趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了降低測溫系統(tǒng)的安裝難度并提高測溫系統(tǒng)的普適性，設(shè)計了一種無線測溫系統(tǒng)。該測溫系統(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射頻（RF）無線方式進行通信。介紹了系統(tǒng)的整體方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及外形結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)安裝簡單，可適應(yīng)現(xiàn)場不同的設(shè)備，并具有低功耗、易維護的特性。
關(guān)鍵詞：測溫系統(tǒng)；低功耗；RF無線模塊
0引言
隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和科技水平不斷提高，電力設(shè)備種類越來越豐富，尤其是高精度設(shè)備越來越多，這些設(shè)備對溫度要求非常高，不同的溫度對設(shè)備影響很大，如變壓器觸頭，其溫度反映了用電負荷情況，如果在高負荷情況下觸頭溫度會升高，溫度升高會影響變壓器性能，甚至出現(xiàn)故障，導(dǎo)致停電并造成經(jīng)濟損失。
傳統(tǒng)人為抄讀溫度儀表盤的方式已不能滿足當(dāng)前測溫需求。演變出來的有線式連接主機進行測溫的方式對布線規(guī)劃、施工等要求較高。無線測溫發(fā)送方式對主站硬件要求過高且不靈活。巡檢機器人圖像識別儀表盤或者紅外相機判斷被測物體溫度的方法對被測物要求過高，需要有溫度傳感器硬件支持且能夠觀察被測物。在新智能環(huán)境下，迫切需要一種簡便有效且對主機系統(tǒng)通用的無線測溫方式。
1系統(tǒng)整體方案設(shè)計
本文所提無線測溫系統(tǒng)包括主溫度匯集單元和若干個從溫度感知單元。系統(tǒng)使用一主多從的方式，可實現(xiàn)同時對多個被測設(shè)備進行實時溫度測量，從溫度感知單元與被測物體接觸來測量被測物體的溫度，從溫度感知單元經(jīng)無線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連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機。無線測溫系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。
2硬件設(shè)計
2.1硬件整體設(shè)計
硬件系統(tǒng)包括兩個部分，即從溫度感知單元與主溫度匯集單元。
圖1無線測溫系統(tǒng)整體設(shè)計
從溫度感知單元包括溫度傳感器、溫度檢測電路、微控制單元（microcontrolunit,MCU）、電源管理電路、鋰電池、鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、射頻（radiofrequency,RF）無線傳輸模塊和RF天線。從溫度感知單元硬件設(shè)計框圖如圖2所示。
圖2 從溫度感知單元硬件設(shè)計框圖
溫度傳感器安裝在被測物體上，溫度傳感器經(jīng)溫度檢測電路與MCU連接，看門狗電路與MCU輸出端連接，鋰電池經(jīng)鋰電池電壓測量電路與MCU的輸入端連接，MCU的輸出端經(jīng)RF無線傳輸模塊及RF天線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電路、看門狗電路、鋰電池電壓測量電路、MCU和RF無線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（universalseriesbus,USB）接口、USB轉(zhuǎn)串口、MCU、看門狗電路、電源管理電路、RF無線傳輸模塊和RF天線。主溫度匯集單元硬件設(shè)計框圖如圖3所示。
RF無線傳輸模塊與RF天線連接，RF無線傳輸模塊與MCU連接，MCU經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口及USB接口與主機進行通信，MCU輸出與看門狗電路連接。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、看門狗電路、RF無線傳輸模塊及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)計框圖
主溫度匯集單元采用USB硬件接口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類配置更加靈活，使用更加開放，可與包括計算機、手機、融合終端、巡檢機器人等擁有USB接口的主機進行連接，且主溫度匯集單元使用USB供電，無需外接電源，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，為了延長電池的使用時間及減少從溫度感知單元的維護工作，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器 （electricallyerasableprogrammablereadonlymemory,EEPROM）、實時時鐘芯片（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，可以實現(xiàn)電池使用五年免維護。
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)，工作頻率可以達到24MHz，內(nèi)置128KBFlash，8KB靜態(tài)隨機存取存儲器（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計時器等資源。
2.3無線傳輸模塊選型
無線傳輸模塊是推出的一款超低功耗集成的單芯片無線收發(fā)芯片，頻率范圍從300MHz到510MHz。本設(shè)計采用的頻率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式電流僅有3mA。
2.4溫度檢測電路設(shè)計
從溫度感知單元溫度檢測電路如圖4所示，包括分壓電路1、電壓跟隨電路2和MOS管開關(guān)電路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引腳，MCU可通過高低電平來控制MOS管開關(guān)電路3。由10kΩ電阻R15、330Ω電阻R16與負溫度系數(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，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)計算可得到電壓值，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管開關(guān)電路3，根據(jù)分壓電路1和電壓跟隨電路2，通過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控制不同測溫精度和范圍，TEMP_PWR溫度分辨率為0.5℃，溫度測量范圍為?40～170℃。TEMPH_PWR溫度分辨率為0.05℃，溫度測量范圍為?20～125℃。
圖4溫度檢測電路
2.5看門狗電路設(shè)計
從溫度感知單元與主溫度匯集單元的看門狗電路如圖5所示，看門狗芯片WDI引腳連接MCU的GPIO引腳，RESET連接MCU的RESET引腳（復(fù)位引腳），MCU定時給WDI一個脈沖信號，看門狗芯片獲取信號，不對RESET引腳輸出脈沖信號，即不對MCU進行復(fù)位。如果MCU故障無法進行操作，當(dāng)時間超過1600ms時，看門狗芯片會輸出脈沖信號，對MCU進行復(fù)位以 解除故障。
圖5看門狗電路
2.6電源管理電路設(shè)計
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低壓差線性穩(wěn)壓器和2.5V基準穩(wěn)壓電路。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器將電池電壓穩(wěn)定在3.3V供鋰電池電壓測量電路、看門狗電路、溫度測量電路、RF無線傳輸模塊、低功耗MCU使用。2.5V基準穩(wěn)壓電路供溫度測量電路和電池電壓測量電路作電壓分壓電源使用，并將基準電壓輸入MCU基準電壓輸入口，以提供準確的ADC基準電壓。電源管理電路3.3V低壓差線性穩(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、看門狗電路、RF無線傳輸電路、MCU使用。
圖6電源管理電路
3軟件設(shè)計
系統(tǒng)測試溫度的方式包括空中匹配和主動上報兩種模式。
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對看門狗電路進行操作。溫度檢測電路將溫度傳感器所采集的被測物體的溫度值保存在MCU中，鋰電池電壓測量電路測量鋰電池的電壓并將電壓保存至MCU中。MCU將RF無線傳輸模塊設(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)送完畢后進入睡眠狀態(tài)。從溫度感知單元在睡眠狀態(tài)無法接收主溫度匯集單元的指令，直到其睡眠周期超時后才能接收和回復(fù)，睡眠周期在1～65535s之間可設(shè)。主溫度匯集單元將被測物體溫度值和鋰電池電壓存儲在MCU的Modbus表中以供主機通過USB接口使用Modbus規(guī)約讀取。
此模式適合移動物體抄讀溫度數(shù)據(jù)，如安裝主溫度匯集單元的巡檢機器人、安裝主溫度匯集單元的手機、人為巡檢等。
3.2主動上報模式
主動上報模式程序流程如圖8所示。
圖8主動上報模式程序流程
從溫度感知單元進入睡眠超低功耗狀態(tài)，睡眠周期到達后，模塊轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)：①進行看門狗喂作；②溫度傳感器測量溫度；③進行電池電壓檢測；④模塊發(fā)送采集的被測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)送直至超過重發(fā)次數(shù)，模塊進入低功耗睡眠模式。
此模式適合固定在從模塊附近不移動主機，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式計算機等。
從溫度感知單元與主溫度匯集單元之間采用主動上報和空中匹配兩種工作方式進行交互，使用靈活，可以有效降低產(chǎn)品的功耗。主機根據(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)場運維人員根據(jù)從溫度感知單元電量情況進行維護，如電量低時更換電池或者更換設(shè)備。
4產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1從溫度感知單元結(jié)構(gòu)
從溫度感知單元外形設(shè)計為表帶形狀，方便現(xiàn)場固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線引出，在安裝時可與被測物體測溫點貼合更緊密，測試溫度更加準確。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。從溫度感知單元實物如圖9所示。
圖9從溫度感知單元實物
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)，天線和USB連接線通過連接器引出，在外部面板上有設(shè)備工作狀態(tài)的指示燈。主溫度匯集單元實物如圖10所示。
圖10主溫度匯集單元實物
5安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測溫產(chǎn)品介紹
5.1概述
開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于470MHz無線測溫技術(shù)開發(fā)的針對開關(guān)柜進行測溫的系統(tǒng)，可對開關(guān)柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進行實時監(jiān)測，方便運維人員及遠程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運行情況。
5.2應(yīng)用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監(jiān)測預(yù)警工作站三部分組成，
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：
5.4.3運行報表
查詢各回路設(shè)備運行溫度報表。
5.4.4實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，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）彈出事件報警窗口。
2）實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。
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
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ懈婢录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
5.4.6用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、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APP（可選）：
通過手機APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(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無線測溫傳感器選型
5.5.2收發(fā)器選型
5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收60只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ASD320通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫（集中就地顯示/就地?zé)o顯示）
a）配置方案
說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數(shù)據(jù)傳送到值班室的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。
b）安裝實例
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）
方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：
說明：Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實現(xiàn)開關(guān)柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：
說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發(fā)器接收所有型號傳感器實現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(guān)就地顯示裝置實現(xiàn)集中顯示，同時還可以連接配電室內(nèi)智能操控、微機保護、電力儀表等電力監(jiān)控設(shè)備進行監(jiān)測。
5.6.5低壓電氣接點有線測溫、變壓器繞組測溫
a）配置方案
說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線連接，Pt100傳感器客戶自配，測量低壓電氣接點時Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b）安裝實例
5結(jié)論
本文所提無線測溫系統(tǒng)中的從溫度感知單元采用鋰電池供電，現(xiàn)場安裝方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被測物體溫度信息和鋰電池電量信息，使電池可使用時間更長；主溫度匯集單元采用USB硬件插口、Modbus軟件接口與主機連接，使得主機種類配置更加靈活。主從模塊通信具備空中匹配和主動上報兩種模式，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)使用要求進行選擇，保證低功耗運行情況下設(shè)備的穩(wěn)定性。
參考文獻
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[3]安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.02月版.
[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06月版.
作者簡介：趙娜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用
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