浅谈无线测温系统的设计与实现

摘要：为了降低测温系统的安装难度并提高测温系统的普适性，设计了一种无线测温系统。该测温系统由主温度汇集单元和从温度感知单元组成，主温度汇集单元与从温度感知单元通过射频（RF）无线方式进行通信。介绍了系统的整体方案设计、硬件设计、软件设计及外形结构设计。该系统安装简单，可适应现场不同的设备，并具有低功耗、易维护的特性。
关键词：测温系统；低功耗；RF无线模块

0引言

       随着我国经济快速发展和科技水平不断提高，电力设备种类越来越丰富，尤其是高精度设备越来越多，这些设备对温度要求非常高，不同的温度对设备影响很大，如变压器触头，其温度反映了用电负荷情况，如果在高负荷情况下触头温度会升高，温度升高会影响变压器性能，甚至出现故障，导致停电并造成经济损失。
传统人为抄读温度仪表盘的方式已不能满足当前测温需求。演变出来的有线式连接主机进行测温的方式对布线规划、施工等要求较高。无线测温发送方式对主站硬件要求过高且不灵活。巡检机器人图像识别仪表盘或者红外相机判断被测物体温度的方法对被测物要求过高，需要有温度传感器硬件支持且能够观察被测物。在新智能环境下，迫切需要一种简便有效且对主机系统通用的无线测温方式。

1系统整体方案设计

       本文所提无线测温系统包括主温度汇集单元和若干个从温度感知单元。系统使用一主多从的方式，可实现同时对多个被测设备进行实时温度测量，从温度感知单元与被测物体接触来测量被测物体的温度，从温度感知单元经无线通信方式将采集到的温度数据发送至主温度汇集单元，主温度汇集单元与主机连接将汇集的温度信息发送至主机。无线测温系统整体设计如图1所示。

2硬件设计

2.1硬件整体设计
       硬件系统包括两个部分，即从温度感知单元与主温度汇集单元。

图1无线测温系统整体设计
       从温度感知单元包括温度传感器、温度检测电路、微控制单元（microcontrolunit,MCU）、电源管理电路、锂电池、锂电池电压测量电路、看门狗电路、射频（radiofrequency,RF）无线传输模块和RF天线。从温度感知单元硬件设计框图如图2所示。

图2 从温度感知单元硬件设计框图
       温度传感器安装在被测物体上，温度传感器经温度检测电路与MCU连接，看门狗电路与MCU输出端连接，锂电池经锂电池电压测量电路与MCU的输入端连接，MCU的输出端经RF无线传输模块及RF天线与主温度汇集单元通信。锂电池输出端与电源管理电路连接，电源管理电路分别与温度检测电路、看门狗电路、锂电池电压测量电路、MCU和RF无线传输模块连接为其供电。
       主温度汇集单元包括通用串行总线（universalseriesbus,USB）接口、USB转串口、MCU、看门狗电路、电源管理电路、RF无线传输模块和RF天线。主温度汇集单元硬件设计框图如图3所示。
       RF无线传输模块与RF天线连接，RF无线传输模块与MCU连接，MCU经USB转串口及USB接口与主机进行通信，MCU输出与看门狗电路连接。USB接口与电源管理电路输入端连接，电源管理电路输出端与MCU、看门狗电路、RF无线传输模块及USB转串口连接并为其供电。
 
图3主温度汇集单元硬件设计框图
       主温度汇集单元采用USB硬件接口、Modbus软件接口与主机连接，使得主机种类配置更加灵活，使用更加开放，可与包括计算机、手机、融合终端、巡检机器人等拥有USB接口的主机进行连接，且主温度汇集单元使用USB供电，无需外接电源，降低了使用难度。
2.2主控芯片选型
       从温度感知单元采用锂电池供电，为了延长电池的使用时间及减少从温度感知单元的维护工作，从温度感知单元采用超低功耗MCU。MCU为STM8L系列的STM8L052R8[8-9]，该芯片在运行模式下，功耗低至200μA/MHz；提供五种低功耗模式，在低功耗等待模式下，功耗仅为3μA；内置64KBFlash，256B带电可擦可编程只读存储器      （electricallyerasableprogrammablereadonlymemory,EEPROM）、实时时钟芯片（realtimeclock,RTC）、液晶显示器（liquidcrystaldisplay,LCD）、串行外设接口（serialperipheralinterface,SPI）等资源。从温度感知单元采用此超低功耗MCU，可以实现电池使用五年免维护。
       主温度汇集单元MCU采用STM32F100C8，该芯片采用32位Cortext-M3内核架构，工作频率可以达到24MHz，内置128KBFlash，8KB静态随机存取存储器（staticrandomaccessmemory,SRAM）、模拟数字转换器（analogtodigitalconverter,ADC）、数字模拟转换器（digitaltoanalogconverter,DAC）、12timers计时器等资源。
2.3无线传输模块选型
       无线传输模块是推出的一款超低功耗集成的单芯片无线收发芯片，频率范围从300MHz到510MHz。本设计采用的频率是433MHz。SX1212具有非常低的功耗，接收模式电流仅有3mA。
2.4温度检测电路设计
       从温度感知单元温度检测电路如图4所示，包括分压电路1、电压跟随电路2和MOS管开关电路3，其中，TEMP_PWR和TEMPH_PWR接MCU引脚，MCU可通过高低电平来控制MOS管开关电路3。由10kΩ电阻R15、330Ω电阻R16与负温度系数（negativetemperaturecoefficient,NTC）热敏电阻R17组成分压电路。根据热敏电阻R17外界温度不同自身阻值不同的特性和欧姆定理将温度的变化转化成热敏电阻R17两端电压的变化。根据功率放大器特性组成电压跟随电路，TEMP_AD处电压反映热敏电阻R17电压。TEMP_AD连接MCU的模拟数字转换器（ADC）引脚，通过数模转换，经计算可得到电压值，根据电压和温度之间关系算出温度值。MCU芯片退出睡眠模式，分别改变TEMP_PWR和TEMPH_PWR电平导通MOS管开关电路3，根据分压电路1和电压跟随电路2，通过TEMP_AD读取热敏电阻R17两端电压，算出当前温度。TEMP_PWR和TEMPH_PWR控制不同测温精度和范围，TEMP_PWR温度分辨率为0.5℃，温度测量范围为40～170℃。TEMPH_PWR温度分辨率为0.05℃，温度测量范围为20～125℃。
 

图4温度检测电路
2.5看门狗电路设计
       从温度感知单元与主温度汇集单元的看门狗电路如图5所示，看门狗芯片WDI引脚连接MCU的GPIO引脚，RESET连接MCU的RESET引脚（复位引脚），MCU定时给WDI一个脉冲信号，看门狗芯片获取信号，不对RESET引脚输出脉冲信号，即不对MCU进行复位。如果MCU故障无法进行操作，当时间超过1600ms时，看门狗芯片会输出脉冲信号，对MCU进行复位以  解除故障。

图5看门狗电路
2.6电源管理电路设计
       从温度感知单元与主温度汇集单元的电源管理电路如图6所示，电源管理电路包括3.3V低压差线性稳压器和2.5V基准稳压电路。电源管理电路3.3V低压差线性稳压器将电池电压稳定在3.3V供锂电池电压测量电路、看门狗电路、温度测量电路、RF无线传输模块、低功耗MCU使用。2.5V基准稳压电路供温度测量电路和电池电压测量电路作电压分压电源使用，并将基准电压输入MCU基准电压输入口，以提供准确的ADC基准电压。电源管理电路3.3V低压差线性稳压器将USB接口提供的电压转化成稳定的3.3V电压，供USB转串口电路、看门狗电路、RF无线传输电路、MCU使用。

图6电源管理电路

3软件设计

       系统测试温度的方式包括空中匹配和主动上报两种模式。
3.1空中匹配模式
       空中匹配模式程序流程如图7所示。
 

图7空中匹配模式程序流程
       在从温度感知单元中，MCU对看门狗电路进行操作。温度检测电路将温度传感器所采集的被测物体的温度值保存在MCU中，锂电池电压测量电路测量锂电池的电压并将电压保存至MCU中。MCU将RF无线传输模块设置为接收模式，接收主温度汇集单元发送的读取信息指令，根据读取指令将锂电池的电压值和被测物体的温度值数据发送至主温度汇集单元，发送完毕后进入睡眠状态。从温度感知单元在睡眠状态无法接收主温度汇集单元的指令，直到其睡眠周期超时后才能接收和回复，睡眠周期在1～65535s之间可设。主温度汇集单元将被测物体温度值和锂电池电压存储在MCU的Modbus表中以供主机通过USB接口使用Modbus规约读取。
       此模式适合移动物体抄读温度数据，如安装主温度汇集单元的巡检机器人、安装主温度汇集单元的手机、人为巡检等。
3.2主动上报模式
       主动上报模式程序流程如图8所示。
 

图8主动上报模式程序流程
       从温度感知单元进入睡眠超低功耗状态，睡眠周期到达后，模块转为工作状态：①进行看门狗喂狗操作；②温度传感器测量温度；③进行电池电压检测；④模块发送采集的被测物体温度信息和锂电池电量信息。若发送完毕后接收到主温度汇集单元应答，模块进入低功耗睡眠模式。若未收到应答，模块继续发送直至超过重发次数，模块进入低功耗睡眠模式。
       此模式适合固定在从模块附近不移动主机，如安装主温度汇集单元的融合终端、安装主温度汇集单元的台式计算机等。
       从温度感知单元与主温度汇集单元之间采用主动上报和空中匹配两种工作方式进行交互，使用灵活，可以有效降低产品的功耗。主机根据获取的锂电池的电压信息，可判断当前从温度感知单元的电量使用情况，现场运维人员根据从温度感知单元电量情况进行维护，如电量低时更换电池或者更换设备。

4产品外形结构设计

4.1从温度感知单元结构
       从温度感知单元外形设计为表带形状，方便现场固定安装。温度传感器触头使用引线引出，在安装时可与被测物体测温点贴合更紧密，测试温度更加准确。从温度感知单元共有三种颜色样式，分别为黄、绿、红三色，三种颜色搭配安装，更容易区分且不易出错。从温度感知单元实物如图9所示。

图9从温度感知单元实物
4.2主温度汇集单元结构
       主温度汇集单元外形为方形盒状结构，天线和USB连接线通过连接器引出，在外部面板上有设备工作状态的指示灯。主温度汇集单元实物如图10所示。

图10主温度汇集单元实物

5安科瑞无线测温监控系统及在线测温产品介绍

5.1概述
       开关柜温度在线监测系统是基于470MHz无线测温技术开发的针对开关柜进行测温的系统，可对开关柜分别为母线排、上下触头、电缆接头，柜体表面等部位温度进行实时监测，方便运维人员及远程监控中心掌握现场设备运行情况。
5.2应用场所
       变电所，配电室，箱变等
 
5.3系统架构
       开关柜无线测温系统由无线温度传感器、测温通讯终端（温度显示仪）、温度监测预警工作站三部分组成，


5.4系统功能

5.4.1实时监测
       Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息。
5.4.2温度查询
       温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）：
5.4.3运行报表
       查询各回路设备运行温度报表。
5.4.4实时报警
       壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出警告。设备提供以下几种告警方式：
       1）弹出事件报警窗口。
       2）实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警。
       3）短信警告。可以向指定手机号码发送告警信息短信（需选配短信猫）。
5.4.5历史告警查询
       Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有告警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.4.6用户权限管理
       Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
5.4.7定值设置
       用于修改高温定值、超温定值。
       WEB，手机APP（可选）：
       通过网址和手机APP展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。
5.5.产品选型
5.5.1无线测温传感器选型

5.5.2收发器选型

5.5.3测温通讯终端（温度显示仪）选型

5.6典型配置方案
5.6.1高低压柜内电气接点无线测温（单柜就地显示）
       a）配置方案


       说明：ARTM-Pn通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示，可接收60只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
       b）安装实例


5.6.2高压柜内电气接点无线测温带操显功能（单柜就地显示）
       a）配置方案

       说明：ASD320通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示，可接收12只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
       b）安装实例

5.6.3高低压柜内电气接点无线测温（集中就地显示/就地无显示）
       a）配置方案

       说明：触摸屏通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示，可接收240只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果现场不需要就地显示，可以直接通过ATC的RS485接口，把数据传送到值班室的远程温度监控系统。
       b）安装实例

5.6.4就地壁挂式集中显示方案（适用于改造，不方便在柜子上加装显示屏的现场）
方案一：Acrel-2000T/A就地集中显示：

       说明：Acrel-2000/A通过RS485接口连接ATC实现开关柜温度集中显示，可接收240只无线温度传感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二：Acrel-2000T/B就地集中显示：

       说明：Acrel-2000T/B不仅可以通过RS485连接多种ATC收发器接收所有型号传感器实现集中显示，还可以通讯连接配电室内无线测温相关就地显示装置实现集中显示，同时还可以连接配电室内智能操控、微机保护、电力仪表等电力监控设备进行监测。
5.6.5低压电气接点有线测温、变压器绕组测温
       a）配置方案

       说明：ARTM-8温度巡检仪可配8路Pt100传感器，有线连接，Pt100传感器客户自配，测量低压电气接点时Pt100传感器需做好绝缘处理。
       b）安装实例
 

5结论

       本文所提无线测温系统中的从温度感知单元采用锂电池供电，现场安装方便；使用低功耗MCU，采用其超低功耗方式采集被测物体温度信息和锂电池电量信息，使电池可使用时间更长；主温度汇集单元采用USB硬件插口、Modbus软件接口与主机连接，使得主机种类配置更加灵活。主从模块通信具备空中匹配和主动上报两种模式，保证主温度汇集单元与从温度感知单元之间通信的稳定性，且两种工作模式可根据使用要求进行选择，保证低功耗运行情况下设备的稳定性。
 
参考文献
[1]何志甘，范彦琨，陈光焰，等.温度趋势相似性在电力设备预警中的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2019,209（5）:79-81.
[2]池东亮，李龙龙，束鹏飞，熊树海.一种无线测温系统的设计与实现.
[3]安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案.2021.02月版.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06月版.
 
作者简介：陈芳芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用