综合管廊内电缆附件无线红外测温系统设计

王 朔 ,轩莹莹 ,胡 源 ,吴 鹏 ,张 帅 ,邢 琳

(1.国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司检修分公司,石家庄 050071)

综合管廊是指在道路、厂区或者景观地下集中铺设电力、燃气、通信、供水的公共隧道,从而实现统一规划、集中建设和便于管理的功能。综合管廊的建设和投运极大的节约了城市用地,实现了城市地下空间的综合开发利用,在土地资源日趋紧张的今天受到了越来越多的追捧。目前,我国北京、上海、深圳和青岛等城市均开展了地下综合管廊建设,并预计建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊投入运营,改善城市地面景观[1-3]。综合管廊内由于管线众多,起火原因复杂,包含电气火灾,检修过程中明火引发的火灾,燃气引发的可燃物火灾等,其中,最主要的是电力电缆火灾。电缆长时间带电运行中,电缆终端或接头处由于接触电阻大,温度升高快,严重的还会引发电缆材料的内焦、松弛甚至燃烧现象[4]。综合管廊位于地下,空间相对狭小,一旦电力电缆发生火灾,空间内热量迅速集聚,火灾蔓延趋势快。如果电缆燃烧产生的一氧化碳等有毒气体不能及时排出,严重影响消防人员对火灾进行扑救[5-6]。因此,设计可靠的电缆附件温度监测系统,做好电缆火灾预警工作,从源头上减少电缆火灾的发生至关重要。

1 系统设计

1.1 系统结构

综合管廊内电缆附件红外测温系统以STM32为开发平台,使用TMP007红外温度传感器作为温度采集装置,ESP8266 无线路由器作为信息传输装置。红外测温系统包含温度采集节点和数据管理中心两部分。红外测温传感器首先完成温度数据的采集,然后单片机使用通用的IO 接口与数字温度传感器完成通信,经过协议帧解析提取有效数据。温度数据在单片机STM32中经过处理和封装后,传输至ESP8266的通信接口,通过无线通信方式将采集的温度数据传输到数据管理中心。数据管理中心接收到各个测温节点的测量数据后,通过RS485总线与服务器完成数据实时交互,并对各节点的温度数据进行存储,显示和分析。红外温度监测系统结构如图1所示。

图1 红外温度监测系统结构

1.2 温度测量原理

常见的测温方式分为接触式和非接触式2种。接触式测温方法主要有半导体IC 温度传感器、热电偶温度传感器和光纤温度传感器,此类方法虽然测量精度较高,但是绝缘性能差,维护成本高。非接触式测温方法为红外测温,可以远距离监测目标的运行温度,具有测量范围广,反应速度快,使用灵活的优点[7]。考虑到综合管廊对监测设备有较高的绝缘要求,本文采用红外测温仪进行电缆附件的温度测量。

红外测温技术的理论基础是黑体的热辐射定律,任何物体只要温度高于绝对零度就会向外辐射能量,能量强度与物体表面温度成正比。依据普朗克定理和玻尔兹曼定理:

式中:ε为物体辐射率;T为物体表面温度,K;σ=5.67×10-8为玻尔兹曼常数,W/m-2K-4;P(T)为温度为T时的总辐射度,W/m-2。

2 硬件设计

合适的硬件选择是建立综合管廊电力电缆温度监测系统的前提和基础,对系统控制的稳定性、反馈的准确性、使用的节能性有直接的影响。

2.1 红外传感器接口电路设计

红外温度传感器TMP007可以完成现场的温度采集与转换,并通过SDA串行数据接口发送数字温度信号。由于传感器连接线长度可能大于30 m,为了提高测量可靠性和稳定性,传感器TMP007的上拉电阻选用4.7 kΩ。为了保证传感器供应电压,防止线路分压过多造成传感器电压不足,尽可能提高传感器的使用寿命,供电电压Vcc选用5.0 V。综合管廊内有较强的电磁干扰,为了保证监测信号的准确,传感器电路加上R5和C4组成的抗干扰电路。电阻R5取值350Ω,电容C4取值102 p F,电容C2选用106 pF。接口电路如图2所示。

图2 红外温度传感器接口电路

2.2 测温节点硬件设计

由于受到红外温度传感器外壳的体积限制,选用STM32作为该设计的主控芯片。STM32是专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的32位微处理器,具有众多高性能的外设,具有12位的ADC和DAC模块,尤其适用于高速、大容量的分布式数据采集系统。STM32利用自身硬件IIC 接口实现与红外温度传感器的数据交互处理,最后通过SPI接口与ESP8266射频通信模块将温度数据上传至服务器。ESP8266射频通信模块的工作频率为2.4 GHz,能够满足常规短距离无线通信需求。如果工作环境的电磁干扰较强,可以添加电源滤波电路等提高节点抗干扰能力,测温节点硬件结构如图3所示。

图3 测温节点硬件结构

2.3 数据管理中心硬件设计

数据管理中心负责接收各个测温节点的温度数据,通过射频模块ESP8266实现数据管理中心与各个测温节点温度数据的实时交互,并通过RS485工业总线进行数据的中转传输,服务器对监测的温度数据进行储存和分析,根据电缆节点温度数据的变化趋势做出响应。数据管理中心包含射频通信电路和串口通信电路,硬件结构设计如图4所示。

图4 数据管理中心硬件结构

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

红外测温节点程序采用C 语言编写,由节点控制主程序、硬件设备初始化程序、射频发送程序、射频接收程序、温度数据采集程序、无线数据打包程序等组成。程序中采用中断完成温度数据读取、射频通信数据包发送和接收等。各硬件初始化后测温节点处于就绪状态,然后等待温度数据测量命令,测量完成后将温度数据打包并无线传输到数据管理中心,继续等待温度测量指令。无线收发程序利用ESP8266内部寄存器,通过中断方式识别收发完成状态。

数据管理中心程序主要包括硬件初始化程序、与服务器和各个测温节点的数据交互程序。数据管理中心首先完成硬件资源初始化工作,然后查询服务器指令,当收到温度采集命令后,数据管理中心解析转发采集命令给各节点,同时将各节点数据信息封装转发给服务器。下位机软件设计流程示意如图5所示。

图5 下位机软件设计流程示意

3.2 上位机软件设计

上位机软件运行于服务器,完成通信设备选择、通信参数设置和通信模式选择等。服务器接收到无线模块ESP8266发送的数据包后,使用可靠性高的TCP控制协议,通过对数据包进行数据解析,获得测温节点实时数据,并在visual studio中用C#语言进行显示界面开发,该语言运行在微软的.NET Framework(又称为“.NET 框架”)平台。.NET Framework环境大大简化了客户端应用程序的开发,包含在其中的Windows窗体类为GUI的开发提供了非常大的便利,用户可以很方便的创建具有适应多变商业需求的灵活命令窗口、按钮、菜单、工具和其它屏幕元素,大大加快了GUI的开发速度。

4 测温实验

为了验证无线红外测温系统的可靠性,对无线红外测温系统进行性能测试。通过保温箱将被测物体加热到不同温度,被测物体的直径为110 mm,系统的测温探头距离被测物体50 cm。测量误差如图6所示。由图6可得,当被测物体温度范围在60～70℃时,系统测量精度较高,误差不超过0.2 ℃。被测物体温度过高或过低都会引起测量误差的增大,但是系统最大测量误差不超过0.5℃,满足电缆附件温度监测要求。

图6 测量误差绝对值

5 结论

综合管廊能够节约城市土地资源、美化城市景观,但由于管廊内管线众多,极易发生电缆附件温度过高而引发电缆起火的现象。以上针对上述隐患问题,开发了一种综合管廊内电缆附件无线红外测温系统,该系统以单片机STM32 为平台,通过红外温度传感器TMP007采集电缆终端或中间接头处温度,利用低成本串口WiFi模块ESP8266及RS485总线将各节点的温度数据无线传输至服务器。本研究内容对综合管廊中电力电缆的温度在线监测和火灾预防具有重要借鉴意义。