趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:為了降低測(cè)溫系統(tǒng)的安裝難度并提高測(cè)溫系統(tǒng)的普適性,設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)。該測(cè)溫系統(tǒng)由主溫度匯集單元和從溫度感知單元組成,主溫度匯集單元與從溫度感知單元通過(guò)射頻(RF)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信。介紹了系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單,可適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同的設(shè)備,并具有低功耗、易維護(hù)的特性。
關(guān)鍵詞:測(cè)溫系統(tǒng);低功耗;RF無(wú)線(xiàn)模塊
0引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科技水平不斷提高,電力設(shè)備種類(lèi)越來(lái)越豐富,尤其是高精度設(shè)備越來(lái)越多,這些設(shè)備對(duì)溫度要求非常高,不同的溫度對(duì)設(shè)備影響很大,如變壓器觸頭,其溫度反映了用電負(fù)荷情況,如果在高負(fù)荷情況下觸頭溫度會(huì)升高,溫度升高會(huì)影響變壓器性能,甚至出現(xiàn)故障,導(dǎo)致停電并造成經(jīng)濟(jì)損失。
傳統(tǒng)人為抄讀溫度儀表盤(pán)的方式已不能滿(mǎn)足當(dāng)前測(cè)溫需求。演變出來(lái)的有線(xiàn)式連接主機(jī)進(jìn)行測(cè)溫的方式對(duì)布線(xiàn)規(guī)劃、施工等要求較高。無(wú)線(xiàn)測(cè)溫發(fā)送方式對(duì)主站硬件要求過(guò)高且不靈活。巡檢機(jī)器人圖像識(shí)別儀表盤(pán)或者紅外相機(jī)判斷被測(cè)物體溫度的方法對(duì)被測(cè)物要求過(guò)高,需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀(guān)察被測(cè)物。在新智能環(huán)境下,迫切需要一種簡(jiǎn)便有效且對(duì)主機(jī)系統(tǒng)通用的無(wú)線(xiàn)測(cè)溫方式。
1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
本文所提無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)包括主溫度匯集單元和若干個(gè)從溫度感知單元。系統(tǒng)使用一主多從的方式,可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量,從溫度感知單元與被測(cè)物體接觸來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的溫度,從溫度感知單元經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信方式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元,主溫度匯集單元與主機(jī)連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機(jī)。無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件整體設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)包括兩個(gè)部分,即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。
圖1無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
從溫度感知單元包括溫度傳感器、溫度檢測(cè)電路、微控制單元(microcontrolunit,MCU)、電源管理電路、鋰電池、鋰電池電壓測(cè)量電路、看門(mén)狗電路、射頻(radiofrequency,RF)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和RF天線(xiàn)。從溫度感知單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
圖2 從溫度感知單元硬件設(shè)計(jì)框圖
溫度傳感器安裝在被測(cè)物體上,溫度傳感器經(jīng)溫度檢測(cè)電路與MCU連接,看門(mén)狗電路與MCU輸出端連接,鋰電池經(jīng)鋰電池電壓測(cè)量電路與MCU的輸入端連接,MCU的輸出端經(jīng)RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及RF天線(xiàn)與主溫度匯集單元通信。鋰電池輸出端與電源管理電路連接,電源管理電路分別與溫度檢測(cè)電路、看門(mén)狗電路、鋰電池電壓測(cè)量電路、MCU和RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接為其供電。
主溫度匯集單元包括通用串行總線(xiàn)(universalseriesbus,USB)接口、USB轉(zhuǎn)串口、MCU、看門(mén)狗電路、電源管理電路、RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和RF天線(xiàn)。主溫度匯集單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊與RF天線(xiàn)連接,RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊與MCU連接,MCU經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口及USB接口與主機(jī)進(jìn)行通信,MCU輸出與看門(mén)狗電路連接。USB接口與電源管理電路輸入端連接,電源管理電路輸出端與MCU、看門(mén)狗電路、RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及USB轉(zhuǎn)串口連接并為其供電。
圖3主溫度匯集單元硬件設(shè)計(jì)框圖
主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接,使得主機(jī)種類(lèi)配置更加靈活,使用更加開(kāi)放,可與包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、融合終端、巡檢機(jī)器人等擁有USB接口的主機(jī)進(jìn)行連接,且主溫度匯集單元使用USB供電,無(wú)需外接電源,降低了使用難度。
2.2主控芯片選型
從溫度感知單元采用鋰電池供電,為了延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間及減少?gòu)臏囟雀兄獑卧木S護(hù)工作,從溫度感知單元采用超低功耗MCU。MCU為STM8L系列的STM8L052R8[8-9],該芯片在運(yùn)行模式下,功耗低至200μA/MHz;提供五種低功耗模式,在低功耗等待模式下,功耗僅為3μA;內(nèi)置64KBFlash,256B帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器 (electricallyerasableprogrammablereadonlymemory,EEPROM)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片(realtimeclock,RTC)、液晶顯示器(liquidcrystaldisplay,LCD)、串行外設(shè)接口(serialperipheralinterface,SPI)等資源。從溫度感知單元采用此超低功耗MCU,可以實(shí)現(xiàn)電池使用五年免維護(hù)。
主溫度匯集單元MCU采用STM32F100C8,該芯片采用32位Cortext-M3內(nèi)核架構(gòu),工作頻率可以達(dá)到24MHz,內(nèi)置128KBFlash,8KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(staticrandomaccessmemory,SRAM)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter,ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digitaltoanalogconverter,DAC)、12timers計(jì)時(shí)器等資源。
2.3無(wú)線(xiàn)傳輸模塊選型
無(wú)線(xiàn)傳輸模塊是推出的一款超低功耗集成的單芯片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片,頻率范圍從300MHz到510MHz。本設(shè)計(jì)采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗,接收模式電流僅有3mA。
2.4溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
從溫度感知單元溫度檢測(cè)電路如圖4所示,包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開(kāi)關(guān)電路3,其中,TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳,MCU可通過(guò)高低電平來(lái)控制MOS管開(kāi)關(guān)電路3。由10kΩ電阻R15、330Ω電阻R16與負(fù)溫度系數(shù)(negativetemperaturecoefficient,NTC)熱敏電阻R17組成分壓電路。根據(jù)熱敏電阻R17外界溫度不同自身阻值不同的特性和歐姆定理將溫度的變化轉(zhuǎn)化成熱敏電阻R17兩端電壓的變化。根據(jù)功率放大器特性組成電壓跟隨電路,TEMP_AD處電壓反映熱敏電阻R17電壓。TEMP_AD連接MCU的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)引腳,通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換,經(jīng)計(jì)算可得到電壓值,根據(jù)電壓和溫度之間關(guān)系算出溫度值。MCU芯片退出睡眠模式,分別改變TEMP_PWR和TEMPH_PWR電平導(dǎo)通MOS管開(kāi)關(guān)電路3,根據(jù)分壓電路1和電壓跟隨電路2,通過(guò)TEMP_AD讀取熱敏電阻R17兩端電壓,算出當(dāng)前溫度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同測(cè)溫精度和范圍,TEMP_PWR溫度分辨率為0.5℃,溫度測(cè)量范圍為?40~170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃,溫度測(cè)量范圍為?20~125℃。
圖4溫度檢測(cè)電路
2.5看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)
從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門(mén)狗電路如圖5所示,看門(mén)狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳,RESET連接MCU的RESET引腳(復(fù)位引腳),MCU定時(shí)給WDI一個(gè)脈沖信號(hào),看門(mén)狗芯片獲取信號(hào),不對(duì)RESET引腳輸出脈沖信號(hào),即不對(duì)MCU進(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無(wú)法進(jìn)行操作,當(dāng)時(shí)間超過(guò)1600ms時(shí),看門(mén)狗芯片會(huì)輸出脈沖信號(hào),對(duì)MCU進(jìn)行復(fù)位以 解除故障。
圖5看門(mén)狗電路
2.6電源管理電路設(shè)計(jì)
從溫度感知單元與主溫度匯集單元的電源管理電路如圖6所示,電源管理電路包括3.3V低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器和2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路。電源管理電路3.3V低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器將電池電壓穩(wěn)定在3.3V供鋰電池電壓測(cè)量電路、看門(mén)狗電路、溫度測(cè)量電路、RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、低功耗MCU使用。2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路供溫度測(cè)量電路和電池電壓測(cè)量電路作電壓分壓電源使用,并將基準(zhǔn)電壓輸入MCU基準(zhǔn)電壓輸入口,以提供準(zhǔn)確的ADC基準(zhǔn)電壓。電源管理電路3.3V低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器將USB接口提供的電壓轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的3.3V電壓,供USB轉(zhuǎn)串口電路、看門(mén)狗電路、RF無(wú)線(xiàn)傳輸電路、MCU使用。
圖6電源管理電路
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)測(cè)試溫度的方式包括空中匹配和主動(dòng)上報(bào)兩種模式。
3.1空中匹配模式
空中匹配模式程序流程如圖7所示。
圖7空中匹配模式程序流程
在從溫度感知單元中,MCU對(duì)看門(mén)狗電路進(jìn)行操作。溫度檢測(cè)電路將溫度傳感器所采集的被測(cè)物體的溫度值保存在MCU中,鋰電池電壓測(cè)量電路測(cè)量鋰電池的電壓并將電壓保存至MCU中。MCU將RF無(wú)線(xiàn)傳輸模塊設(shè)置為接收模式,接收主溫度匯集單元發(fā)送的讀取信息指令,根據(jù)讀取指令將鋰電池的電壓值和被測(cè)物體的溫度值數(shù)據(jù)發(fā)送至主溫度匯集單元,發(fā)送完畢后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。從溫度感知單元在睡眠狀態(tài)無(wú)法接收主溫度匯集單元的指令,直到其睡眠周期超時(shí)后才能接收和回復(fù),睡眠周期在1~65535s之間可設(shè)。主溫度匯集單元將被測(cè)物體溫度值和鋰電池電壓存儲(chǔ)在MCU的Modbus表中以供主機(jī)通過(guò)USB接口使用Modbus規(guī)約讀取。
此模式適合移動(dòng)物體抄讀溫度數(shù)據(jù),如安裝主溫度匯集單元的巡檢機(jī)器人、安裝主溫度匯集單元的手機(jī)、人為巡檢等。
3.2主動(dòng)上報(bào)模式
主動(dòng)上報(bào)模式程序流程如圖8所示。
圖8主動(dòng)上報(bào)模式程序流程
從溫度感知單元進(jìn)入睡眠超低功耗狀態(tài),睡眠周期到達(dá)后,模塊轉(zhuǎn)為工作狀態(tài):①進(jìn)行看門(mén)狗喂作;②溫度傳感器測(cè)量溫度;③進(jìn)行電池電壓檢測(cè);④模塊發(fā)送采集的被測(cè)物體溫度信息和鋰電池電量信息。若發(fā)送完畢后接收到主溫度匯集單元應(yīng)答,模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。若未收到應(yīng)答,模塊繼續(xù)發(fā)送直至超過(guò)重發(fā)次數(shù),模塊進(jìn)入低功耗睡眠模式。
此模式適合固定在從模塊附近不移動(dòng)主機(jī),如安裝主溫度匯集單元的融合終端、安裝主溫度匯集單元的臺(tái)式計(jì)算機(jī)等。
從溫度感知單元與主溫度匯集單元之間采用主動(dòng)上報(bào)和空中匹配兩種工作方式進(jìn)行交互,使用靈活,可以有效降低產(chǎn)品的功耗。主機(jī)根據(jù)獲取的鋰電池的電壓信息,可判斷當(dāng)前從溫度感知單元的電量使用情況,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員根據(jù)從溫度感知單元電量情況進(jìn)行維護(hù),如電量低時(shí)更換電池或者更換設(shè)備。
4產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1從溫度感知單元結(jié)構(gòu)
從溫度感知單元外形設(shè)計(jì)為表帶形狀,方便現(xiàn)場(chǎng)固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線(xiàn)引出,在安裝時(shí)可與被測(cè)物體測(cè)溫點(diǎn)貼合更緊密,測(cè)試溫度更加準(zhǔn)確。從溫度感知單元共有三種顏色樣式,分別為黃、綠、紅三色,三種顏色搭配安裝,更容易區(qū)分且不易出錯(cuò)。從溫度感知單元實(shí)物如圖9所示。
圖9從溫度感知單元實(shí)物
4.2主溫度匯集單元結(jié)構(gòu)
主溫度匯集單元外形為方形盒狀結(jié)構(gòu),天線(xiàn)和USB連接線(xiàn)通過(guò)連接器引出,在外部面板上有設(shè)備工作狀態(tài)的指示燈。主溫度匯集單元實(shí)物如圖10所示。
圖10主溫度匯集單元實(shí)物
5安科瑞無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線(xiàn)測(cè)溫產(chǎn)品介紹
5.1概述
開(kāi)關(guān)柜溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于470MHz無(wú)線(xiàn)測(cè)溫技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行測(cè)溫的系統(tǒng),可對(duì)開(kāi)關(guān)柜分別為母線(xiàn)排、上下觸頭、電纜接頭,柜體表面等部位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況。
5.2應(yīng)用場(chǎng)所
變電所,配電室,箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
開(kāi)關(guān)柜無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、測(cè)溫通訊終端(溫度顯示儀)、溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警工作站三部分組成,
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好,能夠以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢(xún)
溫度歷史曲線(xiàn)(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選):
5.4.3運(yùn)行報(bào)表
查詢(xún)各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表。
5.4.4實(shí)時(shí)報(bào)警
壁掛式無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能,設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出警告。設(shè)備提供以下幾種告警方式:
1)彈出事件報(bào)警窗口。
2)實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警。
3)短信警告??梢韵虬l(fā)送告警信息短信(需選配)。
5.4.5歷史告警查詢(xún)
Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯,查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。
5.4.6用戶(hù)權(quán)限管理
Acrel-2000T無(wú)線(xiàn)測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如數(shù)據(jù)庫(kù)修改等)??梢远x不同級(jí)別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值設(shè)置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB,手機(jī)APP(可選):
通過(guò)手機(jī)APP展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量等概況信息,設(shè)備溫度、通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
5.5.產(chǎn)品選型
5.5.1無(wú)線(xiàn)測(cè)溫傳感器選型
5.5.2收發(fā)器選型
5.5.3測(cè)溫通訊終端(溫度顯示儀)選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫(單柜就地顯示)
a)配置方案
說(shuō)明:ARTM-Pn通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收60只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實(shí)例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫帶操顯功能(單柜就地顯示)
a)配置方案
說(shuō)明:ASD320通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收12只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實(shí)例
5.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫(集中就地顯示/就地?zé)o顯示)
a)配置方案
說(shuō)明:觸摸屏通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場(chǎng)不需要就地顯示,可以直接通過(guò)ATC的RS485接口,把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
b)安裝實(shí)例
5.6.4就地壁掛式集中顯示方案(適用于改造,不方便在柜子上加裝顯示屏的現(xiàn)場(chǎng))
方案一:Acrel-2000T/A就地集中顯示:
說(shuō)明:Acrel-2000/A通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無(wú)線(xiàn)溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二:Acrel-2000T/B就地集中顯示:
說(shuō)明:Acrel-2000T/B不僅可以通過(guò)RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號(hào)傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示,還可以通訊連接配電室內(nèi)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫相關(guān)就地顯示裝置實(shí)現(xiàn)集中顯示,同時(shí)還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機(jī)保護(hù)、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
5.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線(xiàn)測(cè)溫、變壓器繞組測(cè)溫
a)配置方案
說(shuō)明:ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器,有線(xiàn)連接,Pt100傳感器客戶(hù)自配,測(cè)量低壓電氣接點(diǎn)時(shí)Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b)安裝實(shí)例
5結(jié)論
本文所提無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)中的從溫度感知單元采用鋰電池供電,現(xiàn)場(chǎng)安裝方便;使用低功耗MCU,采用其超低功耗方式采集被測(cè)物體溫度信息和鋰電池電量信息,使電池可使用時(shí)間更長(zhǎng);主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機(jī)連接,使得主機(jī)種類(lèi)配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動(dòng)上報(bào)兩種模式,保證主溫度匯集單元與從溫度感知單元之間通信的穩(wěn)定性,且兩種工作模式可根據(jù)使用要求進(jìn)行選擇,保證低功耗運(yùn)行情況下設(shè)備的穩(wěn)定性。
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作者簡(jiǎn)介:趙娜,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用