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淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

更新時(shí)間:2021-12-20 點(diǎn)擊次數(shù):775
摘要:溫度是在很多生產(chǎn)生活場(chǎng)合中具有重要意義的一個(gè)參數(shù)。比如高壓變電站中,由于觸頭的松動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備溫度升高,可能引起火災(zāi),造成大量電力設(shè)備燒毀,影響日常生產(chǎn)生活;倉(cāng)庫(kù)中溫度的高低會(huì)影響糧食的儲(chǔ)存周期;大棚中溫度的變化對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況有很大影響等。因此,對(duì)這些場(chǎng)合實(shí)行溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)就得尤為必要。設(shè)計(jì)了一套既適用于變電站等電磁輻射干擾強(qiáng)的特殊場(chǎng)合,又適用于蔬菜大棚等電磁輻射干擾弱的普通場(chǎng)合的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng),并已在武漢工程大學(xué)附近的一處變電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并已投入使用,達(dá)到了理想效果。該系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)方便了平時(shí)的生活生產(chǎn),具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);無(wú)線測(cè)溫
 
0引言
       溫度是許多生產(chǎn)生活環(huán)境中具有重大意義的一個(gè)參數(shù),這些場(chǎng)合中溫度的高低狀況都會(huì)影響生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量以及設(shè)備的正常運(yùn)行,所以要保證這些場(chǎng)合中生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行,就對(duì)這些場(chǎng)合中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。但過(guò)去人們采用的傳統(tǒng)測(cè)溫方法,比如人工巡視法、紅外探測(cè)法及有線測(cè)溫法等都存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低及準(zhǔn)確性差等諸多不足,因此研發(fā)出一套無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)意義重大。比如在儲(chǔ)存一些容易變質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品時(shí),需要將溫度控制在適宜范圍中以防止其腐爛變質(zhì)]。再者,隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展,日常生產(chǎn)生活對(duì)電能的需求量日益增大,電能就逐漸成為現(xiàn)代社會(huì)中重要的能源之一,也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈,對(duì)人們生產(chǎn)生活及國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用。因此,確保電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行是電力管理部門(mén)的首要任務(wù)。變電站中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的好壞是影響變電站的安全運(yùn)行及整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo),根據(jù)歷發(fā)生電力系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)大部分故障發(fā)生前期及正在發(fā)生時(shí)都會(huì)伴隨著設(shè)備溫度的升高,這種溫度的升高會(huì)傳導(dǎo)到設(shè)備的外殼上,而且發(fā)生這些故障時(shí)通常很難人為發(fā)現(xiàn),故可以通過(guò)測(cè)溫的方法來(lái)檢測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),以避免電網(wǎng)事故的發(fā)生及設(shè)備損壞,但是過(guò)去人們常用的測(cè)溫方法不僅不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障,而且還容易發(fā)生漏報(bào)情況,并且這些傳統(tǒng)方法不容易實(shí)現(xiàn)對(duì)密封狀態(tài)下的設(shè)備或處于障礙物下的設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫,再者磁場(chǎng)輻射對(duì)長(zhǎng)期處在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)人員的身體健康也有很大影響。為了解決這些難題,人們迫切需要采用一種新的技術(shù)來(lái)替代之前采用的那些傳統(tǒng)方法。近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)。技術(shù)的誕生及飛速發(fā)展為無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。
       物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念是美國(guó)在1999年提出,當(dāng)時(shí)稱為傳感網(wǎng),其定義是:通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。
       本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)出了一種可以既適用于蔬菜大棚等農(nóng)業(yè)場(chǎng)所又適用于變電站等工業(yè)場(chǎng)所的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗微處理器、溫度傳感器和無(wú)線射頻芯片為核心部件,聯(lián)合電源模塊組成溫度采集通信模塊,設(shè)計(jì)了一種超低功耗無(wú)線通信協(xié)議。該系統(tǒng)具有便于攜帶、安裝方便、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),有效地解決了傳統(tǒng)測(cè)溫方式存在的布線復(fù)雜、效率低、成本高、維修難等問(wèn)題,具有重大的工程意義。
 
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
       整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成,其中數(shù)據(jù)采集端由無(wú)線模塊組成,數(shù)字信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換后被發(fā)送到無(wú)線模塊,再經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出;數(shù)據(jù)接收端由主機(jī)及無(wú)線模塊組成。接收端接收到采集端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后,按照通信協(xié)議解調(diào),還原其中的有效信息和數(shù)據(jù)后再通過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī),由電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。
圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架
       按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念,又可將此系統(tǒng)分為3層,即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中,感知層以傳感器為主體,網(wǎng)絡(luò)層以接收設(shè)備與傳輸設(shè)備為主體,應(yīng)用層以監(jiān)控后臺(tái)與用戶終端為主體。
 
2系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案
       根據(jù)系統(tǒng)方案,設(shè)計(jì)了硬件電路,該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
       該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成,兩者之間的溫度數(shù)據(jù)信息傳遞通過(guò)無(wú)線信道實(shí)現(xiàn)。其中信息發(fā)送端由單只無(wú)線收發(fā)模塊與多只溫度傳感器組成,信息接收端由單只無(wú)線收發(fā)模塊與SPI口相連,再聯(lián)合計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
2.1感知層設(shè)計(jì)方案
       感知層相關(guān)硬件部分由單片機(jī)和多只溫度傳感器及無(wú)線射頻芯片組成。
2.1.1單片機(jī)
       單片機(jī)是一個(gè)具有超低功耗和精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器,特別適合運(yùn)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。電源電壓為1.8V~3.6V低電壓,具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。另外,單片機(jī)具有5種低功耗模式,可以通過(guò)控制片內(nèi)時(shí)鐘,使其進(jìn)入不同的低功耗模式,以適應(yīng)不同場(chǎng)合的低功耗需求。
2.1.2溫度傳感器
       溫度傳感器具有體積小、硬件開(kāi)銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。數(shù)字溫度傳感器接線方便,封裝后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。工作電壓為3.0~5.5V,溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間為750ms,測(cè)溫范圍為一55~+125℃,固有測(cè)溫誤差為±1℃。
2.1.3無(wú)線射頻芯片
       芯片是由NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,有如下特點(diǎn):輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置,主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置,非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2.1.4感知層相關(guān)程序流程
       單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)行溫度采集初始化脈沖方面的工作。主機(jī)操作按照初始化操作、ROM操作、內(nèi)存操作、數(shù)據(jù)處理4個(gè)步驟進(jìn)行,其中溫度采集部分流程如圖3所示。
2.2網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)方案
2.2.1網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)
       通信協(xié)議的好壞是影響物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù),設(shè)計(jì)一個(gè)合適的通信協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性,節(jié)能性、健壯性都起到很大作用針對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)際需求,采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、效率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,能滿足系統(tǒng)的基本要求。
圖3溫度采集流程
2.2.2網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)硬件設(shè)計(jì)
       網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)硬件主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器及無(wú)線溫度接收儀(主控芯片、無(wú)線通信模塊及RS485模塊)組
成。
       當(dāng)無(wú)線通信模塊將無(wú)線傳感器的溫度數(shù)據(jù)接收進(jìn)來(lái)后,由主控芯片對(duì)其進(jìn)行包裝,然后通信模塊再通過(guò)RS485媒介將其送到主站。就目前而言,RS485是比較常見(jiàn)的通訊模式,通常用于輻射干擾強(qiáng)度比較小的場(chǎng)合。為了使本系統(tǒng)同時(shí)也適用于輻射干擾強(qiáng)度大的場(chǎng)合,比如變電站等場(chǎng)所,本系統(tǒng)采用了屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)就是在普通非屏蔽布線系統(tǒng)的外面加上金屬屏蔽層,利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止電磁干擾及電磁輻射功能的技術(shù)。屏蔽技術(shù)綜合利用了雙絞線的平衡原理及屏蔽層的屏蔽作用,因而具有非常好的電磁兼容特性。本系統(tǒng)采用了導(dǎo)電導(dǎo)磁的材料制成類似外殼之類的東西,這樣可以將電磁場(chǎng)限制在一定的空間范圍內(nèi),使電磁場(chǎng)從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)有了很大的衰減,所以本測(cè)溫模塊在變電站等電磁強(qiáng)度大的場(chǎng)合下使用時(shí),很大程度上減少了電磁對(duì)其正常工作的干擾,以保證其能在這種強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)合下正常工作。
       無(wú)線溫度接收儀主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)功能,而數(shù)據(jù)服務(wù)器接收來(lái)自無(wú)線溫度接收儀轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)按照需求存儲(chǔ)起來(lái),以備用戶的調(diào)用及訪問(wèn)。其程序流程如圖4所示。
2.3應(yīng)用層設(shè)計(jì)方案
       應(yīng)用層是一個(gè)后臺(tái)軟件,設(shè)計(jì)時(shí)既要遵循功能操作實(shí)用、界面友好、版面美觀的原則,還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的建檔和配置工作、實(shí)時(shí)召喚及數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示、溫度超限報(bào)警及多方式提醒、無(wú)線溫度傳感器定位、能通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)等功能。
圖4無(wú)線溫度接收儀相關(guān)程序流程
 
3安科瑞無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)及在線測(cè)溫產(chǎn)品介紹
3.1概述
       開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于470MHz無(wú)線測(cè)溫技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行測(cè)溫的系統(tǒng),可對(duì)開(kāi)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(cè),方便運(yùn)維人員及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況。
3.2應(yīng)用場(chǎng)所
       變電所,配電室,箱變等
配電室箱變數(shù)據(jù)中心機(jī)房
3.3系統(tǒng)架構(gòu)
       開(kāi)關(guān)柜無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)由無(wú)線溫度傳感器、測(cè)溫通訊終端(溫度顯示儀)、溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警工作站三部分組成,
3.4系統(tǒng)功能
3.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
       Acrel-2000T無(wú)線測(cè)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(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息。
3.4.2溫度查詢
       溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選):
3.4.3運(yùn)行報(bào)表
       查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表。
3.4.4實(shí)時(shí)報(bào)警
       壁掛式無(wú)線測(cè)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(yǔ)音報(bào)警功能,能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警。
       3)短信警告??梢韵虬l(fā)送告警信息短信(需選配)。
3.4.5歷史告警查詢
       Acrel-2000T無(wú)線測(cè)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。
3.4.6用戶權(quán)限管理
       Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)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(kù)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保障。
3.4.7定值設(shè)置
       用于修改高溫定值、超溫定值。
       WEB,手機(jī)APP(可選):
       通過(guò)和手機(jī)APP展示頁(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)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。
3.5.產(chǎn)品選型
3.5.1無(wú)線測(cè)溫傳感器選型
3.6典型配置方案
3.6.1高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫(單柜就地顯示)
       a)配置方案
       說(shuō)明:ARTM-Pn通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收60只無(wú)線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b)安裝實(shí)例
       ARTM-PnATE100接點(diǎn)測(cè)溫ATE200母排測(cè)溫ATE400斷路器觸頭測(cè)溫
 
3.6.2高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫帶操顯功能(單柜就地顯示)
       a)配置方案
       說(shuō)明:ASD320通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收12只無(wú)線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
 
       b)安裝實(shí)例
       ASD320ATE200觸頭測(cè)溫ATE400母排測(cè)溫ATE100M柜體測(cè)溫
3.6.3高低壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫(集中就地顯示/就地?zé)o顯示)
       a)配置方案
       說(shuō)明:觸摸屏通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無(wú)線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現(xiàn)場(chǎng)不需要就地顯示,可以直接通過(guò)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
       ATP070ATCATE200接點(diǎn)測(cè)溫ATE200電容器表面測(cè)溫
3.6.4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(chǎng))
       方案一:Acrel-2000T/A就地集中顯示:
       說(shuō)明:Acrel-2000/A通過(guò)RS485接口連接ATC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度集中顯示,可接收240只無(wú)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(shuō)明:Acrel-2000T/B不僅可以通過(guò)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(wú)線測(cè)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(cè)。
3.6.5低壓電氣接點(diǎn)有線測(cè)溫、變壓器繞組測(cè)溫
       a)配置方案
       說(shuō)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(cè)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
ARTM-8PT100
 
4結(jié)語(yǔ)
       本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線溫度檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線溫度測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)恰當(dāng)?shù)挠布娐吩O(shè)計(jì)及合理的軟件編程設(shè)計(jì)使溫度數(shù)據(jù)得以安全可靠地傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控,保證了蔬菜大棚、變電站等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活環(huán)境中各設(shè)備的安全生產(chǎn)與運(yùn)行。本系統(tǒng)在日常的生產(chǎn)生活中有著良好的應(yīng)用前景,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
 
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:侯文莉,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用


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