無線測溫監測系統設計

王 萍

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601）

在電力系統中，高壓開關柜將斷路器、互感器及相關的控制電器、輔助設備等組合起來，封閉在金屬柜內，對供電系統的電能進行接受和分配［1］.然而，當電路中電流過大時，這種封閉式結構就會導致熱量集結，溫升加劇［2］，若得不到有效散熱，長期在此環境下運行，就會導致溫升告警、跳閘停電等事故，造成電力系統經濟損失［3-4］.據統計，每年約有40%的電力事故是由開關設備溫升異常造成的［4］，因此，需要采取措施監測高壓開關柜的溫度.

目前，常用的測溫方法中人工紅外測溫具有局限性，示溫蠟片不能及時跟蹤溫度［1］.此外，開關柜內環境惡劣，測溫系統需克服大電流、強磁場等環境干擾.針對現有測溫手段的缺陷，設計了一種高壓開關柜無線溫度監測系統，該系統能夠實現開關柜內溫度實時在線監測，可以實現設備溫升檢測的實時性、有效性，能夠及時發現溫度異常部位，有效避免事故發生.

1 系統概述

通常溫度采集器安裝在高壓開關柜需要測溫的節點部位，包括開斷節點、母線觸頭及接點等，由6~12個溫度采集器構成1個測量集群.每個測量集群采用功耗低、傳輸速率高的nRF24L01無線發射模塊，將采集到的節點溫度傳輸到儀表控制終端，通過RS485通訊接口上傳到上位機.因此，高壓開關柜無線測溫系統主要包括溫度采集模塊和儀表控制終端兩大部分，由溫度傳感器、nRF24L01無線通信、RS485通信等組成，系統結構如圖1所示.溫度傳感器采集各測試點溫度，通過無線發射模塊nRF24L01將溫度數據匯集，實時顯示在儀表控制終端界面上.儀表控制終端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信網絡，對溫度數據進行傳輸、接收和存儲，同時具有設備自檢功能，對超溫數據發出警報.

圖1 高壓開關柜無線測溫系統結構

2 硬件設計

2.1 溫度測量模塊

溫度傳感器采用DS18B20，測量溫度范圍從-20 ℃ 到120 ℃，通過主控制器將監測到的溫度值傳輸到nRF24L01無線通信模塊. DS18B20的接口電路如圖2所示.這部分MCU的主要功能是溫度采集和數據傳輸，數據量小，程序內容較簡單，因此選擇STM8L051F3P6單片機實現數據存儲和傳輸控制.

圖2 DS18B20與STM8接口電路圖

2.2 無線收發模塊

目前，短距離無線通信技術主要有藍牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01［5-12］等.考慮到高壓開關柜高壓、大電流和強磁場等特殊的運行環境，以及控制模塊低功耗、低成本、小型化等技術要求［9］，無線模塊采用Nordic公司的nRF24L01芯片進行設計. STM8單片機與nRF24L01無線模塊接口電路如圖3所示，二者之間通過SPI接口進行雙向通信.

圖3 STM8與nRF24L01接口電路圖

2.3 儀表控制終端模塊

控制終端電路采用STM32F103為核心進行設計，主要包括LCD顯示、數據存儲與報警、無線通信和RS485通信，如圖1所示.顯示模塊采用2.8寸液晶顯示屏，控制芯片為ILI9341，存儲芯片采用AT24C64，選用帶隔離的RS485通信芯片，能夠有效增強設備的抗干擾能力，保證設備的穩定運行.

控制終端模塊主要功能包括：（1）12路無線溫度顯示；（2）報警溫度限值設置；（3）記錄最近12次超高溫報警數據，所有數據均帶有時標記錄；（4）通訊地址和波特率設定功能；（5）設備具有自檢和自動恢復功能；（6）數據通訊功能，通過數據總線將數據上傳到上一級采集器或者上傳到后臺.

3 軟件設計

3.1 溫度采集與發送模塊

程序流程如圖4所示：（1）溫度達到快速發送模式（報警溫度-20 ℃）時，溫度數據30 s發送一次；（2）溫 度沒有達到快速發送模式時，30 s進行一次溫度采樣，當溫升超過5 ℃時，才將數據發送給儀表控制終端.

圖4 溫度采集與發送模塊程序流程框圖

3.2 控制終端模塊

儀表控制端程序流程如圖5所示.（1）無線模塊接收到采集模塊的溫度數據，則進行溫度顯示，若溫度達到設置的報警值，則記錄過溫時間，繼電器動作報警；（2）控制終端接收到系統設置的報文，則對儀表端控制參數進行設置；（3）若是接收到溫度查詢報文，則把溫度值送到儀表控制終端.

圖5 儀表控制端程序流程框圖

4 測試結果

由于在系統設置界面中測溫點數設置為12，因此，實時溫度顯示界面對應有12路溫度輸出.如圖6（a）~（c）所示為系統儀表控制終端顯示界面.此外，系統設置界面還可以對配對碼、溫度上下限、通信地址、波特率以及系統時間等進行設置.設置溫度報警值為90 ℃，若實時溫度值超過這一溫度上限時，將在事件記錄界面記錄此次事件發生的時間、溫度值以及持續時間.事件記錄界面共有4頁，可以記錄12次報警事件，圖6（c）顯示的是其中的第1頁.

圖6 系統顯示界面

5 結論

系統采用STM32F103作為控制核心，無線模塊采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU協議在主機和終端設備之間通訊.實驗結果表明，該系統能夠實時檢測12路溫度數據，能夠對報警溫度限值、通訊地址和波特率等參數進行設置，對于最近12次超高溫報警數據，能夠顯示并帶有時標記錄.測試結果驗證了該系統的可行性，提高了開關柜設備運行的安全性和可靠性.