淺談無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2021-12-13作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：190

淺談無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱鹍

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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(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故障無法進(jìn)行操作，當(dāng)時(shí)間過1600ms時(shí)，看門狗芯片會(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(duì)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)行看門狗喂狗操作；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)換電池或者換設(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)貼合緊密，測試溫度加準(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，*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(duì)開關(guān)柜進(jìn)行測溫的系統(tǒng)，可對(duì)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*手機(jī)號(hào)碼發(fā)送告警信息短信（需選配短信貓）。

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(duì)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**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)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級(jí)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**。

5.4.7定值設(shè)置

       用于修改高溫定值、溫定值。

       WEB，手機(jī)APP（可選）：

       通過網(wǎng)址和手機(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

作者簡介：朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)能源管控


安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司專注于變電所運(yùn)維云平臺(tái),安全用電管理云平臺(tái),環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)等, 歡迎致電 15000353138

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