結合紅外傳感器的室內輸電線路老化監測系統①

房體強,熊衛華,黃為民,季瑞松,姜 明,呂銀華

1(浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州 310018)

2(浙江大學 電氣工程學院,杭州 310012)

3(杭州電子科技大學 計算機學院,杭州 310018)

4(浙江中辰城市應急服務管理有限公司,湖州 313008)

隨著我國經濟社會的持續發展,人們的生活水平顯著改善,電氣化程度越來越高,電氣設備的使用范圍不斷擴大[1],家里用上了空調、熱水器等大功率用電器,但是由于老舊房屋建成使用年份較早,線路老化十分嚴重,而且線纜一般埋藏在墻體內部,人們無法通過肉眼直接觀察到線纜老化情況.大功率用電器長時間運行,容易導致線纜過熱,燒壞導線絕緣層,從而引發電氣火災[1],嚴重威脅了人們的生命財產安全.因此,為了避免因線路老化引發電氣火災,設計一款室內輸電線路老化監測系統顯得極為迫切.

許多國內外學者對線路老化檢測方面進行了研究與分析.遲嘉等實現了基于無線傳感器網絡的室內輸電線路熱老化預測研究,通過在輸電線路周圍部署溫度傳感器節點連續采集溫度數據,并使用斷裂伸長率法預測輸電線路絕緣老化程度,解決了傳統預測方法無法連續測量溫度的問題[2],但是斷裂伸長率法具有較大的破壞性,無法實際應用于室內完整輸電線路的絕緣檢測.朱斌等提出了基于力傳感器的核電廠電纜絕緣老化檢測分析,采用力傳感器測量絕緣材料的力與壓痕深度來評估線纜絕緣老化狀態,該檢測方法對待測線纜無損傷,同時具有攜帶方便和測量時間短的優點[3],但是該方法只能檢測裸露在外的導線,無法檢測埋藏在墻體內部線纜的絕緣老化情況.鄧桂芳提出漏電電流的大小可以反映導線絕緣的熱老化情況,通過檢測用電系統的漏電電流來掌握電氣線路的絕緣狀態,發生漏電及時報警,并指示漏電方位[4].這種裝置無需人工干預,可長時間不間斷的監測電氣線路中的漏電電流,但是很難根據漏電方位找到線路老化發生的具體位置.陸斌提出了基于紅外熱成像技術的輸電線路關鍵部位溫度在線監測系統,可在不停電、不接觸的情況下準確監測輸電線路運行狀態[5],但是無法準確定位墻體內部線纜的位置.

考慮到這些還沒解決的問題,本文提出了一種結合紅外傳感器的室內輸電線路老化監測系統,通過霍爾電磁傳感器和紅外傳感器的結合,準確定位墻體內或配電箱內導線的位置,檢測導線溫度,判斷線路老化情況,避免墻體內其他熱源的干擾,同時通過可見光傳感器對待測線纜實時監控,并對溫度異常部位拍攝照片.本系統可檢測線路老化隱患,及時發現并做出報警和相應處理,用戶可通過手機APP 客戶端或PC 客戶端查看線路老化發生的具體位置,及時處理老化線纜,避免因線路老化引發電氣火災.

1 系統整體方案

室內輸電線路熱老化監測系統以STM32F765 為系統架構中心,通過紅外傳感器[2]、可見光傳感器和霍爾電磁傳感器分別采集待測線纜的紅外熱成像、可見光成像和電磁力數據,并根據采集到的紅外熱成像數據計算出每個像素點對應的溫度值,然后通過以太網模塊將數據打包發送至用戶終端.用戶終端包括PC 端和手機APP 端,接收設備發送的可見光成像數據、電磁力數據和溫度數據.用戶可通過手機APP 端或PC端進行電磁力閾值和溫度閾值的設置,當數據超過設定閾值時,手機APP 和PC 端程序將進行報警推送,提醒用戶及時處理老化的線纜.用戶根據可見光攝像頭拍攝的線路異常部位照片確定線路老化位置,及時更換老化線纜,避免因線路老化引發電氣火災.

2 硬件設計

室內輸電線路熱老化監測系統由7 個部分構成,包括MCU 控制模塊、可見光傳感器、紅外傳感器、霍爾電磁傳感器、以太網通信模塊、POE 電源模塊和用戶終端.室內輸電線路熱老化監測系統的硬件框圖如圖1所示.

圖1 系統硬件框圖

2.1 MCU 控制模塊

本系統的主控芯片采用的是ST (意法半導體)公司的STM32F765 芯片.它是一款基于ARM Cortex-M7內核的32 位微處理器,內部集成512 KB SRAM,主時鐘頻率最高可達216 MHz,具有雙精度浮點運算單元DPFPU,其處理速度遠遠快于傳統的8、16 位機,而且它還具有與攝像頭通訊的專用DCMI 接口,滿足本系統視頻圖像數據、溫度數據和電磁力數據的采集、處理和傳輸的需要.

2.2 傳感器模塊

本系統由3 種傳感器組成,分別為：紅外傳感器、可見光傳感器和霍爾電磁傳感器.

2.2.1 紅外傳感器

為了實現對室內輸電線路溫度數據的采集,本系統選用邁來芯MLX90621 紅外傳感器模塊[5].MLX90621憑借有效像素16×4 的焦平面陣列,能夠捕獲每張圖像中每一個像素的精確的、經校準、非接觸式的溫度數據[5],并通過I2C 接口與MCU 進行通信[6].

2.2.2 可見光傳感器

為了實時視頻監控和拍攝線纜異常部位圖片的需要,本系統選用OV2640 高清攝像頭模塊.OV2640 支持200 萬像素UXGA 1622×1200 分辨率30 fps 的視頻輸出,并且可直接輸出JPEG 格式的圖像[7].OV2640 通過DCMI 總線與MCU 傳輸圖像數據.DCMI 總線采用并行傳輸的方式,最高可接收54 MB/s 的數據流,適合用于本系統異常部位圖片采集和視頻監控的需要.

2.2.3 霍爾電磁傳感器

為了定位墻體內導線的位置,對墻體內電纜與其他熱源進行區分,本系統采用YS-27/3144E 霍爾傳感器模塊檢測墻體內導線的磁感應強度,它會輸出一個與磁感應強度成正比例的數字電壓信號,送入MCU 中進行處理[8].

2.3 通信模塊

本系統采用以太網通信方式進行設備與上位機之間的通信.以太網通信模塊由以太網芯片W5500、網絡變壓器HY601680 和RJ45 模塊組成[9].W5500 通過SPI(外設串行接口)方式與MCU 進行通訊,實時接收傳感器和視頻數據.W5500 通過網絡變壓器HY601680與RJ45 模塊相連,將從MCU 接收到的數據通過網線傳輸到用戶終端.

2.4 電源模塊

電源是整個系統最重要的部分之一,電源模塊的好壞直接決定系統能否正常工作.為了簡化布線,節約人工成本,本系統采用POE 供電模式,選用士蘭微電子股份有限公司的SD4952B 芯片[6],該芯片支持IEEE 802.3af 標準,用于將48 V 的POE 供電電壓轉換為12 V直流電壓,同時通過DC-DC 芯片SY8120 將12 V 電壓降壓至5 V,再經由LDO (低壓差線性穩壓器)電路降壓至3.3 V,為主控制器和其他芯片提供穩定的工作電壓.

3 軟件設計

本系統的軟件設計主要由以下4 個部分組成：溫度數據采集、可見光圖像采集、電磁場強度采集和網絡通信程序設計.

3.1 溫度數據采集

MLX90621 紅外傳感器通過探測被測線纜的紅外輻射強度,得到被測線纜的紅外熱圖像,并在內部集成了一個PATA 傳感器用來測量環境溫度[10],紅外傳感器和PATA 傳感器采集的數據存儲在芯片內置RAM中,通過讀取RAM 中相應的數據以及存儲在EEPROM中的校準常數來計算紅外熱圖像中每個像素點的溫度值,并通過I2C 總線將環境溫度數據和紅外輻射溫度數據傳輸至MCU,經過環境溫度補償后得到待測線纜絕緣層實際溫度數據.

3.2 可見光圖像采集

本系統采用CMOS 圖像傳感器OV2640 拍攝線路異常部位照片及視頻監控,通過SCCB 總線傳輸MCU對OV2640 寄存器的配置參數.由于SCCB 總線和I2C總線十分類似,因此MCU 直接通過I2C 總線與OV2640進行通訊.為了減少數據量,方便網絡傳輸,本程序直接配置OV2640 輸出壓縮圖像文件格式JPEG.MCU控制器通過DCMI 數字攝像頭接口獲取圖像數據流,根據攝像頭的時序和硬件連接的要求,配置DCMI 的工作模式為：使用硬件同步,連續采集所有幀數據,PIXCLK被設置為上升沿有效,VSYNC 和HSYNC被設置為低電平有效,然后通過DMA 傳輸方式進行傳輸.DMA傳輸數據時無需占用CPU,傳輸速度快,適合用于傳輸數據量很大的圖像數據.OV2640 輸出圖像時,一幀一幀地輸出,在幀內的數據按照矩陣的方式逐行輸出每個像素.MCU 通過連續接收圖像數據就完成了視頻數據的采集.

3.3 電磁場強度采集

本系統采用霍爾電磁傳感器采集輸電線路通電時的電磁場強度,確定線路位置.通常,霍爾元件的輸出電壓與半導體材料的磁場強度成正比,但由于輸出電壓很小,所以一般霍爾電磁器件內置差分放大器.因此,MCU 通過檢測傳感器經放大后的輸出電壓就可以計算出被測導線的磁場強度.一般墻體導線距離墻面較遠,因此還需調節霍爾電磁傳感器的靈敏度.

3.4 網絡通信程序設計

本系統采用UDP 協議實現設備和上位機間的數據交互,包括設備將溫度數據、可見光圖像數據、電磁場強度數據傳輸至用戶終端以及用戶終端對設備發送的控制指令.本系統通過W5500 模塊實現設備與上位機間的UDP 通信,程序采用輪詢UDP 端口的Sn_IR寄存器方式檢測是否收到上位機的發送命令請求,如果接收到請求命令時,首先判斷是否接收到了完整的一幀可見光圖像、溫度數據和當前區域的電磁場強度.當數據全部采集完畢后,MCU 將數據包從數據接收緩沖區通過SPI 總線發送到W5500 模塊的UDP 發送緩沖區等待發送,一旦接收到發送指令后,便將溫度數據、可見光圖像數據和電磁場強度數據發送到用戶終端.系統程序流程圖如圖2所示.

圖2 系統程序流程圖

4 系統驗證與分析

4.1 霍爾電磁傳感器測試

為了檢測本系統霍爾電磁傳感器檢測電磁場強度的準確性,將設備放入通電載流直螺線管中心位置,霍爾傳感器輸入電壓兩端接5 V 直流電源,調節補償電路中的可調電阻,使霍爾傳感器補償電路的輸出電壓為0 V.將螺線管兩端通過可調電阻與5 V 直流電源相連,逐漸增大線圈的勵磁電流,并使用電流表測量線圈的勵磁電流IM,使用電壓表測量霍爾傳感器的輸出電壓U,同時計算磁感應強度B,得到實驗數據見表1.

表1 霍爾傳感器實驗數據

使用Matlab 軟件進行數據擬合后,如圖3所示：霍爾傳感器的輸出電壓基本上與傳感器所處位置的磁感應強度線性相關,該傳感器工作正常.

圖3 霍爾傳感器輸出電壓與磁感應強度對應關系

綜合以上實驗數據可知,本系統霍爾電磁傳感器工作正常,可用于檢測墻體內部線纜的電磁場強度,確定線纜位置.

4.2 紅外傳感器和可見光傳感器融合

為了驗證本系統紅外傳感器和可見光傳感器能否正常工作,使用本設備監測室內輸電線路的老化情況,并通過手機APP 和PC 客戶端實時呈現待測線纜的可見光圖像和溫度數據,圖4為手機APP 的屏幕截圖,圖5為PC 客戶端截圖.其中圖4(a)和圖5(a)為待測線纜的可見光圖像,圖4(b)和圖5(b)為可見光與溫度融合后的圖像,可實時顯示監測區域內每個像素點的溫度數值.由圖4和圖5可知,通過可見光傳感器拍攝的線纜未發現異常,但是通過紅外傳感器采集的溫度數據發現右側黑色線纜區域溫度較高,在50 ℃左右,可能線纜絕緣層發生了老化,需要及時更換線纜.通過以上實驗可知,本系統紅外傳感器和可見光傳感器均工作正常,可實時監控待測線纜的溫度情況,滿足室內輸電線路實時視頻監控和熱老化監測的需要.

圖4 手機APP 屏幕截圖

4.3 實驗結果對比

使用不同線路老化檢測方法對多種材質的電纜進行線路熱老化檢測速度和準確率的測試,測試結果如表2所示.

可以看出本文提出的線路老化檢測方法,相比其他3 種線路老化檢測方法,檢測速度和準確率較高,而且本裝置無需手動操作,可檢測墻體內部導線的老化情況,通過客戶端程序實時監控線纜溫度,相比其他檢測方法更加直觀和便捷.本系統可以預警線路老化隱患,不僅不會破壞導線,實際線路還能再利用,可以更好地節約成本.

圖5 PC 客戶端截圖

表2 不同線路老化檢測方法對比測試結果

4.4 配電箱驗證效果

硬件設備完好且系統運行正常,本裝置可用于監測配電箱內的線路老化情況,由圖6可知,配電箱內兩根紅色導線溫度較高,溫度達到了40 ℃,線路絕緣層可能發生了老化.系統將記錄該溫度數據,當該監測點溫度連續10 s 達到40 ℃以上時,發出線路老化預警,提醒工作人員及時處理.

圖6 配電箱內線路老化監測

5 結束語

結合紅外傳感器的室內輸電線路老化監測系統,可實時監測待測線纜的溫度,對墻體內線纜和其他熱源進行區分,并對線纜異常部位拍攝照片.用戶可通過手機APP 或PC 客戶端實時監控待測線纜狀態和線纜各部分的溫度情況,發生隱患及時報警,提醒用戶及時更換老化線纜.經過實驗驗證,本系統傳感器工作正常,用戶終端界面友好,滿足室內輸電線路熱老化監測的需要,這給預防因線路老化引發電氣火災提供了一種切實可行的解決方案.