非接觸式電站高溫預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司 可，袁 騰

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

配電站是電力保障系統(tǒng)中的重要組成部分，其中的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，需要監(jiān)測(cè)高壓線路、高壓電力設(shè)備、變壓器、配電站內(nèi)部溫度等參數(shù)[1]。但大部分的配電站都建在郊區(qū)或者是建在條件比較復(fù)雜的山區(qū)，如果采用人工的方式對(duì)這些配電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必將耗費(fèi)大量的人力和物力[2]。因此，配電站智能化溫度監(jiān)測(cè)的研究，對(duì)于減少人員投入、提升工作效率有著很重要意義。

配電站中的電器在發(fā)生故障前，其工作狀態(tài)有一個(gè)趨壞的過(guò)程，只不過(guò)這種趨壞的程度在未達(dá)到故障級(jí)別時(shí)，設(shè)備還是會(huì)帶故障進(jìn)行工作[3]。但是，帶故障工作的電氣設(shè)備在設(shè)備工作電功率、工作溫度等方面與正常工作的電氣設(shè)備有著很大的區(qū)別，利用對(duì)故障電氣設(shè)備運(yùn)行情況與正常工作電氣設(shè)備工作狀況的比對(duì)，可及時(shí)排除安全隱患。當(dāng)配電站中的電氣設(shè)備非正常工作時(shí)，其過(guò)高的溫度極有可能誘發(fā)火災(zāi)，從而造成更加嚴(yán)重的損失，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成巨大傷害。因此，為保證生產(chǎn)設(shè)備安全及運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)電站的溫度監(jiān)測(cè)十分必要。

溫度監(jiān)測(cè)方法大致可分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度監(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用較為廣泛的監(jiān)測(cè)方式，賈云輝[4]等人設(shè)計(jì)出了一種智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用接觸式的DHT11溫度傳感器、Q-2煙霧傳感器進(jìn)行火災(zāi)程度的監(jiān)測(cè)，可以達(dá)到很精確的測(cè)量效果。但是這種接觸式傳感器需要與被測(cè)物體接觸，測(cè)量結(jié)果容易受到自身工作溫度和周邊環(huán)境因素的影響。而非接觸式測(cè)溫的特點(diǎn)是不用與被測(cè)物體相接觸而迅速的探測(cè)目標(biāo)溫度，探測(cè)速度快速，探測(cè)溫度的分辨率高，能夠很好地避免接觸式測(cè)溫的弊端[5]。最具代表性的非接觸式測(cè)溫方法就是紅外測(cè)溫。尤其對(duì)于暗光環(huán)境溫度的測(cè)量，紅外測(cè)溫是一種很有效的方法。

本文基于紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電站內(nèi)部情況以及高溫報(bào)警的電站監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用紅外相機(jī)進(jìn)行被監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行溫度探測(cè)，可在暗光環(huán)境下清晰地監(jiān)控設(shè)備工作情況，且無(wú)需與被測(cè)物體接觸就可實(shí)現(xiàn)高溫自動(dòng)報(bào)警，通過(guò)及時(shí)報(bào)警以及系統(tǒng)顯示的熱成像圖來(lái)幫助工作人員及時(shí)排除安全隱患。

1 系統(tǒng)測(cè)試原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)測(cè)試原理

一個(gè)正在發(fā)熱的物體會(huì)不斷地向四周發(fā)出紅外輻射，通過(guò)對(duì)物體所發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行分析，可以得到被測(cè)物體的溫度，該測(cè)試方法這就是紅外測(cè)溫。斯特藩—玻耳茲曼定律給出了物體溫度的紅外輻射的關(guān)系。

斯特藩—玻耳茲曼定律指出，物體輻射功率與其絕對(duì)溫度的4次方成正比。此定律給出了一個(gè)黑體的全輻射出射度與溫度的關(guān)系：黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量(稱為物體的輻射度或能量通量密度)W與黑體本身的熱力學(xué)溫度T(又稱絕對(duì)溫度)的四次方成正比[6]。即：

W=εσT4

(1)

其中:輻射度W是具有功率密度的量綱，國(guó)際單位制標(biāo)準(zhǔn)單位為焦耳/(秒·平方米)，即瓦特/平方米。絕對(duì)溫度T的標(biāo)準(zhǔn)單位是開爾文；ε為黑體的輻射系數(shù)，若為絕對(duì)黑體，則ε=1；若非絕對(duì)黑體，則ε<1，與物體的溫度及材料特性有關(guān)。比例系數(shù)σ稱為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)或斯特藩常量。該常數(shù)的值約為：σ=5.670 4×10-8W/(m2K4)。可以看到：溫度和黑體輻射出射度成指數(shù)關(guān)系，且隨著溫度上升，黑體輻射度將極具升高[7]。實(shí)際待測(cè)物體通常不是黑體，對(duì)于非黑體的輻射定律一般比較復(fù)雜，但仍可借助于黑體輻射定律來(lái)研究[8]。

在紅外測(cè)溫中，該定律可用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)定。在黑體加熱時(shí)，通過(guò)紅外感應(yīng)模塊對(duì)黑體輻射出射度進(jìn)行探測(cè)，建立其溫度與出射度的擬合曲線，通過(guò)求解該擬合曲線的函數(shù)關(guān)系，即可得到不同出射度所對(duì)應(yīng)的溫度，這樣就實(shí)現(xiàn)了紅外測(cè)溫中溫度的標(biāo)定。對(duì)于不同的紅外探測(cè)模塊，此函數(shù)關(guān)系不同。

選擇紅外相機(jī)為本系統(tǒng)的紅外探測(cè)模塊，則被探測(cè)的黑體輻射出射度直接體現(xiàn)在了紅外相機(jī)拍攝所得的黑體圖像的灰度值。最終可通過(guò)紅外相機(jī)拍攝得到的圖像灰度值的大小求得所對(duì)應(yīng)溫度值的大小。

本文設(shè)計(jì)的電站火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)采集到被測(cè)物體的紅外圖像，再利用數(shù)字圖像處理的相關(guān)算法來(lái)得出紅外圖像最大的灰度值，將灰度值代入提前通過(guò)拍攝黑體所得的圖像灰度值和溫度值的函數(shù)關(guān)系，得到溫度值，然后在上位機(jī)輸出并存儲(chǔ)所得的當(dāng)前溫度值以及紅外圖像。若最高溫度值超過(guò)設(shè)定的溫度值，上位機(jī)發(fā)送指令給MCU(微處理器)從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

圖1 系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由紅外相機(jī)、上位機(jī)、MCU和報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)通過(guò)紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像采集，利用千兆網(wǎng)通信將圖像傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行圖像處理和數(shù)值分析得到所拍攝物體的最高溫度值，當(dāng)該溫度值大于所設(shè)定的報(bào)警溫度值時(shí)，上位機(jī)利用串口向MCU發(fā)送報(bào)警指令，MCU收到報(bào)警指令后驅(qū)動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的報(bào)警方式包括聲光報(bào)警和GSM短信報(bào)警。聲光報(bào)警采用LED燈和有緣蜂鳴器來(lái)完成，此部分通過(guò)MCU的I/O口驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。GSM短信報(bào)警采用SIM900A GSM短信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，此部分通過(guò)MCU的串口與該模塊進(jìn)行通信。

由于系統(tǒng)需要將相機(jī)所拍攝圖像實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上，因此在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)相機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以利用LabVIEW的IMAQdx組件庫(kù)編寫驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成軟件設(shè)計(jì)。該軟件設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)需要將相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理，得到所采集圖片的灰度最大值，將灰度最大值帶入由溫度標(biāo)定所得到的灰度溫度轉(zhuǎn)化公式，從而得到溫度值，并在上位機(jī)上將溫度值實(shí)時(shí)地顯示在界面上。

雖然紅外相機(jī)可將物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)化為人眼可視的圖像，但是相機(jī)采集到的圖像是不利于人眼有效觀測(cè)的黑白灰度圖像。因此，本系統(tǒng)對(duì)紅外相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行了偽彩色處理，便于人眼對(duì)被拍攝物體的溫度分布進(jìn)行更好地觀測(cè)。紅外圖像的偽彩色處理是可以利用Matlab實(shí)現(xiàn)。但是，Matlab軟件在每次處理時(shí)，需要人為地進(jìn)行操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)處理。針對(duì)這個(gè)問題，利用Matlab軟件的GUI界面功能，通過(guò)LabVIEW來(lái)調(diào)用生成的GUI界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和顯示功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包括紅外相機(jī)、主控模塊以及報(bào)警模塊。

選用長(zhǎng)波紅外相機(jī)來(lái)進(jìn)行溫度探測(cè)。長(zhǎng)波紅外相機(jī)可以捕獲8～14 μm光譜帶內(nèi)的光線。這種類型的紅外相機(jī)在工業(yè)中最常見的工作方式是應(yīng)用在熱成像領(lǐng)域當(dāng)中的，它對(duì)溫度變化有著很好的響應(yīng)度。通過(guò)長(zhǎng)波紅外相機(jī)，可以很好地捕獲被測(cè)物體向四周發(fā)出的紅外輻射。選用的紅外相機(jī)采用千兆網(wǎng)通信來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信。千兆網(wǎng)相機(jī)遵循Gige Vision接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用千兆網(wǎng)通信的方式傳輸視頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的傳輸長(zhǎng)度和較高的傳輸速度[9]。

主控模塊選用STM32F103系列芯片為系統(tǒng)的MCU。STM32F103系列32位微控制器是基于專門為嵌入式應(yīng)用開發(fā)的具有突破性的ARMCortex-M3內(nèi)核，可以通過(guò)調(diào)用其豐富的庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜功能[10]。

報(bào)警模塊設(shè)計(jì)包含蜂鳴器電路設(shè)計(jì)和GSM模塊電路設(shè)計(jì)。報(bào)警模塊與主控模塊利用串口來(lái)進(jìn)行通信。

報(bào)警模塊的蜂鳴器電路設(shè)計(jì)主要是為了放大直流電壓，增大蜂鳴器的響聲，使其有良好的報(bào)警效果。采用S8050三極管進(jìn)行電流放大，使得MCU能夠利用低壓數(shù)字信號(hào)控制蜂鳴器正常工作。當(dāng)配電站的溫度過(guò)高時(shí)，上位機(jī)通過(guò)串口將報(bào)警指令傳輸給MCU，MCU通過(guò)I/O口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器與STM32芯片的PB8口連接，該I/O口配置為推挽輸出，電路原理如圖3所示。

圖3 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

短信報(bào)警模塊選擇正點(diǎn)原子公司生產(chǎn)的ATK-SIM900A GSM模塊。該模塊與STM32通信采用串口USART3通信的方式，模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端連接STM32的PB11口，數(shù)據(jù)接收端連接STM32的PB10口。該模塊使用SIM900A主控芯片，其讀寫電路原理如圖4所示。

圖4 SIM900A芯片讀寫電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)。LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬(wàn)用表)類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。

用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。

編寫的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有5個(gè)：1)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)波紅外相機(jī)進(jìn)行圖像采集、且以視頻形式顯示出來(lái)；2)把采集來(lái)的圖像以圖片的格式存儲(chǔ)在上位機(jī)中；3)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行圖像處理，得到溫度值；4)將圖像進(jìn)行偽彩色處理顯示出來(lái);5)向STM32發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含如下4部分的設(shè)計(jì)：

1)圖像采集程序設(shè)計(jì)。該部分的程序設(shè)計(jì)使用IMAQdx Open Camera控件進(jìn)行打開相機(jī)的操作，此控件的作用是打開一個(gè)相機(jī)，查詢攝像頭的功能，加載攝像頭的配置文件，并能創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的相機(jī)。找到相機(jī)所在的接口，得到這個(gè)相機(jī)的配置信息，并創(chuàng)建唯一的參考相機(jī)。使用IMAQdx Configure Grab控件來(lái)來(lái)配置和開始采集圖像。使用IMAQdx Grab控件來(lái)輸出圖像的當(dāng)前幀。使用IMAQdx Close Camera控件來(lái)停止相機(jī)正在進(jìn)行的圖像數(shù)據(jù)采集，釋放在緩沖區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的資源，并關(guān)閉所選相機(jī)的會(huì)話。使用IMAQdx Snap控件來(lái)捕捉輸出圖像的當(dāng)前幀，將輸出的圖像實(shí)時(shí)捕捉，用來(lái)便于后邊的圖像處理和圖像存儲(chǔ)應(yīng)用。程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 圖像采集程序框圖

2)圖像處理程序設(shè)計(jì)。通過(guò)for循環(huán)使得軟件程序可以達(dá)到圖像自動(dòng)存儲(chǔ)的功能，即只要提前設(shè)定好圖片存儲(chǔ)的路徑和圖片存儲(chǔ)的名稱即可實(shí)現(xiàn)圖片的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。該程序中利用IMAQ WriteFile控件來(lái)保存圖像，選擇保存的圖像格式是PNG格式。該控件在設(shè)置好保存路徑和保存圖片的格式后，即可在相應(yīng)的路徑下保存圖片。捕捉到的圖像通過(guò)IMAQExtractSingleColorPlane控件處理成灰度圖像，之后再將此灰度圖像通過(guò)IMAQ ImageToArray控件處理成二維矩陣，然后求出二維矩陣的灰度最大值，利用公式節(jié)點(diǎn)控件，得到該灰度值所對(duì)應(yīng)的溫度值。

3)上下位機(jī)串口通信程序設(shè)計(jì)。利用LabVIEW軟件的VISA庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)置串口波特率為9 600，串口號(hào)為COM3。當(dāng)所測(cè)溫度高于預(yù)警溫度值，通過(guò)串口向MCU發(fā)送1，代表報(bào)警指令；若低于預(yù)警溫度值，上位機(jī)通過(guò)串口向MCU發(fā)送0。

4)偽彩色圖像顯示程序設(shè)計(jì)。利用LabVIEW軟件的執(zhí)行系統(tǒng)命令函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)偽彩色圖像顯示，該命令函數(shù)可以調(diào)用MATLAB生成的GUI界面應(yīng)用程序。圖像處理、上下位機(jī)通信及偽彩色圖像調(diào)用的整體程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件圖像處理及上下位機(jī)通信程序框圖

程序設(shè)計(jì)的軟件整體界面如圖7所示。

圖7 軟件界面

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。利用MDK5進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序主要流程：當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，下位機(jī)首先進(jìn)行串口初始化、GSM模塊初始化、蜂鳴器與LED初始化，隨后等待上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送的指令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為1時(shí)，STM32驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈進(jìn)行報(bào)警，GSM模塊給用戶指定的手機(jī)發(fā)送短信；當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為0時(shí)，系統(tǒng)不報(bào)警，繼續(xù)等待下一個(gè)指令。

該部分程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是GSM模塊發(fā)送短信功能的實(shí)現(xiàn)。外部MCU通過(guò)串口發(fā)送特有的AT指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM模塊的控制。首先，發(fā)送AT+CSCS=GSM指令，使得TE字符集設(shè)置為缺省字符集。其次，發(fā)送AT+CMGF=1指令，使得短消息模式設(shè)置成為文本模式。最后，發(fā)送AT+CMGS指令，實(shí)現(xiàn)向用戶設(shè)置固定號(hào)碼發(fā)送短信的功能。

圖8 下位機(jī)程序流程圖

3.3 GUI界面設(shè)計(jì)

采用MATLAB生成GUI界面實(shí)現(xiàn)灰度圖像到偽彩色圖像的轉(zhuǎn)化和顯示。偽彩色圖像采用為灰度分層的方法生成，該方法的主要原理是將一幅灰度圖像的各個(gè)灰度值分為M個(gè)不同灰度級(jí)的區(qū)域，將M個(gè)區(qū)域人為分配M種不同的顏色，就可得到M種顏色的偽彩色圖像。在Matlab中，實(shí)現(xiàn)灰度分層偽彩色處理的函數(shù)為grayslice，它的語(yǔ)法為X=grayslice(I,n)，其中I為原灰度圖像，n為均勻量化等級(jí)數(shù)，X為索引圖。

圖9為利用紅外相機(jī)拍攝加熱后的熱水壺的偽彩色圖像處理界面，實(shí)現(xiàn)了將紅外相機(jī)采集到的圖像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像的功能。在實(shí)際工作過(guò)程中，工作人員可根據(jù)偽彩色圖對(duì)電氣設(shè)備的故障區(qū)域進(jìn)行判斷。

圖9 偽彩色圖像處理界面

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試與分析

系統(tǒng)運(yùn)行的具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)連接好相機(jī)，在上位機(jī)界面上選擇好相機(jī)接口。

2)設(shè)置相機(jī)所拍攝圖像的保存路徑，并將保存圖片命名。系統(tǒng)默認(rèn)圖片名稱為“0.png”。

3)連接下位機(jī)，在上位機(jī)界面上選擇通信接口，并利用Keil軟件將下位機(jī)程序燒錄到STM32芯片中，確定報(bào)警模塊與微處理器連接正確。

4)運(yùn)行軟件，點(diǎn)擊拍照按鈕，此時(shí)相機(jī)所采集的圖像會(huì)在圖像顯示區(qū)顯示，且所拍攝物體的最高溫度值會(huì)顯示在界面上。

5)點(diǎn)擊上位機(jī)界面中的處理圖像按鈕，調(diào)用出處理后的偽彩色圖像顯示界面。

將紅外相機(jī)拍攝某表面溫度高于閾值溫度的熱源，其界面顯示如圖所示，系統(tǒng)蜂鳴器響起，報(bào)警燈點(diǎn)亮，同時(shí)手機(jī)持續(xù)接收到報(bào)警短信。多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定操作簡(jiǎn)便，具有良好的預(yù)警效果。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)利用紅外測(cè)溫方法來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)溫度的監(jiān)測(cè)和溫度閾值報(bào)警，可以對(duì)電站中的電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。在設(shè)備工作溫度非正常時(shí)，及時(shí)向工作人員報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)顯示的被測(cè)電氣設(shè)備的偽彩色圖像來(lái)幫助工作人員排查故障位置。通過(guò)選擇性能更好的紅外相機(jī)或者更準(zhǔn)確的溫度標(biāo)定方法，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更精確的高溫預(yù)警。

系統(tǒng)后續(xù)可以添加更多的功能，比如將系統(tǒng)所拍攝的圖像實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)APP上，使用戶更加方便地查看電氣設(shè)備運(yùn)行狀況；在上下位機(jī)通信方面還可以采用無(wú)線通信，這樣就使得系統(tǒng)擺脫線路地束縛，使其更加輕便。通過(guò)改變報(bào)警溫度值，系統(tǒng)也可以推廣到各種需要溫度監(jiān)測(cè)的特殊工作場(chǎng)合。