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摘要：無線溫度控製係統的設計在很大程度上能解決(jue) 傳(chuan) 統溫度係統存在的問題。本文研究將無線接收模塊接收、遠程多點溫度采集和傳(chuan) 輸係統檢測到的多點溫度值轉移到主機顯示。該係統結構簡單，抗幹擾性強，穩定性好，具有一定的實用價(jia) 值。
關(guan) 鍵詞：無線測溫裝置；電力係統；無線測溫；測溫傳(chuan) 感器；無線溫度傳(chuan) 感器；溫度傳(chuan) 感器
一、引言
電力係統對安全性有很高的要求，電力係統設備在長時間的使用過程中會(hui) 老化或出現過熱現象，如果不能及時發現並加以解決(jue) ，就可能導致嚴(yan) 重的事故，須嚴(yan) 格監視電力係統設備的工作狀態，其中對高壓開關(guan) 櫃觸點的溫度進行監測是非常重要的任務。溫度可以間接反映電氣設備的運行狀態，許多故障都會(hui) 導致溫度異常，因此非常需要對電氣設備進行溫度監測。而在惡劣的生產(chan) 條件下（例如發電機局部放電）很難使用常見的測量方法進行溫度監測，因此開發可靠且實用的多點溫度測量設備非常重要，無線技術可以用於(yu) 克服取得過有線溫度係統的許多缺點。
取得過的成熟但研究不足的國外發電機狀態監測係統大多使用電纜接線監測，國內(nei) 大多數研究應用也使用有線監測。無線傳(chuan) 感器網絡是基於(yu) IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議設計的無線數據傳(chuan) 輸網絡。本文主要分析發電機無線溫度係統的配置和設計，以使更多的人可以了解設計中某些概念帶來的便利。
二、係統總體(ti) 設計
ZigBee無線溫度控製係統主要由ZigBee協調器、上位機STM32F103ZE和ZigBee終端三個(ge) 大型模塊組成。無線溫度測量係統的目的是通過ZigBee通信協議將分布在不同位置的溫度值傳(chuan) 輸給PC，以便PC處理信息。在ZigBee終端節點上，溫度信息通過熱電偶收集，然後通過無線LAN傳(chuan) 輸給ZigBee協調器，協調器接收溫度信息，然後使用模糊比例積分微分算法計算控製量溫度。處理單元收集溫度傳(chuan) 感器的溫度，並通過通信單元發送溫度數據。由於(yu) 溫度測量節點應具有體(ti) 積小、功耗低、易於(yu) 安裝和在多種環境下使用的特性，因此其使用電池供電。
三、測溫節點模塊設計
測溫節點模塊原理框圖如圖1所示，處理單元采用NEC單片機，由於(yu) NEC單片機具有低功耗特性，因此通信設備采用2.4 GHz頻段NRF24L01。該芯片支持點對點數據通信，在該模式數據通信的情況下，一個(ge) 接收器工作在相同的頻帶中，並且發送六個(ge) 接收器，同時將節點的ID人為(wei) 地添加到通信協議中，從(cong) 而可以擴展更多的多點通信。
圖1 測溫節點模塊原理框圖
顯示異常溫度測量點：通常將原始的兩(liang) 點接地更改為(wei) 單點接地，以處理發電機的異常溫度測量點，並更改每個(ge) 通道測量回路的接地方法。它建立了溫度和負荷之間的相關(guan) 性分析模型，根據負荷情況預測溫度變化趨勢，並為(wei) 負荷控製提供決(jue) 策依據。
四、無線測溫係統硬件設計
4.1係統總體(ti) 框圖
整個(ge) 溫度測量係統電路分為(wei) 下位機和上位機兩(liang) 部分。下位機負責定期收集溫度數據並將其發送給上位機。主機用於(yu) 將接收到的溫度數據發送到與(yu) PC連接的通信控製器，框圖如圖2所示。
圖2 上位機與(yu) 下位機總體(ti) 框圖
4.2溫度采集端電路設計
一個(ge) 無線收發器模塊和多個(ge) 溫度傳(chuan) 感器構成溫度收集部分，從(cong) 而完成多點溫度數據的采集和無線傳(chuan) 輸；另一個(ge) 無線收發器模塊完成溫度數據的接收，並通過RS232接口模塊上載數據。STM32提供待機、睡眠和關(guan) 機三種低功耗模式，用戶可以執行合理的係統優(you) 化。該模塊使用四線SPI接口，CS引腳連接到微控製器的RC0，INT連接到微控製器的RB0，WAKE連接到微控製器的RC1，RESET連接到微控製器的RC2。溫度采集器的發射頻率為(wei) 428 439 MHz，發射信號為(wei) 單頻信號，不同的頻率代表不同的信號。接收到信號後，通過信號放大和濾波處理，然後轉換為(wei) 可識別的電信號以獲得溫度參數。
數據采集終端位於(yu) 數據采集點，由溫度傳(chuan) 感器、微控製器和射頻收發器組成。它通過射頻與(yu) 數據接收器進行無線通信。為(wei) 了在設計中減小該係統的尺寸，采用了片上RF係統，並且在芯片上集成了一係列微控製器和RF收發器。
4.3無線收發電路設計
無線收發器芯片的類型很多，在設計過程中無線收發器芯片的選擇非常重要，選擇合適的無線收發器芯片可以降低開發難度，縮短開發周期並降低開發成本。無線傳(chuan) 感器節點和基站根據標準使用2.4 GHz頻率進行通信和數據傳(chuan) 輸。係統協調器使用RS232接口連接到PC，而RXD和TXD分別連接到微控製器的RX和TX引腳。協調器通過該接口將溫度數據從(cong) 每個(ge) 節點傳(chuan) 輸到上位機，上位機可以通過VB調試接口讀取上傳(chuan) 的數據，以達到目的。
在傳(chuan) 輸模式下，從(cong) 壓控振蕩器（VCO）輸出的信號直接被傳(chuan) 輸到功率放大器（PA）。RF輸出由添加到DIO引腳[稱為(wei) 頻移鍵控（FSK）]的數據控製。內(nei) 部的T/R切換電路使天線的連接和匹配設計更加容易。PTR8000的工作電壓低，屬於(yu) 低壓設備，在設計過程中就需要考慮這一點，STC89LE52微處理器用於(yu) 連接設計，因此無須添加電平轉換電路，可以提高係統的穩定性。下行鏈路通過CAN總線或無線連接到溫度采集器，以從(cong) 連接的傳(chuan) 感器獲取溫度信息，根據設置的參數分析溫度信息，確定是否產(chan) 生警告信息。上行和主站係統之間的通信采用RS485接口，並根據特定協議實現數據傳(chuan) 輸。
五、無線測溫係統軟件設計
5.1係統的整體(ti) 軟件框圖
係統在編程時采用模塊化的設計思想，將係統的主要功能模塊編譯為(wei) 獨立的功能，由主程序調用，由於(yu) 熱電偶安裝在發電機側(ce) 並接地，因此從(cong) 模塊側(ce) 的接地中移除熱電偶信號可提高測量值。該係統的軟件設計采用模塊化、結構化的設計方法，整個(ge) 程序由測溫模塊、無線收發模塊、與(yu) PC的串行通信模塊組成。軟件係統的整體(ti) 數據處理流程如圖3所示。整個(ge) 係統的所有部分都用於(yu) 無線數據傳(chuan) 輸，因此，無線數據傳(chuan) 輸是整個(ge) 係統軟件設計中重要的部分。
圖3 軟件係統的整體(ti) 數據處理流程
ZigBee協調器程序的主要功能是設置局域網管理終端的節點以實現與(yu) STM32F03ZE的通信，而M32F03ZE主機程序主要實現與(yu) ZigBee協調器的通信並提供熟悉的人機界麵。
5.2傳(chuan) 感器節點程序設計
該係統的無線傳(chuan) 感器節點選擇TI的CC2430，芯片本身具有八個(ge) A/D，處理器和無線通信模塊。傳(chuan) 感器節點由一個(ge) 小型嵌入式係統組成，該係統由傳(chuan) 感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能源供應模塊四部分組成。數據接收模塊
在從(cong) 一個(ge) 獲取模塊接收數據之後或發生通信超時之後結束與(yu) 模塊的數據通信，並開始向下一個(ge) 數據獲取模塊發送數據請求命令。當所有數據采集模塊都與(yu) 數據接收模塊匹配時，經過一輪通信後，它會(hui) 在數據采集模塊處重新啟動，以此類推。
5.3下位機與(yu) 上位機軟件設計
係統的軟件設計包括上位機和下位機軟件設計。下位機軟件設計主要實現對上位機發送的命令的處理，該命令通過無線傳(chuan) 輸模塊發送到溫度采集模塊以選擇通道，然後發送無線接收信號，溫度參數被傳(chuan) 送到主機進行處理。
5.3.1下位機軟件設計
下位機的主程序實現係統的初始設置，定義(yi) PTR引腳，配置PTR並設置波特率。它從(cong) 父計算機接收命令，確定父計算機選擇的信道，並根據該信道發送相應的無線電。相應的溫度采集模塊的通道地址采集溫度，然後通過無線傳(chuan) 輸模塊將溫度數據傳(chuan) 輸到接收接收板將通過串口接收到的溫度數據傳(chuan) 輸到上位機進行處理。
5.3.2上位機軟件設計
上位機軟件部分主要由數據編碼程序、數據解碼程序、初始化程序、數據發送/接收中斷處理程序、RS-485通信程序和上位機主程序組成。無線數據收發器中斷處理程序與(yu) 下位機的相同，並且所有程序均以IARC語言完成。當通信控製器的輪詢信號點到達本機時，數據直接從(cong) 存儲(chu) 器中獲取並傳(chuan) 輸到通信控製器，然後上傳(chuan) 到PC。下位機定期上載每個(ge) 測量點的溫度數據，並定期更新內(nei) 存中的數據。其中，由於(yu) 外部或儀(yi) 器質量問題而引起的周跳對準確觀測產(chan) 生嚴(yan) 重影響，因為(wei) 在處理數據時，它們(men) 通常少於(yu) 10周，因此，可以使用關(guan) 聯的軟件來解決(jue) 小的循環跳躍問題並擴大循環滑移值。在測量過程中，由於(yu) 存在接地電位差，並且熱電偶負極的電阻比接地電阻大得多，因此電流直接連接到熱電偶測量環路，並且在熱電偶負極的熱電偶上會(hui) 疊加一個(ge) 額外的壓降以進行測量。發生異常時，會(hui) 產(chan) 生較大的誤差值，因此DCS顯示值比實際溫度低。
六、實驗與(yu) 分析
該係統主要用作子係統，以在正常或測試期間監視相關(guan) 工作條件參數的變化。實時讀取串口采集模塊的全局變量，並實時顯示在界麵上，以便操作人員或人員在進行相應的處理後及時進行分析。為(wei) 了監視發電機線圈、軸承等的溫度而進行的實驗，鉑電阻傳(chuan) 感器由TPE橡膠包裹製成，經過高溫處理後，三根引線也以相同的方式處理。在發電機定子的三相繞組內(nei) 部，每相內(nei) 置兩(liang) 個(ge) 三線溫度傳(chuan) 感器Pt100，以監視繞組溫度。
在本實驗中，對發電機廠生產(chan) 的發電機進行了測試，表1列出了一些監測溫度參量變化值。在表1中，當發電機組正常運行時，繞組的A相測量溫度在65℃～75℃之間，低於(yu) 警報值（發電機繞組絕緣為(wei) F級）；繞組B相的溫度在55℃～76℃之間，低於(yu) 值，繞組C相的溫度在68℃～77℃之間，也低於(yu) 值，滿足測試條件的參數值要求參數設置模塊實現各種狀態量的參數設置，並連接數據庫模塊，將相應的設置值存儲(chu) 在參數表中，以備將來參考。事件曆史模塊主要調用數據庫不同時期的曆史數據和趨勢分析，以實現對每個(ge) 狀態信號事件的查詢和顯示。
七、安科瑞測溫產(chan) 品介紹
a.電池供電型無線溫度傳(chuan) 感器
安裝於(yu) 發熱部位，采集溫度量並通過無線方式傳(chuan) 輸的傳(chuan) 感器。
目前無線溫度傳(chuan) 感器有三款：
b.CT感應取電無線溫度傳(chuan) 感器
安裝於(yu) 斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量並通過無線方式傳(chuan) 輸的傳(chuan) 感器。
目前無線溫度傳(chuan) 感器有兩(liang) 款：
安科瑞無線測溫就地顯示配置：
ASD300/320智能操控裝置可連接12路無線溫度傳(chuan) 感器，ARTM-Pn無線測溫裝置可連接18路無線溫度傳(chuan) 感器，無源（CT取電）方式為(wei) ATE300（捆綁式安裝），有源（電池供電）方式為(wei) ATE100（螺栓式安裝，主要用於(yu) 電纜/銅排等螺絲(si) 固定的搭接點）和ATE200（表帶式，主要用於(yu) 斷路器觸頭等接點捆綁安裝，因安裝較ATE100更方便，電纜/銅排等搭接點也常選用）。
無線測溫帶操顯功能（就地顯示）
Acrel-2000T/B無線測溫壁掛式設備，內(nei) 存4G,硬盤128G,以太網口，顯示器12寸，分辨率800*600，可選Web平台/App服務器，櫃體(ti) 尺寸480*420*200（單位mm），配置ipads,安裝ACREL-2000/T軟件。就地實時顯示溫度分布以及等詳細參數。
無線測溫采集設備配置方案
八、結束語
為(wei) 了在發電機組中應用發電機溫度，本文考慮了現場環境、技術要求、電磁兼容性、電路功耗等因素，以及設計計劃、設備選擇、硬件電路設計和生產(chan) 、微控製器程序設計和調試。對無線溫度監測係統的配置和設計的研究就是這樣的例子，並且常規溫度監測係統原本不可能發生的許多問題正在被更方便地解決(jue) 。數據處理和分析是通過上位機實現的，上位機軟件采用了可視化界麵，使操作員操作起來更加直觀。在編程軟件的控製下，在PC的主軟件界麵觸發命令按鈕，以將命令發送到接收器，接收到部分處理指令後，該指令將發送到下位機以選擇通道。溫度收集模塊在接收到命令後收集溫度並以無線方式收集溫度，將溫度數據發送到接收器。通過該係統能夠大大地提高工人的工作效率並基於(yu) ZigBee的收集模塊可以在工作條件下實時收集和顯示必要的更改。
【參考文獻】
[1]付興(xing) 強，無線係統在電廠的應用
[2]蔣 燕，發電機無線測溫與(yu) 係統研究
[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2020.06版
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