韓歡慶
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(jì)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(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)安裝簡單，可適應(yīng)現(xiàn)場不同的設(shè)備，并具有低功耗、易維護(hù)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(jì)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(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(jī)進(jìn)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(jī)器人圖像識(shí)別儀表盤或者紅外相機(jī)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(jī)系統(tǒng)通用的無線測溫方式。
1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
本文所提無線測溫系統(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)對多個(gè)被測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)連接將匯集的溫度信息發(fā)送至主機(jī)。無線測溫系統(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無線測溫系統(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(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(jì)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(jī)進(jìn)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(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)種類配置更加靈活，使用更加開放，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(shí)間及減少從溫度感知單元的維護(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(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溫度檢測電路設(shè)計(jì)
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(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(jì)
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(shí)給WDI一個(gè)脈沖信號(hào)，看門狗芯片獲取信號(hào)，不對RESET引腳輸出脈沖信號(hào)，即不對MCU進(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無法進(jìn)行操作，當(dāng)時(shí)間超過1600ms時(shí)，看門狗芯片會(huì)輸出脈沖信號(hào)，對MCU進(jìn)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(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(zhǔn)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(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(jì)
系統(tǒng)測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對看門狗電路進(jìn)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(jìn)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(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)行看門作；②溫度傳感器測量溫度；③進(jìn)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(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)場固定安裝。溫度傳感器觸頭使用引線引出，在安裝時(shí)可與被測物體測溫點(diǎn)貼合更緊密，測試溫度更加準(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(shí)物如圖10所示。
圖10主溫度匯集單元實(shí)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(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(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
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：
5.4.3運(yùn)行報(bào)表
查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表。
5.4.4實(shí)時(shí)報(bào)警
壁掛式無線測溫監(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)語音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警。
3）短信警告。可以向發(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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、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(yùn)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)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、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）：
通過和手機(jī)APP展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(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(diǎn)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(shí)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(shí)例
5.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)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(shí)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(shí)例
5.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)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(shí)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(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）
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(shí)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(hào)傳感器實(shí)現(xiàn)集中顯示，還可以通訊連接配電室內(nèi)無線測溫相關(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。
5.6.5低壓電氣接點(diǎn)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(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(shí)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(jī)連接，使得主機(jī)種類配置更加靈活。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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作者簡介：韓歡慶，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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