高压开关设备监测中的远程无线测温系统设计

汪晓红

（陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

高压开关设备监测中的远程无线测温系统设计

汪晓红

（陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

为了降低电力系统高压开关设备工作中导电接点过热所造成的设备损坏和安全故障，文中提出了一种基于无线传感器网络技术和GSM无线通信技术的远程无线测温系统设计方案。系统由无线测温节点、无线测温终端和远程数据管理机组成点对多点的组网结构，整个系统在软硬件方面采取了相应的抗干扰措施，保证了系统工作的可靠性。

高压开关设备；测温系统；无线传输；nRF24L01；TC35i

高压开关设备主要用于电力系统的控制和保护，既可根据电网运行需要将一部分电力设备或线路投入或退出运行，也可在电力设备或线路发生故障时将故障部分从电网快速切除，从而保证电网中无故障部分的正常运行及设备、运行维修人员的安全。电力系统的各种户内外高压开关设备在长期的运行中会由于各种因素（过负荷、过电流、接点虚接等）引起的接点温度异常，进而导致电气事故发生，发生大面积停电和设备损坏事故现象[1]。目前比较成熟的高压开关设备测温技术主要包括红外测温、光纤光栅测温和无线测温。而相对于其他测温技术而言，无线测温技术为解决工作现场中由于监测点分散及被测环境封闭所导致的技术难题以及降低高压环境下测量设备故障和人员触电风险等方面提供了有效地解决方案。

1 总体方案设计

高精度无线测温系统主要由3部分组成：高精度无线测温节点、便携式无线测温终端、远程数据管理机。1）高精度无线测温节点放置在被测高压开关设备的测温点，完成温度测量和无线温度数据发送，硬件结构示意图如图1所示。2）便携式无线测温终端可由现场人员手持或安装在被测设备附近，完成多测量点的温度数据接收、显示和语音报警，并可通过GSM移动通信网络向远程数据管理机发送被测点的实时数据信息，硬件结构示意图如图2所示。3）远程数据管理机负责收集、显示和存储各测量点的实时数据，并可通过后台的信息管理系统进行进一步的统计分析和趋势研究。

图1 无线测温节点的硬件结构示意图Fig. 1 Hardware structure diagram of the wireless temperature measuring node

图2 无线测温终端的硬件结构示意图Fig. 2 Hardware structure diagram of the wireless temperature measuring terminal

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括测温节点中的测温传感器模块设计，测温节点和测温终端所共有的无线传输模块设计、主控用微控制器设计，测温终端和远程数据管理机所共有的GSM移动通信模块设计。常规用键盘、液晶显示和语音报警电路不再赘述。

2.1 测温传感器模块

处于无线测温节点中的前端测量元件选用ADI公司最新推出的16位分辨率高线性度数字温度传感器ADT7320，测温范围（-40～+150℃），测温精度±0.25 ℃，内置的16位ADC和SPI兼容接口，可保证与凌阳16位单片机SPCE061A实现直接连接和可靠数据传输。ADT7320与SPCE061A之间的接口电路如图3所示。

图3 测温传感器ADT7320接口电路图Fig. 3 Interface circuit diagram of temperature sensor ADT7320

2.2 无线传输模块

测温节点与测温终端之间的无线数据传输选用NORDIC公司推出的高速、低功耗工业级嵌入式2.4 GHz 无线射频收发芯片nRF24L01，它具有增强型的ShockBurst功能，集成了双向通信所需要的链路层[2]。nRF24L01具有的地址和CRC校验功能可保证其通过SPI总线接口与凌阳16位单片机SPCE061A实现多通道的数据可靠通讯。nRF24L01与SPCE061A之间的接口电路如图4所示。

图4 无线射频收发芯片nRF24L01接口电路图Fig. 4 Interface circuit diagram of wireless RF transceiver chip nRF24L01

2.3 GSM移动通信模块

测温终端与远程数据管理机之间的远程通信选用SIEMENS公司生产的双频900/1800 MHz工业级GSM模块TC35i。TC35i通过SIM卡接口使用GSM网络提供的语音和中文短信服务，其具有的标准RS232双向接口可以方便的与单片机或PC机进行通信，但与PC机的通信需要进行逻辑电平转换[3]。测温终端中TC35i模块与单片机SPCE061A之间的接口电路如图5所示，而在数据管理机一侧可将TC35i模块的RXD0、TXD0通过MAX232芯片接口转换与数据管理机进行连接，使得测温终端与数据管理机之间的远程数据传输借助GSM网络服务得到有效保证。

2.4 微控制器模块

无线测温节点和无线测温终端中的微控制器采用凌阳公司的基于μpnSPTM内核的十六位单片机SPCE061A。SPCE061A具有32kB的FlashROM和32位的可编程I/O接口，内部集成DAC、ADC、UART及Watchdog等片内外设，其指令系统中提供的16位×16位乘法指令和内积运算指令使其可应用于DSP应用领域[4]。此外，SPCE061A 借助其DSP处理能力和SACM音频处理技术，给用户提供了丰富的专用于语音处理的API接口函数，为无线测温终端的语音报警设计提供了低成本的解决方案。

2.5 抗干扰措施

在系统设计中，由于无线测温节点与高压开关设备同处在高电压、大电流和强烈电磁辐射环境中，因此无线测温节点的抗干扰设计就显得非常重要。针对电磁干扰的三要素：干扰源、传播途径和电磁敏感设备，硬件上主要利用良金属导体介质表面上的反射和金属层内的吸收来抑制电磁辐射，测温节点加装屏蔽罩[5]。在软件设计中采用Watchdog进行冗余设计，数据传输的各个环节均进行CRC校验。无线接收终端接收数据后进行也需要进行数字平滑滤波以保证传输的可靠性。

3 软件设计流程

3.1 测温节点的软件设计

测温节点的程序流程如图6所示。在各模块初始化后测温节点等待测温终端发送来的地址后与本机的地址进行比对，地址一致则启动ADT7320连续测温并发送温度数据及CRC校验码至测温终端，等待测温终端校验应答后结束或重启发送。

图6 测温节点的程序流程图Fig. 6 Flow chart of temperature measuring node

3.2 测温终端的软件设计

图7 测温终端的程序流程图Fig. 7 Flow chart of temperature measuring terminal

测温终端的程序流程如图7所示。本地初始化后扫描键盘并发送启动测温节点的命令，接收到温度数据后验证应答。对温度数据进行数字平滑滤波处理后，通过液晶显示器显示测温节点地址、测量温度以及越限报警等信息并同时播放报警语音，最后相关数据通过GSM模块TC35i打包发送给远程数据管理机。

3.3 远程数据管理机的软件设计

远程数据管理机通过GSM模块TC35i接收测温终端传送来的数据，使用Delphi语言开发接口程序并接入供电系统管理界面，实现温度显示、报警和故障点定位。结合供电管理系统的电流监测数据曲线进行比对分析并打印报表，及时对故障点进行处理。

4 结束语

文中介绍的远程无线测温系统将无线传感器网络技术与GSM通信技术[6]结合，解决了传统电气开关设备温度监测系统布网施工难度大、成本高的问题。基于GSM移动通信模块的便携式终端设计，完善了电气开关设备点检、巡检的方法和手段。该系统也可推广到其他不适宜有线数据采集的远程监测系统应用领域，具有一定的推广应用价值。

[1] 乔矿生.无线测温技术在变电站中的应用[J]. 河北煤炭，2013(1):56-58.

QIAO Kuang-sheng. Application of wireless temperature measurement technology in substation [J].Hebei Coal,2013(1):56-58.

[2] 佘东,胡中玉.基于单片机的无线测温系统设计[J].微型机与应用,2012(13):78-80.

SHE Dong,HU Zhong-yu.Wireless temperature messurement systerm design based on MCU [J].Microcomputer & Its Application,2012(13):78-80.

[3] 周大进,马家庆,王小峰.基于TC35i的无线信息采集传输终端设计[J]. 信息技术,2013(1):31-35.

ZHOU Da-jin,MA Jia-qing,WANG Xiao-feng. Wireless information collection and tansmission terminal design based on TC35i [J].Information Technology, 2013(1):31-35.

[4] 郑桂兴. 基于SPCE061A的无线通信系统设计[J].科技资讯,2012(28):3-4.

ZHENG Gui-xing. Wireless communication systerm design based on SPCE061A[J].Science & Technology Information,2012(28):3-4

[5] 徐波,杨帆. 高压开关柜无线测温系统的研究[J].电测与仪表,2012(10):91-94.

XU Bo, YANG Fan. The research of wireless temperature measurement systerm for the high voltage switchgear [J].Electrical Measurement & Instrumentation,2012(10):91-94.

[6] 夏骏,王甜.基于STM32和GSM的远程遥控定时开关装置[J]. 电子科技,2013(1):112-114,130.

XIA Jun,WANG Tian. Remote control timer switch device based on the STM32 and GSM [J].Electronic Science and Technology,2013(1):112-114,130.

Design of remote wireless temperature measurement systerm in high voltage switchgear equipment monitoring

WANG Xiao-hong
（School of Electrical Engineering, Shaanxi Polythecnic Institute of Technology, Xianyang 712000, China）

In order to reduce the risks of equipment damages and security accidents of high voltage switchgear equipment caused by its conductive joint overheating during working, this paper presents a remote wireless temperature measurement systerm based on wireless sensor network and GSM wireless conmmunication technology. The systerm comprised of wireless temperature measuring node, wireless temperature measuring terminal, and remote data managment computer with point-to-multipoint network structure. It also takes some anti-interference measures in hardware and software to ensure the systerm reliability.

high voltage switchgear equipment; temperature measurement systerm; wireless transmission; nRF24L01; TC35i

TN87

A

1674-6236(2014)03-0104-03

2013–05–30 稿件编号：201305296

汪晓红(1973—)，男，陕西宝鸡人，讲师。研究方向：计算机测控技术、电子应用系统设计。