基于LabVIEW高压线路测温系统的设计

牛 鑫，崔宗超，房泽平

(1.济源职业技术学院电气工程系，河南济源 459000;2.中原工学院电子信息学院，河南郑州 450007)

0 引言

温度是电力系统中一个重要的参数，因高压线路长期经受用电负荷、日晒雨淋、冷热变化等外部因素作用，会导致高压线路温度发生异常变化，温度的异常升高不仅会使系统的性能下降而且可能导致电力系统设备的损坏，从而影响电力系统的正常工作。高压线路的温度有线监测方式由于受电磁干扰、信号衰减、布线不便等多种因素限制，并且随着无线传感器网络技术的快速发展，其取代有线监测方式的趋势毋庸置疑［1］。因此，为实时监测被测区域高压线路的温度信息，及时消除安全隐患，同时减少传统的人工巡检方式带来的繁重的劳动量，本文设计了一套可实现高压线路温度测量的无线传感器网络(WSN)系统。该系统采用基于图形化编程软件LabVIEW开发的监控软件，实现对高压线路温度数据的测量、无线传输、处理和运行状态分析等功能。

1 高压线路温度测量系统

系统主要由温度测量传感器节点、GPRS无线收发模块、Sink节点和计算机(LabVIEW)等组成，传感器节点安装在被测区域的高压线路上。Sink节点具有与传感器节点无线通信的无线收发模块和GPRS模块，Sink节点安装在就近区域的高压线路铁架上，如图1所示。传感器节点对温度信号进行采集、调理和转换，然后通过传感器节点的无线收发模块传输至Sink节点，再由GPRS模块收发后通过RS－232串口将数据送至计算机，并通过计算机运行的LabVIEW软件进行显示、处理和分析温度数据。该系统集计算机、无线传感器网络、虚拟仪器技术、无线通信技术、强大的图形化编程软件和模块化硬件于一体，建立灵活且以计算机为基础的无线测量及监视系统。

2 无线测温节点

无线测温节点由温度测量模块、MSP430单片机和无线收发模块组成，如图2所示。温度测量采用数字式集成温度传感器DS18B20，利用MSP430单片机进行温度信息的采集和处理，处理后的高压线路温度信息经无线收发模块传输，无线收发模块采用nRF2401芯片。该节点实现温度测量及无线传输，其温度测量模块电路简单，MSP430单片机具有低功耗的优点，采用电池就能满足供电需求。

图1 无线传感器网络测温系统

图2 无线测温节点

2.1 测温模块

该模块采用DALLAS公司的数字式温度传感器DS18B20，它具有功耗低、高性能、抗干扰能力强、1－Wire单总线制等优点，广泛应用于测量温度的系统。温度测量范围为－55～125℃，具有可编程的温度转换分辨率，可根据应用需要在9～12 bit选取，可以满足对高压线路温度测量的范围和精度要求。由于DS18B20采用单总线结构，因此，与CPU的接口仅需要两个双向I/O引脚(分别对单线进行读和写的操作)和一个外部上拉电阻;供电电压范围是3.3～5 V，适合用于低功耗微处理器;在750 ms以内将温度转换为数字值。DS18B20与MSP430F123的接口如图3所示，由于DS18B20采用1－Wire单总线形式，通过该总线对DS18B20进行读写操作，因此，利用74LVC244作为输入/输出缓冲接口。P2.5通过74LVC244的17引脚和3引脚对DS18B20进行写操作;P1.3通过74LVC244的18引脚和2引脚对DS18B20进行读操作［2］。

图3 DS18B20与MSP430F123的接口电路图

2.2 无线收发模块

无线收发模块主要包括MSP430F123和nRF2401，如图4所示。系统采用电池供电，为满足低功耗设计要求，无线测温节点的无线收发模块采用诺迪克(NORDIC)公司的单片射频收发芯片nRF2401。nRF2401工作在2.4～2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。在以－5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA;接收时，工作电流只有18 mA;具有收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，多种功耗工作模式适合节能设计的需要。nRF2401支持多点通信，最高传输速率达2 Mbit/s，数据传输可靠性高，DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据，为无线传感器网络系统高速大量数据通信提供了技术基础。

3 Sink节点

图4 nRF2401与MSP430F123的接口电路图

Sink节点是温度测量节点与编程软件LabVIEW之间信息交换的特殊节点。无线测温节点测得的温度数据通过无线收发模块传输至Sink节点后，再经由Sink节点的GPRS模块将温度数据传输至计算机，由LabVIEW进行接收处理。Sink节点可以将接收的温度值上传至计算机，同时也将计算机的命令下传输至各个温度测量节点，如图5所示。单片机通过该节点来获取温度值，再由LabVIEW完成对高压线路温度的处理、设置特定功能及无线传感器网络组建等［3－4］。

4 GPRS模块

图5 Sink节点

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线IP连接。GPRS网络具有覆盖面广、可靠性高、收费低廉等特点，可以广泛用于远程数据传输的系统［5］。

参照图1和图5，GPRS模块完成Sink节点数据经GPRS无线通信网传输至监测计算机(Labview)的功能。GPRS模块与计算机之间采用RS－232串行接口。系统中使用的GPRS模块为SIM300C，SIM300C模块内部集成了GSM控制器、TCP/IP协议，同时提供了2个串口等。该模块提供GSM语音、短消息和GPRS上网等业务，具有标准AT命令接口，支持RS－232异步串行通信，启动默认设置是: 19 200 b/s，1位起始位，8位数据位，无校验位，1位停止位。

5 基于LabVIEW的WSN监控软件

该监控软件采用NI公司的LabVIEW7.0编制实现，该软件具有丰富的模块库，可以方便地组成需要的虚拟面板，还可以方便地进行修改。与传统程序设计语言不同，LabVIEW采用了强大的图形化语言编程，编程非常方便，适合于测试工程师而非专业程序员，人机交互界面友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力，适合设计开发复杂的测控系统监控软件。

5.1 监控软件组成

该软件主要包括VISA串行通信配置、数据采集命令、温度数据接收与解析处理、数据保存EXCEL与报警处理模块等［6］，其软件结构框图如图6所示。主要模块的功能设置如下:

1)温度数据保存:保存监测区域各个节点的高压线路温度数据及记录时间，实时显示温度数据是否正常，并转成电子表格格式保存为EXCEL文件;

2)VISA配置模块:设置系统的通信信息，如串口号、接收数据个数和通信超时等;

3)采集控制模块:选择被测节点。

图6 软件结构框图

5.2 监控软件运行结果界面

根据要求，可以通过节点选择按钮选择被监测的节点，可以实时显示被监控节点的温度数据，且被监测节点的温度数据保存至Excel文件中，Excel文件由用户指定，如图7所示。

图7 监控软件运行结果界面

6 结束语

本文采用无线方式传输高压线路温度数据的采集方式，克服了有线传输布线不方便的不足，具有无需布线和不必设置工业现场电源的优点。采用基于LabVIEW编写的监控软件实现了对高压线路温度数据的实时数字化采集、处理和分析。利用该系统，可以及时地掌握高压线路的温度分布，采取恰当的措施，从而避免高压线路发生故障，保证电网的安全运行。同时该系统采用的无线自动巡检高压线路方式取代人工巡检方式，改进了高压线路的巡检工作，减少了巡检工人的工作量，改善了电力系统工人的工作条件，因而可以被广泛应用于电力领域。

［1］李军，卞超，吴珺.电力电缆光纤光栅测温在线监测系统［J］.江苏电机工程，2005，24(1):6－8.

［2］王建勋，周青云.基于DS18B20和LabVIEW的温度监测系统［J］.实验室研究与探索，2012，31(3):47－50.

［3］房泽平.基于双MCU和nRF2401的无线传感器网络系统［J］.自动化仪表，2009，30(8):25－27.

［4］李永战，冯仁剑，薛皓，等.基于虚拟仪器的无线传感器网络监控平台［J］.仪表技术与传感器，2008(7):32－35.

［5］王翥，郝晓强，魏德宝.基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统［J］.仪表技术与传感器，2010(1):48－50.

［6］彭庆华.虚拟仪器软件LabVIEW的串行口通信编程［J］.自动化仪表，2002，23(3):31－34.