李 靖，李 杜，許松枝

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410131；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410012)

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電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 靖1，李 杜1，許松枝2

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410131；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410012)

為預(yù)防電氣設(shè)備異常升溫而導(dǎo)致的電力故障等問題，設(shè)計(jì)一種以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)為核心，傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)數(shù)據(jù)匯總單元組成，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)溫度測(cè)量并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將溫度信息發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元；數(shù)據(jù)匯總單元會(huì)在每天的規(guī)定時(shí)間將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳送給巡檢員并在系統(tǒng)供電電壓不足或者設(shè)備異常升溫時(shí)發(fā)出報(bào)警短信。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通訊距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)功耗低，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，適合于電力系統(tǒng)的溫度在線監(jiān)測(cè)。

電氣設(shè)備；溫度在線監(jiān)測(cè)；傳感器技術(shù)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；GSM

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣設(shè)備溫度的測(cè)量主要有溫度傳感器[1]、光纖測(cè)溫[2]和紅外測(cè)溫[3]3種方法，并依靠人工的定期巡檢，效率低，可能出現(xiàn)漏測(cè)、錯(cuò)記的問題，還可能因?yàn)槟承┕ぷ魅藛T未去現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)直接填制報(bào)表，導(dǎo)致設(shè)備故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的電力事故發(fā)生[4]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)是近年來(lái)快速的新技術(shù)，廣泛用于智能家居、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域[5-6]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方式的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WSN和GSM的智能電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、功耗小、準(zhǔn)確度高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠定時(shí)采集溫度信息并通過(guò)無(wú)線模塊傳輸給巡檢員，大大提高了巡檢員的工作效率，在供電電壓不足或者設(shè)備異常升溫時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警短信有效地避免了因溫度過(guò)高而導(dǎo)致的電力故障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)數(shù)據(jù)匯總單元組成，傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度信息，通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元，匯總單元定時(shí)將一整天的溫度信息通過(guò)GSM模塊以手機(jī)短信的形式發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)上，并在系統(tǒng)供電單元電壓不足或者高壓電氣設(shè)備的溫度異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警告短信，巡檢員也可以根據(jù)需求向系統(tǒng)發(fā)送規(guī)定格式的短信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯總單元、匯總單元和巡檢員之間都能雙向通訊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 WSN的構(gòu)建

本系統(tǒng)使用價(jià)格低廉的nRF24L01無(wú)線模塊組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，nRF24L01采用一對(duì)多模式，有6個(gè)從機(jī)和1個(gè)主機(jī)，從機(jī)和跟主機(jī)之間能夠雙向通訊，而且能夠自動(dòng)應(yīng)答，nRF24L01的功耗也相當(dāng)?shù)停?dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0 dBm，時(shí)電流消耗為11.3 mA ，接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，數(shù)據(jù)包每次可以傳輸1～32 Byte的數(shù)據(jù)，通訊速率最高可達(dá)8 Mbit/s，適合于各種MCU連接，適合于本系統(tǒng)。

nRF24L01只有地址相同的通道才可以相互通訊，但所有nRF24L01的通道1～5只能接收數(shù)據(jù)而不能發(fā)送數(shù)據(jù)，只有通道0可以雙向發(fā)送數(shù)據(jù)，這也是為何通道0的地址是40位可以任意改寫，而其他通道前32位要相對(duì)固定的原因。將接收方的接收通道地址是和發(fā)送方的通道0地址設(shè)成一樣，接收通道接收到屬于自己的數(shù)據(jù)后，就會(huì)以自己的地址作為應(yīng)答訊號(hào)的接收地址，自動(dòng)發(fā)送應(yīng)答訊號(hào)給對(duì)方的通道0。在本系統(tǒng)中，當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)改寫通道0的地址使其與要接收數(shù)據(jù)的從機(jī)的通道0地址相同，才能成功發(fā)送數(shù)據(jù)并接受應(yīng)答訊號(hào)；當(dāng)主機(jī)向從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)通道0～5的地址分別對(duì)應(yīng)于從機(jī)1～6的通道0地址，才能成功接收數(shù)據(jù)并發(fā)送應(yīng)答訊號(hào)。主機(jī)與從機(jī)通訊示意圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)與從機(jī)間的通訊示意圖

2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在該版溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，傳感器節(jié)點(diǎn)由MSP430G2553主控芯片、nRF24L01無(wú)線模塊、DS18B20溫度傳感器以及供電單元組成，如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用低功耗單片機(jī)MSP430G2553，運(yùn)行模式下功耗為220 μA，休眠模式下功耗僅為0.5 μA。MSP430G2553主要有16 KB FLASH，512 KB RAM等高性能模塊，還有8路10位ADC，2個(gè)16位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器，以及16個(gè)可編程I/O引腳內(nèi)嵌UART、SPI、IIC接口。溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS公司1-Wire總線技術(shù)的DS18B20，跟主控芯片只需要一個(gè)I/O連接便能雙向通訊，支持-55～125 ℃的測(cè)量范圍，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線傳輸模塊采用廉價(jià)的nRF24L01，跟主控芯片通過(guò)SPI接口進(jìn)行通訊，編程簡(jiǎn)單，使用方便。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)每隔1 h會(huì)接收到數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)來(lái)的命令對(duì)溫度進(jìn)行采集并通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)匯總單元。傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗主要是無(wú)線模塊，而無(wú)線模塊平時(shí)都處于待機(jī)模式，功耗極低，這樣就保證了傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電也能長(zhǎng)時(shí)間工作。另外，MSP430G2553的A/D模塊還能對(duì)供電單元的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將向數(shù)據(jù)匯總單元發(fā)出報(bào)警信息并停止工作。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

3 數(shù)據(jù)匯總單元設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯總單元由控芯片、nRF24L01無(wú)線模塊、時(shí)鐘模塊、GSM模塊以及供電組成，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)匯總單元

數(shù)據(jù)匯總單元的主控芯片和nRF24L01無(wú)線模塊跟傳感器節(jié)點(diǎn)一樣。時(shí)鐘模塊采用低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，它可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，跟單片機(jī)采用三線接口進(jìn)行同步通信。GSM模塊采用新款緊湊型產(chǎn)品SIM900A，依靠商業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息傳輸，跟主控芯片采用UART通信，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯總單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要有以下功能：(1)GSM模塊接收巡檢員發(fā)來(lái)的特定格式的手機(jī)短信并做出相應(yīng)動(dòng)作，如改變接收?qǐng)?bào)警短信的目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼以及獲得一整天溫度信息的時(shí)間等；(2)當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)或本身供電電壓不足時(shí)，發(fā)出報(bào)警短信；(3)不斷讀取時(shí)鐘信息，并在整點(diǎn)時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出溫度采集命令，然后接受并存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫度信息，當(dāng)時(shí)間為早上8點(diǎn)時(shí)(可以隨意設(shè)定)，將先前24 h的溫度信息通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)上，方便巡檢人員制作報(bào)表；(4)采集溫度信息時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某傳感器節(jié)點(diǎn)溫度異常時(shí)，會(huì)及時(shí)向目標(biāo)手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。數(shù)據(jù)匯總單元的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 匯總單元的軟件流程圖

4 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

4.1 nRF24L01有效通信距離測(cè)量

nRF24L01無(wú)線模塊的最大有效工作距離決定著本套系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)得到的空間最大范圍。在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)本系統(tǒng)中6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯總單元的nRF24L01無(wú)線模塊穩(wěn)定通信的有效距離進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的結(jié)果如表1所示。

表1 nRF24L01有效通信距離 m

從表1可以看出，nRF24L01無(wú)線模塊最小的有效通信距離超過(guò)65 m，也就意味著本套系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到以數(shù)據(jù)匯總單元為中心，以65 m為半徑的圓的空間范圍。當(dāng)然nRF24L01無(wú)線模塊最大有效通信距離是可以改善的，現(xiàn)有技術(shù)能使最大通信距離達(dá)到1 km以上。

4.2 系統(tǒng)功耗分析

傳感器節(jié)點(diǎn)采用3.3 V供電，工作狀態(tài)有2個(gè)，狀態(tài)1：只有單片機(jī)在工作；狀態(tài)2：傳感器接收到數(shù)據(jù)匯總單元的命令對(duì)溫度進(jìn)行采集，DS18B20溫度傳感器和nRF24L01無(wú)線模塊也在工作。采用U1252B分別對(duì)6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)2個(gè)狀態(tài)下的功耗進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)得的平均功耗見表2。

表2 傳感器節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)量結(jié)果 mA

傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于狀態(tài)1，只有接收到數(shù)據(jù)匯總單元的溫度采集命令才會(huì)進(jìn)入狀態(tài)2中，即每小時(shí)進(jìn)入狀態(tài)2的時(shí)間約5 s，其余時(shí)間都處于狀態(tài)1。故采用3.3 V 3 A·h(1 A·h=3.6 kC)鋰電池供電可以持續(xù)工作超過(guò)240天，即8個(gè)月。

數(shù)據(jù)匯總單元采用3.7V供電，工作狀態(tài)有3個(gè)，狀態(tài)1：nRF24L01無(wú)線模塊和GSM模塊都處于休閑狀態(tài)；狀態(tài)2：僅GSM模塊處于休閑狀態(tài)；狀態(tài)3：僅nRF24L01無(wú)線模塊處于休閑狀態(tài)。采用U1252B分別對(duì)數(shù)據(jù)匯總單元3個(gè)狀態(tài)下的功耗進(jìn)行多次測(cè)量，3個(gè)狀態(tài)下平均功耗分別為0.95 mA、14.20 mA、25.40 mA。正常情況下，根據(jù)程序可算得，一天中狀態(tài)2大概12 min，狀態(tài)3大概5 min，其余時(shí)間都處于狀態(tài)1。故采用3.7 V 3 A·h鋰電池供電可以持續(xù)工作超過(guò)108天。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為測(cè)試系統(tǒng)性能，利用6個(gè)水泥電阻模擬開關(guān)柜接頭，調(diào)節(jié)水泥電阻兩端電壓的PWM可以改變水泥電阻的溫度。溫度傳感器DS18B20經(jīng)校準(zhǔn)后，其測(cè)量溫度跟溫度計(jì)實(shí)測(cè)溫度對(duì)比，測(cè)量誤差都在1℃以內(nèi)，部分測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 溫度測(cè)試結(jié)果 ℃

本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能在設(shè)定手機(jī)上顯示早前一整天的每隔一小時(shí)采集的溫度，并且在接頭溫度有異常時(shí)會(huì)受到報(bào)警短信，最終效果見圖7。

圖7中，左圖是全天溫度信息短信，右圖是溫度異常報(bào)警短信。全天溫度信息短信以采集溫度時(shí)的日期開頭，如本圖中的2014/05/22 早上8點(diǎn)2分收到短信的，也就是說(shuō)這條短信中記錄的溫度信息是21日早上9點(diǎn)到22日早上8點(diǎn)每隔1 h的溫度信息，第一排就是21日早上9點(diǎn)的溫度信息，依次類推，”[]”里面6個(gè)溫度分別對(duì)應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)6個(gè)接頭的溫度。溫度異常報(bào)警短信中，明顯能看出在22日早上10點(diǎn)測(cè)量溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)3號(hào)接頭溫度達(dá)到69.7 ℃，超過(guò)了正常溫度閥值60 ℃，故發(fā)出了報(bào)警短信，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備溫度的連續(xù)、準(zhǔn)確、智能的測(cè)量，主要具有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)能夠定時(shí)測(cè)量溫度并將溫度信息通過(guò)手機(jī)短信傳送給巡檢員，方便巡檢人員制作報(bào)表，大大提高工作效率，同時(shí)，被測(cè)設(shè)備溫度異常時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，有效地避免了因溫度過(guò)高而導(dǎo)致的電力故障；(2)系統(tǒng)內(nèi)部采用廉價(jià)的nRF24L01無(wú)線模塊構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，降低了系統(tǒng)成本，并且傳感器節(jié)點(diǎn)上的nRF24L01無(wú)線模塊通道1～5還可以用來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，靈活性好。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍廣，功耗小，準(zhǔn)確度高，且擴(kuò)展性好，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 王武禮,楊華. 基于SHT11的糧倉(cāng)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 儀表技術(shù)與傳感器,2010(9):50-51，59.

[2] 滕志軍,李國(guó)強(qiáng),何鑫,等. 基于ZigBee的高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 電測(cè)與儀表, 2014(1):85-88.

[3] 周為,朱強(qiáng),徐敏捷,等. 高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭的紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制. 電測(cè)與儀表, 2013(12):96-99.

[4] 韓世忠,徐雁,向柯. 一種應(yīng)用于高電壓的溫度測(cè)量系統(tǒng). 高電壓技術(shù), 2006(5):35-36.

[5] 鮮曉東,常超,胡穎，等.基于WSNs和GSM的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì). 傳感器與微系統(tǒng), 2011(6):141-144.

[6] 王翥,郝曉強(qiáng),魏德寶. 基于WSN和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 儀表技術(shù)與傳感器,2010(1):48-49;52.

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Temperature Online-monitoring System for Electrical Equipment

LI Jing1，LI Du1，XU Song-zhi2

(1. Hunan Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower, Changsha 410131, China;2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410012, China)

An temperature online-monitoring system which takes wireless sensor network as the core, sensor technology as the base was developed for electricity interruption caused by abnormal temperature rising of high voltage electrical equipment. The system included six sensor nodes and a data aggregation unit, and sensor node was responsible for measuring temperature and then the value of temperature was sent to data aggregation unit through WSN. The data aggregation unit was responsible for sending the data to inspector and sending warning messages when the power supply voltage was insufficient or the temperature of the high voltage electrical equipment was abnormal. Test results show that the effective communication distance of wireless sensor network is extensive, the power consumption of the system is low and the measuring data is accurate and reliable. The system is suitable for monitoring the temperature of power system.

electrical equipment; temperature online monitoring; sensor technology; WSN; GSM

2014-10-19 收修改稿日期：2015-03-14

TM93

A

1002-1841(2015)08-0065-03

李靖(1983—)，講師，本科，主要從事教學(xué)和電子通訊、圖像處理方面的研究。E-mail:38234948@qq.com 李杜(1983—)，講師，本科，主要從事教學(xué)和電子通訊、信號(hào)處理等方面的研究。E-mail:26452905@qq.com