基于LabVIEW的户外电气设备工作环境无线监测研究

李 松，陈新岗,2,倪 志，陈 果,杨定坤

(1.重庆理工大学，重庆 400054；2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030)



基于LabVIEW的户外电气设备工作环境无线监测研究

李 松1，陈新岗1,2,倪 志1，陈 果1,杨定坤1

(1.重庆理工大学，重庆 400054；2.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030)

为了实时掌握电气设备外部工作环境，采用虚拟仪器技术，开发了基于LabVIEW的电气设备检测系统，重点对光照、湿度、温度进行在线监测，采用GPRS数据传输方式解决了传统环境监测距离短的问题。实验结果表明：系统有效、准确地反映了户外电气设备外部环境的变化，完成了在线监测数据的保存，具有一定的应用价值。

电气设备；LabVIEW；串口通信；GPRS；环境监测

电气设备包括一次电气设备和二次电气设备，而大多数电气设备都用于户外。户外环境恶劣且复杂，降低了设备的可控性，并有可能严重威胁电气设备的安全。因此，国内对电气设备寿命和运行状态进行的预测和监测研究较多。裘呤君等[1]研究了SF6新气痕量杂质对SF6电气设备寿命的影响，分析了此类电气设备运行时的主要影响因素；陈新岗等[2-3]研究设计了输电线路绝缘子闪络报警定位系统和变压器油中微水含量在线监测系统。

随着我国电力监测技术的开发和应用，不仅需要对电力设备的内部环境进行运行状态监测，更要加强对电力设备的外部环境监测。电气设备外部长期处于过热状态会产生热故障，甚至影响设备的正常运行[4]。而变电站、配电房等湿度过大，容易造成电弧短路事故，危害巨大[5-6]。随着国内电力行业的迅猛发展，对变压器油的质量提出了更高的要求。受光照条件的影响，变压器油中的抗氧剂分解消耗或沉降以及油老化产生的其他物质等会对油品的介质损耗造成影响[7]。张明超等[8]设计的基于单片机和上位机的温湿光照在线监测系统可以很好地解决上述问题，但受到监测距离的限制。本文针对户外电气设备的光照、湿度和温度设计了一种基于LabVIEW的户外电气设备环境监测系统。

1 系统设计方案

结合电气设备的内部状态和外部工作环境监测能准确获得电气设备的运行状态，判断电气设备的使用寿命，因此本文设计了电气设备外部工作环境在线监测系统，其设计示意图见图1。系统通过传感器完成对监测对象的信号采集。温湿度传感器和光照传感器选用集成芯片，通过两线串行接口将数据直接传至微处理器，再经GPRS发送端将数据发送至接收端，经串口转USB传送给PC机显示和存储。GPRS发送端和接收端采用SIM900A短信通信模块，系统采用太阳能板和蓄电池联合供电方式作为下位机系统的供电电源。

图1 在线监测系统设计示意图

2 下位机硬件电路

2.1 下位机主控制器及外围电路

本文采用高性能CMOS 8位微处理器的AT89C51作为下位机处理核心芯片[9-12]，结合SIM900A模块实现无线实时监测。其中下位机与GPRS发送端和PC机与GPRS接收端是串行通信。图2为下位机主控电路，包括传感器电路、控制电路、报警电路、串口电路和显示电路。光照传感器采用BH1750集成电路芯片，可以测量1～65 535 Lx的光照强度[13-14]，连接端口为P1.0和P1.1。温湿度传感器采用SHT11集成芯片，具有高集成度和高可靠性等特点，连接端口为P1.6和P1.7。

图2 下位机主控电路

2.2 传感器电路

BH1750数字型光照强度传感器是一种16位两线式串行总线接口数字输出型集成电路芯片，供电电压为5 V，其硬件电路见图3。BH1750输出对应光照数值，具有测量值范围宽、精度高、支持标准I2C总线接口且红外线影响小等优点[13-14]。

图3 光照传感器硬件电路

SHT11温湿度传感器是两线数字输出集成芯片，湿度测量范围为0～100%RH，湿度测量范围为-40～123.8 ℃，响应时间为8 s。

2.3 系统电源

下位机采集装置安装于户外，故采用太阳能电池和蓄电池连接电源控制器后稳定输出12 V电源电压。图4为电源驱动电路，采用MP2303将电源电压转换为3.3 V直流电压。输出电压通过反馈电阻R58和接地电阻R59调节，并满足：

(1)

图4 电源驱动电路

2.4 GPRS模块硬件电路

SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，可通过其TXD、RXD端口与CPU的PA2、PA3端口连接实现串口通讯[15]。图5为GPRS模块硬件电路，在端口增加了ESD静电保护器件SMF05C，增强了SIM卡的可靠性。其中供电电源可通过电源驱动电路调节输出，得到电压为3.2～4.8 V的工作电源。

2.5 传感器硬件保护驱动电路

传感器硬件保护驱动电路是为防止传感器接口接错或故障时导致的芯片电路烧毁而设计的，其硬件电路见图6，运用了82B715驱动芯片和5.5 V稳压管。

图5 GPRS模块硬件电路

图6 传感器硬件保护驱动电路

3 软件

3.1 下位机采集流程

图7为下位机采集系统流程，程序实现下位机对传感器采集光照、湿度和温度信息动作的控制。系统显示采集得到的光照、湿度和温度值时，设置3个特征量的报警上限值，采样数据以短信形式经GPRS模块传送至上位机接收终端。

3.2 上位机接收终端流程

下位机GPRS发送端以短信方式向GPRS接收端发送监测数据，并采用串口转USB口方式将处理后的监测数据发送至PC机。PC机以动态曲线图的形式向用户呈现电气设备外部工作环境数据，并对数据进行TXT格式存储。图8为上位机处理软件流程。

图7 下位机采集系统流程

图8 上位机处理软件流程

4 LabVIEW环境监测设计

4.1 LabVIEW

虚拟仪器工程平台LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW)是美国NI公司提出的一种基于图形化编程G语言的仪器开发工具[14]。它将很多常用的功能函数封装起来称作VI，首先利用前面板界面类VI设计虚拟仪器面板，然后在程序框图面板上将前面板中的VI及函数类VI通过连线工具连接构成应用程序[16]。利用LabVIEW可简单、快速和高效率地完成通信系统设计，节省编程时间。设计串口通信程序时，常调用函数选板数据通信里的函数节点，表1为串口主要函数节点及其功能。

4.2 环境监测设计

LabVIEW串口程序设计采用被动接收型，当接收数据时，完成数据的显示和保存[17-18]。由于每一帧数据较小，接收数据只加帧头“FFFF”，帧头之后为3个特征量数据。数据保存格式为文本文件格式，存储时程序将判断存储文本文件是否有存储的数据。若有，则无覆盖存储对应实时数据；若没有，则先写入文件属性名，再写入对应实时数据。LabVIEW串口程序设计方案见图9。

表1 串口函数节点及功能

图9 LabVIEW串口程序设计方案

5 实验结果及分析

通过实验室现场数据采集，经GPRS发接收电路板将数据实时传送至PC机。其中采用了USB-UART转换器，实现了串行接口的转换[19-20]。图10为变压器环境监测界面。LabVIEW设计的人机界面简洁直观,可方便操作者高效使用。监测界面波形图表的纵坐标设置为自动调节标尺，横坐标为采集21次数据的结果。其中：白色曲线代表光照强度；红色曲线代表湿度；绿色曲线代表温度。在第2次采集点到第6次采集点，光照有两次斜率不同的增加，而温度曲线略增加后变平缓。由此可知：光照强度并不是与温度成绝对正比关系，所带有的能量及特性与波长频率有关，照度值根据太阳的辐射强度、角度、大气含水量、环境遮挡等情况而不同。系统可在线获取电气设备的外部工作环境数据，具有安全可靠性和有效性。通过历史记录的动态波形可以实时掌握电气设备的外部环境变化趋势，以便做好预防措施。后期数据的查询为研究分析提供了极好的数据支撑，可分析预测历史环境对电气设备运行影响最大的时期。通过仿真平台与GPRS无线传输的联合实验，较好地论证了本系统的可行性和实际意义，实现了对电气设备外部工作环境的监测。要实现更高精度和更多功能则需要进一步深入研究，比如选择其他精度高、响应时间更短的传感器。此外，本系统可结合电气设备内部温湿度测量值作对比分析，更全面地分析电气设备的运行环境。

图10 变压器环境监测界面

6 结束语

本系统下位机以AT89C51为核心处理器，利用SHT11传感器和光照传感器对变压器进行实时采集，并采用SIM900A模块完成了监测数据的远距离传输，最后应用LabVIEW开发环境完成了用户界面的设计，实现了光照、湿度和温度数据的动态显示和保存。

[1] 裘呤君，袁静帆，陈晓琳.SF6新气痕量杂志对SF6电气设备寿命的影响[J].高电压技术，2013,3(2)：360-364.

[2] 陈新岗，马志鹏.一种输电线路绝缘子闪络报警定位系统[J].电瓷避雷器，2013(3)：1-7.

[3] 陈新岗，田晓霄.变压器油中微水含量在线监测研究[J].西南大学学报：自然科学版，2009,31(1):82-86.

[4] 曹海洋，王宏震，李清川.基于红外成像技术的电气设备外部热故障在线检测与诊断[J].煤矿机械，2014，35(03):224-226.

[5] 黄绍平，李玲，聂渝磊.基于单芯片传感器的箱式变电站温湿度监控装置的研制[J].高压电器，2009，45(5):133-136.

[6] 何正林，赵望达.配电房温湿度测控系统的设计[J] 计算机测量与控制，2008,16(7)：980-982.

[7] 周杰.光照储存对变压器油质量影响的考察[J].石油商技，2010,06:24-28.

[8] 张明超，高军伟.基于单片机和上位机的温湿光照在线监测系统[J].工业仪表与自动化装置，2011,5:33-35.

[9] 李艳.基于AT89C51的多点温度巡测及控制系统[J].仪表技术与传感器，2009,4:44-46.

[10]甘露，陈三宝，薛志华.基于AT89C51的湿度检测系统设计与研究[J].微计算机信息，2006,22(8-2):133-135.

[11]杨帆，黎会鹏.基于MCS-51与LabVIEW的远程光电信号检测系统[J].武汉理工大学学报，2006,28(8):122-124.

[12]周为，秦岚.应用单片机的微型机器人步态时序仿真与实现[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2013,27(12):82-85.

[13]杨晨.基于ARM11和Linux的室内环境监测系统的设计与实现[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.

[14]王建，毛腾飞，陈英革.基于BH1750芯片的测光系统与实现[J].常熟理工学院学报：自然科学版，2011,25(2):117-120.

[15]任铮铮，叶桦.智能车载终端的GPRS多路连接通信的研究[J].测控技术，2013，32(1);33-37.

[16]陈新岗，田晓霄.基于LabVIEW的变压器故障诊断系统研究[J].计算机工程与科学，2011,33(12):167-173.

[17]谷玉海，张桂彬，胡宪能.基于LabVIEW的数据存储及报表设计方法[J].北京机械工业学院学报，2007，22(1)：9-11.

[18]赵奇峰，闵涛.基于LabVIEW串口数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2011，21(11):224-230.

[19]李芙玲，张瑾.基于CH341的USB-UART的设计与实现[J].工矿自动化，2007(3):121-122.

[20]张立勋，李雪伟，唐小景.STM32与LabVIEW串行通信的设计[J].煤矿机械，2011,32(5):215-217.

(责任编辑 杨黎丽)

Research of Wireless Monitoring of Outdoor Working Environment for Electrical Equipment Based on LabVIEW

LI Song1, CHEN Xin-gang1,2, NI Zhi1, CHEN Guo1, YANG Ding-kun1

(1.Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Abstract：For real-time control of external working environment of electrical equipment, this paperdeveloped a outdoor electrical equipment system based on LabVIEW by using virtual instrument technology, which focuses on real-time monitoring of light, humidity and the temperature. Compared with the traditional environment monitoring, the system used the GPRS data transmission method to solve the disadvantage of short distance. The model simulation results show that the system reflects the change of outdoor environment for electrical equipment effectively and accurately, and completes online monitoring data storage. The simulation result has a certain application value.

electrical equipment；LabVIEW；serial communication；GPRS；environment monitoring

2014-10-26 基金项目：重庆市自然科学基金资助项目(cstc2012jjA90018)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1400917)

李松(1990—)，男，硕士研究生，主要从事电气测试技术与仪器研究;陈新岗(1968—)，男，教授，主要从事电气设备在线监测及过电压、信号采集与信号处理，以及智能传感器等方面的研究。

李松，陈新岗,倪志,等.基于LabVIEW的户外电气设备工作环境无线监测研究[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(3):95-99.

format：LI Song, CHEN Xin-gang, NI Zhi, et al.Research of Wireless Monitoring of Outdoor Working Environment for Electrical Equipment Based on LabVIEW[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):95-99.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.018

TP29

A

1674-8425(2015)03-0095-05