰，待連接的服務器的域名、端口號等。

3.3數(shù)據(jù)采集部分程序

根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率要高于最高頻率的2倍［6］。工頻電壓的頻率為50 Hz，不難得出本系統(tǒng)中每隔5 ms采樣一次電壓電流滿足采樣定理。系統(tǒng)主程序在完成定時器和ADC轉(zhuǎn)換器等的初始化后，執(zhí)行_BIS_SR （LPM3_bits+GIE）函數(shù)，進入低功耗睡眠等待狀態(tài)，此時除ACLK時鐘（可選作外設(shè)時鐘）激活外，CPU等其他時鐘信號均關(guān)閉；當5 ms采樣定時時間到后進入ADC采樣中斷激活CPU，并觸發(fā)AD數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等一系列的操作。

當過零檢測電路輸出上升沿時，觸發(fā)單片機的外部中斷，喚醒CPU，從第一次進入外部中斷后開始計時，到下一次進入外部中斷停止計時，兩次中斷的間隔時間剛好為交流電壓的一個周期。再經(jīng)過計算得到其實際的頻率并將其保存，待完成一次數(shù)據(jù)采集后一起發(fā)送至上位機。

4　系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

為了驗證設(shè)計的可行性，編寫了一個基于LabVIEW的上位機監(jiān)視平臺，該上位機用于接收下位機上傳的數(shù)據(jù)并將其顯示出來。實驗在電力綜合實驗室進行，實驗以實驗室的一臺三相同步發(fā)電機作為監(jiān)測對象，三相同步發(fā)電機由一臺直流電機拖動，將發(fā)電機的輸出接到三相對稱160Ω的負載電阻上，并引出其中一相接到監(jiān)測系統(tǒng)上，同時引出發(fā)電機的溫度傳感器的接線。

實驗結(jié)果調(diào)試圖如圖7所示。上位機上主要顯示了下位機的IP地址和上位機的采集數(shù)據(jù)，其中采集數(shù)據(jù)包括發(fā)電機的電壓電流、發(fā)電機輸出電壓頻率以及發(fā)電機溫度等，其中信號均以波形圖的形式顯示。由圖7可以看出，下位機采集的動態(tài)IP獲取的地址為192. 168.1.106，且發(fā)電機的輸出接在阻性負載上，故輸出同頻同相。圖中顯示的發(fā)電機輸出頻率基本穩(wěn)定，發(fā)電機內(nèi)部電樞溫度隨著開機時間的增加而緩慢升高。

5　結(jié)論

本文介紹了一種基于Wi-Fi的發(fā)電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有3點優(yōu)勢：

圖7　監(jiān)測界面

（1）價格低廉，具有較強的市場競爭優(yōu)勢；（2）方法新穎，提出了一種采用過零點檢測電路與單片機外部中斷相結(jié)合的方式檢測交流電壓的頻率方法，通過實驗取得了很好的效果；（3）系統(tǒng)功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)理論上能夠以幾十微安的功耗待機，在發(fā)電機發(fā)生緊急停機后能夠支持更長的待機時間。本設(shè)計能夠以非常低的成本和非常小的空間附加到發(fā)電機上，更大程度地方便用戶的使用和技術(shù)人員的管理。

［1］陳長水，謝桂海，章曙，等.基于實時數(shù)據(jù)采集的發(fā)電機故障診斷專家系統(tǒng)［J］.軍械工程學院學報，2000，12 （4）：14-19.

［2］李發(fā)海，朱東起.電機學［M］.北京：科學出版社，2007.

［3］董大波，王湘云，趙柏秦，等.基于單片機的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014，17 （2）：45-49.

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［5］杜毓聰，金連文.通過WiFi移動IP網(wǎng)絡(luò)操控家用機器人方案在PDA上的實現(xiàn)［J］.計算機應用，2009（7）：1865-1867.

［6］劉軍.同步發(fā)電機參數(shù)微機測試儀研制［D］.重慶：重慶大學，2002.

王瑾（197-），女，博士，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子，電力電子與電力傳動。

曹飛（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器技術(shù)。

郭前崗（1960-），男，博士，教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動。

Design of remote monitoring system for generator based on Wi-Fi

Wang Jin，Cao Fei，Guo Qiangang，Zhou Xifeng
（College of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）

As the app lication of small distributed generation more and more popular，the importance of the steady operation and the convenient maintenance of the generation is raised.The design of the remote monitoring system for generator can be applied into daily lives.This paper introduces one of the new type and low cost system of remote monitoring for generator by W i-Fi.And the fundamental principle and implemented method of the system are discussed in the paper.Part of solutions of the hardware and software are designed.

remote monitoring；Wi-Fi；SCM；phase-locked loop；synchronous generator；sensor

TP277

A

1674-7720（2015）04-0076-03

（2014-10-22）