文/鞏文東 趙青龍

1 引語(yǔ)

重要的電力設(shè)備如變壓器等需要進(jìn)行溫升試驗(yàn)，需要監(jiān)測(cè)根據(jù)溫度判定是否出現(xiàn)局部過(guò)熱，要求的測(cè)量點(diǎn)多達(dá)數(shù)十個(gè)甚至近百個(gè)，傳統(tǒng)的有線測(cè)溫方式安裝布線難度大，容易出現(xiàn)錯(cuò)亂，如果發(fā)生損壞，不便于更換傳感器。因此無(wú)線測(cè)溫將是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)線測(cè)溫的研究主要是研究對(duì)比不同的通信方式，在同一探針集成多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的方式上仍有欠缺。徐波,楊帆等人采用ZIGBEE通信方式進(jìn)行了無(wú)線測(cè)溫試驗(yàn)，證實(shí)了無(wú)線通信可以可靠快速采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)；鄧世杰對(duì)低功耗式的無(wú)線測(cè)溫裝置進(jìn)行了一定的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同無(wú)線通信芯片的功耗差異。本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線通訊的多點(diǎn)測(cè)溫探針，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化安裝布線的難度，尤其適用于測(cè)量油溫等需要插入測(cè)量的場(chǎng)合，提高了測(cè)量的精度和效率。

2 多點(diǎn)式溫度探針硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多點(diǎn)式溫度探針主要由溫度顯示模塊、無(wú)線測(cè)溫單元、端頭、鎧裝外殼、各測(cè)溫點(diǎn)的熱電偶構(gòu)成，如圖1所示。

圖1中，無(wú)線測(cè)溫單元由參量轉(zhuǎn)換單元，供電單元和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射單元構(gòu)成，參量轉(zhuǎn)換單元采用低功耗的STM32L041單片機(jī)，STM32L041提供WLCSP32小封裝，具有高達(dá)64 KB閃存、高達(dá)8 KB RAM及高達(dá)2 KB嵌入式EEPROM，此系列還具有帶DMA功能的外設(shè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低功耗時(shí)鐘、硬件加密模塊以及每秒100 KB采樣時(shí)僅需48 μA的超低功耗12位ADC。

圖1：多點(diǎn)式溫度探針結(jié)構(gòu)示意圖

由于極低的運(yùn)行時(shí)功耗，非常適合需要長(zhǎng)時(shí)間高頻率測(cè)量的無(wú)線測(cè)溫裝置，可以大大減輕電池的負(fù)擔(dān)，使待機(jī)時(shí)間有效延長(zhǎng)。供電單元采用鋰電池，可以連續(xù)待機(jī)高達(dá)300天，具有Mini-USB充電口。無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射單元采用ZM433SX-M，模塊采用的LoRa調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)，抑制同頻干擾的性能較強(qiáng)。另外，模塊集成了+20dBm的可調(diào)功率放大器，并可獲得超過(guò)-148dBm的接收靈敏度。支持多種休眠和待機(jī)模式，讓能耗和性能得到更加細(xì)化平衡。模塊可以通過(guò)調(diào)整擴(kuò)頻因子（數(shù)值為6～12）、調(diào)制帶寬及糾錯(cuò)率等變量，在通信速率及傳輸距離和抗干擾特性之間取得更好的平衡。無(wú)線測(cè)溫單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：無(wú)線測(cè)溫單元結(jié)構(gòu)示意圖

主要工作原理為：多點(diǎn)式溫度探插入變壓器油中，此時(shí)多點(diǎn)的感溫信號(hào)通過(guò)連接導(dǎo)線輸出，達(dá)到參量轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過(guò)濾波算法提高精度后，采用Lora透?jìng)鞯姆绞?，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射單元發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器。多點(diǎn)式溫度探針上每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都有唯一的編號(hào)，實(shí)際安裝使用時(shí)需要記錄每個(gè)多點(diǎn)式溫度探針的安裝位置，并與編號(hào)一起存入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

溫度測(cè)量終端參數(shù)如下：

（1）長(zhǎng)期工作溫度：-40℃～+80℃；

（2）測(cè)量溫度范圍：-55℃～+150℃；（此處看傳感器是否滿足）

（3）測(cè)量精度：±0.5℃；

（4）溫度測(cè)量周期：每1分鐘（或?yàn)榇笥?分鐘的任意時(shí)間間隔）；

（5）發(fā)射頻率：范圍在915MHz/433MHz之間；

（6）最大發(fā)射功率：+20dBm；

（7）工作電壓：3.6V；

溫度顯示單元一方面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直讀顯示。根據(jù)試驗(yàn)人員需要在溫升試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)LED顯示屏直接顯示探針上每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)；另一方面當(dāng)出現(xiàn)溫度異常時(shí)可以在顯示屏上向試驗(yàn)人員發(fā)出報(bào)警信息。

3 多點(diǎn)式溫度探針嵌入式軟件設(shè)計(jì)

參量轉(zhuǎn)換單元對(duì)溫度的采樣頻率為10Hz，即每隔0.1s采集一次溫度數(shù)據(jù)，接收多點(diǎn)式測(cè)溫探針上每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)放大及AD轉(zhuǎn)換后，處理器需要對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以提高溫度的測(cè)量精度，這里用到的濾波算法為防脈沖干擾平均濾波法，相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”，參量轉(zhuǎn)換單元連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，N值的選取為10。這種濾波的方法優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，避免了測(cè)溫過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)干擾。

參數(shù)處理單元在濾波完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線發(fā)射單元，由無(wú)線發(fā)射單元通過(guò)Lora透?jìng)鞯姆绞?，將?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器在采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上所有的無(wú)線數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)軟件根據(jù)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的各種測(cè)量數(shù)據(jù)，并形成各種所需的報(bào)表、趨勢(shì)圖等文件。軟件流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線通訊的多點(diǎn)式測(cè)溫探針設(shè)計(jì)既避免了有線通訊方式帶來(lái)的安裝布線困難，調(diào)試更換傳感器不便等缺點(diǎn)，同時(shí)在一個(gè)探針上集成多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)量同一位置不同深度下的溫度，更好的反應(yīng)當(dāng)前變壓器等電力設(shè)備的工作情況，提高了測(cè)溫的精度，為工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了更好的保證。通過(guò)獨(dú)立的鋰電池進(jìn)行供電，并進(jìn)行程序優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了待機(jī)的時(shí)間，可充電的設(shè)計(jì)方案使設(shè)備可以循環(huán)利用，降低了成本。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用證明，相比于傳統(tǒng)的測(cè)溫方式，在精度上和測(cè)量的效率上，均有了較大的提高，但是在高頻率的采樣過(guò)程中，不可避免的存在通信干擾問(wèn)題，如何能夠在高頻采樣的情況下，保持通信的穩(wěn)定性，是下一步需要解決的問(wèn)題。

圖3：嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程圖