于保柱++賈丹平++趙立民

摘 要：為提高溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作效率，文中設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信技術(shù)的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，采取高性能、低功耗的MSP430F149作為主微處理器芯片，并利用溫度傳感器MAX6675完成K型熱電偶冷端自動(dòng)補(bǔ)償以及射頻發(fā)射器nRF905芯片來完成無(wú)線通信，同時(shí)采取LabVIEW軟件完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，從而構(gòu)建了一種由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)構(gòu)成的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，保障變電站設(shè)備的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；變電站設(shè)備；溫度監(jiān)測(cè)；抗干擾

中圖分類號(hào)：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于無(wú)線通信技術(shù)的重要內(nèi)容，同時(shí)也是無(wú)線通信技術(shù)不斷發(fā)展的主要趨勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取、傳輸及處理，其完善的控制系統(tǒng)提升了自動(dòng)化技術(shù)水平，真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制的一體化智能管理[1]。

變電站設(shè)備在使用過程中存在的觸頭老化，物理振動(dòng)等原因，可能會(huì)造成接觸處溫度升高，引起接點(diǎn)處氧化，導(dǎo)致電阻增大，溫度進(jìn)一步上升，致使變電站設(shè)備故障，影響變電站設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，基于無(wú)線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)變電站設(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解變電站設(shè)備的實(shí)際使用情況和使用壽命，并對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行智能控制，進(jìn)而防止變電站設(shè)備發(fā)生故障，為變電站設(shè)備的正常運(yùn)行提供重要保障[2]。

1 基于無(wú)線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

1.1.1 溫度監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件系統(tǒng)的目的

主要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)變電站中的高壓母排進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)變電站設(shè)備故障時(shí)，其開關(guān)接頭處會(huì)產(chǎn)生熱量，系統(tǒng)會(huì)在溫度變化異常前發(fā)生警報(bào)，并將發(fā)熱信息通過溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳送給用戶，以有效保證變電站設(shè)備的安全運(yùn)行。

1.1.2 溫度監(jiān)測(cè)主要功能

在溫度監(jiān)測(cè)方面，計(jì)算機(jī)可以對(duì)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握被監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化，并直接顯示出被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確地址、信號(hào)接收狀態(tài)、告警溫度設(shè)置、溫度報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成，及在一段時(shí)間內(nèi)的溫度曲線顯示。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)方法

每一個(gè)變電站配電柜中都要設(shè)置幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過無(wú)線通信技術(shù)傳送到中轉(zhuǎn)機(jī)，再由中轉(zhuǎn)機(jī)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備中，連接電腦，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的還原，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，下位機(jī)的主要作用是對(duì)變電站設(shè)備溫度信息進(jìn)行獲取和傳輸，并根據(jù)預(yù)設(shè)事件進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集層功能

采集溫度數(shù)據(jù)，定時(shí)發(fā)送。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

根據(jù)變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用需求，本文將無(wú)線通信監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、管理分析層及系統(tǒng)通信層，其整體框架如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層是由分布在高壓開關(guān)柜、母線接頭、電纜接頭等設(shè)備上的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建，貫穿于整個(gè)變電站環(huán)境中，對(duì)變電站各設(shè)備的溫度信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)通信層主要負(fù)責(zé)中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。主控室監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)利用RS-485總線和多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并采用主從應(yīng)答的方式完成基本通信功能。管理分析層主要完成數(shù)據(jù)的分析處理工作。主控室監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)在管理分析層上對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、圖表顯示、打印及智能控制，并具有超限報(bào)警功能[4]。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)部署在變電站內(nèi)各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，環(huán)境比較惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)要盡可能考慮低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。此節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在體積上足夠小，以保證對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象本身特性造成的影響可忽略不計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成框架由微處理器單元、無(wú)線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元和電源單元構(gòu)成[5]，如圖2所示。溫度傳感器應(yīng)根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)需求選取，測(cè)溫范圍為0～500℃，測(cè)溫精度±0.5℃能滿足變電站各種設(shè)備對(duì)測(cè)溫范圍和精度的要求。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）微處理器單元。微處理器單元的主芯片采用 MSP430F149芯片，其電路部分包括與溫度數(shù)據(jù)采集單元的接口、與無(wú)線通信單元的接口和與撥碼開關(guān)的接口等。該芯片具有功耗低、空間占有小、處理能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定及安全高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，并且其運(yùn)行溫度范圍能夠適應(yīng)變電站的工作環(huán)境，適合于開發(fā)低功耗、小型化的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控終端設(shè)備[6]。

（2）數(shù)據(jù)采集單元。本設(shè)計(jì)主要采用了包含K 型熱電偶的MAX6675溫度傳感器來讀取溫度數(shù)據(jù)。MAX6675的測(cè)溫范圍為0～1 024 ℃，工作溫度范圍為-20～85 ℃，自帶冷端補(bǔ)償電路，能將 K 型熱電偶的輸出熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換為12位溫度值，分辨率為0.25 ℃。圖 3 所示為MAX6675與MSP430F149的接口電路。

圖 3 MAX6675與MSP430F149的接口電路

（3）無(wú)線通信單元。該單元采用單片射頻收發(fā)器芯片nRF905，其電路部分主要包括MSP430F149接口電路、晶振電路天線部分電路[7]。

（4）電源單元。電源單元采用TPS60100芯片，通過鋰電池供電，提供3.3 V電壓。

1.3.2 中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)要通過無(wú)線通信單元匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度信號(hào)；將采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行分析處理，并嵌入到RS 485總線上，等待主控計(jì)算機(jī)采集；將節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)參數(shù)以及溫度采集節(jié)點(diǎn)上報(bào)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以防丟失。

根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)電路要實(shí)現(xiàn)的功能，將中心節(jié)點(diǎn)的硬件組成框架按圖4設(shè)計(jì)，由微處理單元、無(wú)線通信單元、串行通信單元、存儲(chǔ)單元等組成。

圖4 中心節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）串行通信單元。該單元設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 總線接口，一方面將中心節(jié)點(diǎn)處理好的溫度數(shù)據(jù)傳輸給主控計(jì)算機(jī)；另一方面根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的控制命令對(duì)模塊進(jìn)行控制。

（2）存儲(chǔ)單元。為防止中心節(jié)點(diǎn)掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)時(shí)加入了存儲(chǔ)單元，主要存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)地址和節(jié)點(diǎn)的基本配置信息。而這些信息都是中心節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通信的憑證。

（3）電源單元。微處理單元和無(wú)線通信單元的供電電壓為3.3 V，串行通信單元和存儲(chǔ)單元的供電電壓為5 V。因此，本模塊使用了2個(gè)電源芯片LM2575和LM1117-3.3，分別提供5 V和3.3 V電壓。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

射頻發(fā)射端與射頻接收端的軟件設(shè)計(jì)采用編程開發(fā)工具IAR for MSP430。上位機(jī)軟件采用LabVIEW軟件編寫，該軟件所提供的各種模塊化、圖形化的函數(shù)能安全高效地實(shí)現(xiàn)所需功能。

上位機(jī)接收端流程和發(fā)射端流程分別如圖5和圖6所示。系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先執(zhí)行初始化程序，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、中斷初始化、芯片GPIO管腳初始化、串口初始化、SPI口初始化、射頻模塊初始化、定時(shí)器初始化。與PC機(jī)相連的射頻接收端轉(zhuǎn)化為發(fā)送模式，發(fā)出查詢命令，循環(huán)訪問4個(gè)測(cè)溫終端，4個(gè)測(cè)溫終端此時(shí)處于接收等待狀態(tài)，只有當(dāng)測(cè)溫終端接收到通信地址與本測(cè)溫終端的硬件地址一致，且 CRC校驗(yàn)正確時(shí)，測(cè)溫終端才開始測(cè)溫，并發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)入掉電模式。若無(wú)線收發(fā)模塊開啟了自動(dòng)應(yīng)答功能，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)或命令后，收到接收方的確認(rèn)信號(hào)（ACK信號(hào)）后才表示發(fā)送成功，否則將再次發(fā)送信號(hào)。與PC機(jī)相連的射頻接收端成功發(fā)出命令后，轉(zhuǎn)為接收模式，接收4個(gè)測(cè)溫終端的數(shù)據(jù)包，最后將溫度數(shù)據(jù)通過RS 232串口上傳給PC機(jī)，判斷溫度是否超限，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上并儲(chǔ)存。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用LabVIEW的函數(shù)模塊直接調(diào)用各函數(shù)模塊搭建所需的功能程序，所用語(yǔ)言俗稱“G 語(yǔ)言”，即圖像語(yǔ)言。該軟件設(shè)計(jì)包括串口初始化、串口寫命令、串口中斷、數(shù)據(jù)幀頭判斷子VI、溫度變換和顯示子VI、數(shù)據(jù)保存。圖 7所示為上位機(jī)監(jiān)控程序。

圖5 上位機(jī)接收端程序流程圖

圖6 發(fā)送端程序流程圖

2 基于無(wú)線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電源管理

在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果斷電，系統(tǒng)會(huì)立即停止工作，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常使用。因此，對(duì)各溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全高效的電源管理是變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（1）電池選擇。電池是各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的主要電能提供者，所以要盡量選擇能量高、壽命相對(duì)較長(zhǎng)的電池。

（2）硬件低功耗設(shè)計(jì)。除了選擇高效的電池外，還要進(jìn)行硬件的低功耗設(shè)計(jì)。選擇具有低電壓、低功耗的處理器芯片，如MSP430F149芯片。該芯片主要適用于無(wú)線微型產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件設(shè)施對(duì)低功耗的要求。

（3）軟件低功耗設(shè)計(jì)。軟件低功耗設(shè)計(jì)主要通過MSP430F149的活動(dòng)模式與低耗模式對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行有效的開發(fā)與利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的低功耗。在進(jìn)行軟件低功耗設(shè)計(jì)的過程中，要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)模塊的供電，即只在工作期間供電，其余時(shí)間關(guān)閉模塊節(jié)點(diǎn)，需要時(shí)再重新啟動(dòng)[8]。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控程序

2.2 抗干擾技術(shù)

傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中經(jīng)常會(huì)受到干擾，根據(jù)性質(zhì)分為內(nèi)部干擾與外部干擾。內(nèi)部干擾主要是系統(tǒng)內(nèi)部包含的電子電路形成的互相干擾；外部干擾則為外界干擾元素進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部而形成的干擾，其中影響最為頻繁的就是電磁干擾。因此，為保證溫度信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，要及時(shí)排除系統(tǒng)內(nèi)外部干擾，提高變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的過程中，為減小和抑制干擾，把干擾問題納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中，從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)入手，提高變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.3 通信協(xié)議

變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信協(xié)議主要包括CSMA與TDMA。CSMA通信屬于爭(zhēng)用型介質(zhì)訪問控制協(xié)議，主要依托于ALOHA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，更傾向于介質(zhì)利用率的開發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)送數(shù)據(jù)之前會(huì)對(duì)大氣中同頻率載波進(jìn)行檢測(cè)，若存在這種載波，CSMA不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有不存在同頻率載波的情況下才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其發(fā)送原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上有較大優(yōu)勢(shì)，適合在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用[9]。對(duì)于TDMA來說，主要是一種時(shí)間分割信道協(xié)議，在傳送數(shù)據(jù)的過程中，在每個(gè)時(shí)幀內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙在特定時(shí)域中不會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象，各節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)隙中不會(huì)使信號(hào)混亂。因此，TDMA通信協(xié)議更加重視通信質(zhì)量，系統(tǒng)容量也相對(duì)較大，在實(shí)際運(yùn)行中可有效降低電池能耗。

3 基于無(wú)線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

可采取如下硬件抗干擾措施：

（1）提高印刷板工藝。在采用印刷工藝進(jìn)行硬件抗干擾過程中，通過合理布線，加粗電源線，使電源線和地線方向與數(shù)據(jù)傳輸方向保持統(tǒng)一，及接地方式等抑制內(nèi)外界信號(hào)干擾。印刷電路板上的各器件滿足干擾小、散熱快等要求，同時(shí)印刷電路板的各個(gè)線路互相遠(yuǎn)離，可防止互相干擾的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）利用金屬屏蔽。空心密封金屬屏蔽體縱使在電場(chǎng)環(huán)境中，屏蔽體內(nèi)的電場(chǎng)也可以不受外部電場(chǎng)的影響，始終保持電場(chǎng)強(qiáng)度為0。因此，可利用這一抗干擾原理，在變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的外部放置金屬屏蔽體，金屬屏蔽體表面接地，達(dá)到抗干擾的目的。

3.2 軟件抗干擾措施

內(nèi)部干擾的頻譜一般較寬，除要采用硬件抗干擾措施外，還要在軟件方面建立抗干擾系統(tǒng)，保證變電站設(shè)備的正常運(yùn)行。在程序中，為減少中斷源，一般是在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)地址入口處設(shè)置軟件陷阱，使其跳轉(zhuǎn)到程序入口，同時(shí)使用看門狗軟件抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。將重要的數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)模塊中，避免內(nèi)部干擾導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)在通信過程中設(shè)置了CRC檢驗(yàn)，以保證通信信息的準(zhǔn)確性和可靠性[10]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文進(jìn)行了兩方面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。一是系統(tǒng)傳感器測(cè)溫精度測(cè)試；二是系統(tǒng)功能測(cè)試。

4.1 傳感器測(cè)溫精度測(cè)試

將MAX6675熱電偶溫度傳感器置于可控的恒溫箱內(nèi)，其中標(biāo)準(zhǔn)溫度采用水銀溫度計(jì)，在上位機(jī)上讀取傳感器的測(cè)量溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1所列。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，誤差在± 0.5℃以內(nèi)則符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值的分布圖如圖8所示。

系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯的原因主要是由感溫探頭的導(dǎo)熱能力和物理硬件現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)不可避免產(chǎn)生的誤差引起的。如果探頭的導(dǎo)熱性能良好，其響應(yīng)溫度變化的速度就會(huì)加快，遲滯程度就會(huì)減小，同時(shí)信號(hào)調(diào)理電路性能的好壞也會(huì)影響測(cè)量精度。

4.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.2.1 傳感器設(shè)置測(cè)試

在傳感器安裝前，按系統(tǒng)配置表在監(jiān)測(cè)主機(jī)中設(shè)置傳感器ID。然后分別使用電吹風(fēng)對(duì)傳感器逐個(gè)吹熱風(fēng)測(cè)試，檢查監(jiān)測(cè)主機(jī)顯示的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

4.2.2 報(bào)警輸出功能測(cè)試

設(shè)定溫度報(bào)警值為65℃，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，裝置即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，溫度下降后，報(bào)警復(fù)歸[11]。檢查測(cè)溫主機(jī)、監(jiān)控電腦聲光信號(hào)及報(bào)文是否正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3所列。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)中的實(shí)際問題，提出一種基于無(wú)線通信的變電設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)可以對(duì)變電設(shè)備發(fā)熱部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，該系統(tǒng)可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，功耗小，移動(dòng)性強(qiáng)，成本低，可廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的多點(diǎn)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

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