淺談無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

時間：2021-12-13作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：192

淺談無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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低功耗MCU，可以實現(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(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(jìn)行復(fù)位。如果MCU故障無法進(jìn)行操作，當(dāng)時間過1600ms時，看門狗芯片會輸出脈沖信號，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

       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

       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(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(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(jìn)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(jìn)行維護(hù)，如電量低時換電池或者換設(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。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(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)行實時監(jiān)測，方便運維人員及遠(yuǎn)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?手機號碼發(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、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不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、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APP（可選）：

       通過網(wǎng)址和手機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(yuǎn)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(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

作者簡介：朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為企業(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維云平臺,安全用電管理云平臺,環(huán)保用電監(jiān)管云平臺等, 歡迎致電 15000353138

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