无线测温监测系统设计

王 萍

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601）

在电力系统中，高压开关柜将断路器、互感器及相关的控制电器、辅助设备等组合起来，封闭在金属柜内，对供电系统的电能进行接受和分配［1］.然而，当电路中电流过大时，这种封闭式结构就会导致热量集结，温升加剧［2］，若得不到有效散热，长期在此环境下运行，就会导致温升告警、跳闸停电等事故，造成电力系统经济损失［3-4］.据统计，每年约有40%的电力事故是由开关设备温升异常造成的［4］，因此，需要采取措施监测高压开关柜的温度.

目前，常用的测温方法中人工红外测温具有局限性，示温蜡片不能及时跟踪温度［1］.此外，开关柜内环境恶劣，测温系统需克服大电流、强磁场等环境干扰.针对现有测温手段的缺陷，设计了一种高压开关柜无线温度监测系统，该系统能够实现开关柜内温度实时在线监测，可以实现设备温升检测的实时性、有效性，能够及时发现温度异常部位，有效避免事故发生.

1 系统概述

通常温度采集器安装在高压开关柜需要测温的节点部位，包括开断节点、母线触头及接点等，由6~12个温度采集器构成1个测量集群.每个测量集群采用功耗低、传输速率高的nRF24L01无线发射模块，将采集到的节点温度传输到仪表控制终端，通过RS485通讯接口上传到上位机.因此，高压开关柜无线测温系统主要包括温度采集模块和仪表控制终端两大部分，由温度传感器、nRF24L01无线通信、RS485通信等组成，系统结构如图1所示.温度传感器采集各测试点温度，通过无线发射模块nRF24L01将温度数据汇集，实时显示在仪表控制终端界面上.仪表控制终端采用STM32F103嵌入式芯片和RS485通信网络，对温度数据进行传输、接收和存储，同时具有设备自检功能，对超温数据发出警报.

图1 高压开关柜无线测温系统结构

2 硬件设计

2.1 温度测量模块

温度传感器采用DS18B20，测量温度范围从-20 ℃ 到120 ℃，通过主控制器将监测到的温度值传输到nRF24L01无线通信模块. DS18B20的接口电路如图2所示.这部分MCU的主要功能是温度采集和数据传输，数据量小，程序内容较简单，因此选择STM8L051F3P6单片机实现数据存储和传输控制.

图2 DS18B20与STM8接口电路图

2.2 无线收发模块

目前，短距离无线通信技术主要有蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、CC1101以及nRF24L01［5-12］等.考虑到高压开关柜高压、大电流和强磁场等特殊的运行环境，以及控制模块低功耗、低成本、小型化等技术要求［9］，无线模块采用Nordic公司的nRF24L01芯片进行设计. STM8单片机与nRF24L01无线模块接口电路如图3所示，二者之间通过SPI接口进行双向通信.

图3 STM8与nRF24L01接口电路图

2.3 仪表控制终端模块

控制终端电路采用STM32F103为核心进行设计，主要包括LCD显示、数据存储与报警、无线通信和RS485通信，如图1所示.显示模块采用2.8寸液晶显示屏，控制芯片为ILI9341，存储芯片采用AT24C64，选用带隔离的RS485通信芯片，能够有效增强设备的抗干扰能力，保证设备的稳定运行.

控制终端模块主要功能包括：（1）12路无线温度显示；（2）报警温度限值设置；（3）记录最近12次超高温报警数据，所有数据均带有时标记录；（4）通讯地址和波特率设定功能；（5）设备具有自检和自动恢复功能；（6）数据通讯功能，通过数据总线将数据上传到上一级采集器或者上传到后台.

3 软件设计

3.1 温度采集与发送模块

程序流程如图4所示：（1）温度达到快速发送模式（报警温度-20 ℃）时，温度数据30 s发送一次；（2）温 度没有达到快速发送模式时，30 s进行一次温度采样，当温升超过5 ℃时，才将数据发送给仪表控制终端.

图4 温度采集与发送模块程序流程框图

3.2 控制终端模块

仪表控制端程序流程如图5所示.（1）无线模块接收到采集模块的温度数据，则进行温度显示，若温度达到设置的报警值，则记录过温时间，继电器动作报警；（2）控制终端接收到系统设置的报文，则对仪表端控制参数进行设置；（3）若是接收到温度查询报文，则把温度值送到仪表控制终端.

图5 仪表控制端程序流程框图

4 测试结果

由于在系统设置界面中测温点数设置为12，因此，实时温度显示界面对应有12路温度输出.如图6（a）~（c）所示为系统仪表控制终端显示界面.此外，系统设置界面还可以对配对码、温度上下限、通信地址、波特率以及系统时间等进行设置.设置温度报警值为90 ℃，若实时温度值超过这一温度上限时，将在事件记录界面记录此次事件发生的时间、温度值以及持续时间.事件记录界面共有4页，可以记录12次报警事件，图6（c）显示的是其中的第1页.

图6 系统显示界面

5 结论

系统采用STM32F103作为控制核心，无线模块采用nRF24L01芯片，利用RS485接口的MODBUSRTU协议在主机和终端设备之间通讯.实验结果表明，该系统能够实时检测12路温度数据，能够对报警温度限值、通讯地址和波特率等参数进行设置，对于最近12次超高温报警数据，能够显示并带有时标记录.测试结果验证了该系统的可行性，提高了开关柜设备运行的安全性和可靠性.