电气设备温度在线监测系统设计

李 靖，李 杜，许松枝

(1.湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙 410131；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410012)



电气设备温度在线监测系统设计

李 靖1，李 杜1，许松枝2

(1.湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙 410131；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410012)

为预防电气设备异常升温而导致的电力故障等问题，设计一种以无线传感器网络(WSN)为核心，传感器技术为基础的温度在线监测系统。系统由6个传感器节点和1个数据汇总单元组成，传感器节点负责温度测量并通过无线传感器网络将温度信息发送给数据汇总单元；数据汇总单元会在每天的规定时间将各个传感器节点测量数据无线传送给巡检员并在系统供电电压不足或者设备异常升温时发出报警短信。测试实验结果表明：无线传感器网络有效通讯距离远，系统功耗低，测量数据准确可靠，适合于电力系统的温度在线监测。

电气设备；温度在线监测；传感器技术；无线传感器网络；GSM

0 引言

目前，国内外对电气设备温度的测量主要有温度传感器[1]、光纤测温[2]和红外测温[3]3种方法，并依靠人工的定期巡检，效率低，可能出现漏测、错记的问题，还可能因为某些工作人员未去现场检测直接填制报表，导致设备故障未能及时发现，从而导致严重的电力事故发生[4]。

无线传感器网络(WSN)技术是近年来快速的新技术，广泛用于智能家居、医疗监控、工业控制等领域[5-6]。

本文针对传统电气设备温度监测方式的不足，设计并实现了基于WSN和GSM的智能电气设备温度监测系统。本系统具有监测范围广、功耗小、准确度高、扩展性好等优点，能够定时采集温度信息并通过无线模块传输给巡检员，大大提高了巡检员的工作效率，在供电电压不足或者设备异常升温时能及时发出报警短信有效地避免了因温度过高而导致的电力故障。

1 系统结构设计与实现

1.1 系统的总体结构

温度监测系统由6个传感器节点和1个数据汇总单元组成，传感器节点采集温度信息，通过nRF24L01无线模块将数据发送给数据汇总单元，汇总单元定时将一整天的温度信息通过GSM模块以手机短信的形式发送到目标手机上，并在系统供电单元电压不足或者高压电气设备的温度异常时及时发出警告短信，巡检员也可以根据需求向系统发送规定格式的短信对系统进行控制。传感器节点和数据汇总单元、汇总单元和巡检员之间都能双向通讯。系统的总体结构框图如图1所示。

图1 系统的总体结构框图

1.2 WSN的构建

本系统使用价格低廉的nRF24L01无线模块组成无线传感器网络，nRF24L01采用一对多模式，有6个从机和1个主机，从机和跟主机之间能够双向通讯，而且能够自动应答，nRF24L01的功耗也相当低，当工作在发射模式下，发射功率为0 dBm，时电流消耗为11.3 mA ，接收模式时为12.3 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低，数据包每次可以传输1～32 Byte的数据，通讯速率最高可达8 Mbit/s，适合于各种MCU连接，适合于本系统。

nRF24L01只有地址相同的通道才可以相互通讯，但所有nRF24L01的通道1～5只能接收数据而不能发送数据，只有通道0可以双向发送数据，这也是为何通道0的地址是40位可以任意改写，而其他通道前32位要相对固定的原因。将接收方的接收通道地址是和发送方的通道0地址设成一样，接收通道接收到属于自己的数据后，就会以自己的地址作为应答讯号的接收地址，自动发送应答讯号给对方的通道0。在本系统中，当主机向从机发送数据时，通过改写通道0的地址使其与要接收数据的从机的通道0地址相同，才能成功发送数据并接受应答讯号；当主机向从机接收数据时，主机通道0～5的地址分别对应于从机1～6的通道0地址，才能成功接收数据并发送应答讯号。主机与从机通讯示意图如图2所示。

图2 主机与从机间的通讯示意图

2 传感器节点设计

2.1 硬件设计

在该版温度测量系统设计方案中，传感器节点由MSP430G2553主控芯片、nRF24L01无线模块、DS18B20温度传感器以及供电单元组成，如图3所示。

图3 传感器节点

传感器节点的主控芯片采用低功耗单片机MSP430G2553，运行模式下功耗为220 μA，休眠模式下功耗仅为0.5 μA。MSP430G2553主要有16 KB FLASH，512 KB RAM等高性能模块，还有8路10位ADC，2个16位定时器、看门狗定时器，以及16个可编程I/O引脚内嵌UART、SPI、IIC接口。温度传感器采用美国DALLAS公司1-Wire总线技术的DS18B20，跟主控芯片只需要一个I/O连接便能双向通讯，支持-55～125 ℃的测量范围，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等优点。无线传输模块采用廉价的nRF24L01，跟主控芯片通过SPI接口进行通讯，编程简单，使用方便。

2.2 软件设计

传感器节点每隔1 h会接收到数据汇总单元发来的命令对温度进行采集并通过nRF24L01无线模块发送给数据汇总单元。传感器节点的功耗主要是无线模块，而无线模块平时都处于待机模式，功耗极低，这样就保证了传感器节点采用电池供电也能长时间工作。另外，MSP430G2553的A/D模块还能对供电单元的电压进行监测，当电压过低时，传感器节点将向数据汇总单元发出报警信息并停止工作。传感器节点的软件流程图如图4所示。

图4 传感器节点的软件流程图

3 数据汇总单元设计

3.1 硬件设计

数据汇总单元由控芯片、nRF24L01无线模块、时钟模块、GSM模块以及供电组成，如图5所示。

图5 数据汇总单元

数据汇总单元的主控芯片和nRF24L01无线模块跟传感器节点一样。时钟模块采用低功耗实时时钟芯片DS1302，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，跟单片机采用三线接口进行同步通信。GSM模块采用新款紧凑型产品SIM900A，依靠商业网络进行远距离的信息传输，跟主控芯片采用UART通信，操作简单，使用方便。

3.2 软件设计

数据汇总单元是整个系统的核心，主要有以下功能：(1)GSM模块接收巡检员发来的特定格式的手机短信并做出相应动作，如改变接收报警短信的目标手机号码以及获得一整天温度信息的时间等；(2)当传感器节点或本身供电电压不足时，发出报警短信；(3)不断读取时钟信息，并在整点时向传感器节点发出温度采集命令，然后接受并存储传感器节点发来的温度信息，当时间为早上8点时(可以随意设定)，将先前24 h的温度信息通过手机短信发送到目标手机上，方便巡检人员制作报表；(4)采集温度信息时，当发现某传感器节点温度异常时，会及时向目标手机发送报警短信。数据汇总单元的软件流程图如图6所示。

图6 汇总单元的软件流程图

4 系统性能评价

4.1 nRF24L01有效通信距离测量

nRF24L01无线模块的最大有效工作距离决定着本套系统能够监测得到的空间最大范围。在实验室分别对本系统中6个传感器节点和数据汇总单元的nRF24L01无线模块稳定通信的有效距离进行测量，测得的结果如表1所示。

表1 nRF24L01有效通信距离 m

从表1可以看出，nRF24L01无线模块最小的有效通信距离超过65 m，也就意味着本套系统能够监测到以数据汇总单元为中心，以65 m为半径的圆的空间范围。当然nRF24L01无线模块最大有效通信距离是可以改善的，现有技术能使最大通信距离达到1 km以上。

4.2 系统功耗分析

传感器节点采用3.3 V供电，工作状态有2个，状态1：只有单片机在工作；状态2：传感器接收到数据汇总单元的命令对温度进行采集，DS18B20温度传感器和nRF24L01无线模块也在工作。采用U1252B分别对6个传感器节点2个状态下的功耗进行多次测量，测得的平均功耗见表2。

表2 传感器节点功耗测量结果 mA

传感器节点大部分时间都处于状态1，只有接收到数据汇总单元的温度采集命令才会进入状态2中，即每小时进入状态2的时间约5 s，其余时间都处于状态1。故采用3.3 V 3 A·h(1 A·h=3.6 kC)锂电池供电可以持续工作超过240天，即8个月。

数据汇总单元采用3.7V供电，工作状态有3个，状态1：nRF24L01无线模块和GSM模块都处于休闲状态；状态2：仅GSM模块处于休闲状态；状态3：仅nRF24L01无线模块处于休闲状态。采用U1252B分别对数据汇总单元3个状态下的功耗进行多次测量，3个状态下平均功耗分别为0.95 mA、14.20 mA、25.40 mA。正常情况下，根据程序可算得，一天中状态2大概12 min，状态3大概5 min，其余时间都处于状态1。故采用3.7 V 3 A·h锂电池供电可以持续工作超过108天。

4.3 系统运行结果

为测试系统性能，利用6个水泥电阻模拟开关柜接头，调节水泥电阻两端电压的PWM可以改变水泥电阻的温度。温度传感器DS18B20经校准后，其测量温度跟温度计实测温度对比，测量误差都在1℃以内，部分测试数据见表3。

表3 温度测试结果 ℃

本系统最大的优点就是能在设定手机上显示早前一整天的每隔一小时采集的温度，并且在接头温度有异常时会受到报警短信，最终效果见图7。

图7中，左图是全天温度信息短信，右图是温度异常报警短信。全天温度信息短信以采集温度时的日期开头，如本图中的2014/05/22 早上8点2分收到短信的，也就是说这条短信中记录的温度信息是21日早上9点到22日早上8点每隔1 h的温度信息，第一排就是21日早上9点的温度信息，依次类推，”[]”里面6个温度分别对应开关柜内6个接头的温度。温度异常报警短信中，明显能看出在22日早上10点测量温度时发现3号接头温度达到69.7 ℃，超过了正常温度阀值60 ℃，故发出了报警短信，测试结果表明系统达到了预期目的。

5 结束语

本系统通过软硬件的协同设计，实现了对电气设备温度的连续、准确、智能的测量，主要具有以下2个优点：(1)系统能够定时测量温度并将温度信息通过手机短信传送给巡检员，方便巡检人员制作报表，大大提高工作效率，同时，被测设备温度异常时能及时发出报警信息，有效地避免了因温度过高而导致的电力故障；(2)系统内部采用廉价的nRF24L01无线模块构建无线传感器网络，降低了系统成本，并且传感器节点上的nRF24L01无线模块通道1～5还可以用来扩展网络，灵活性好。测试结果表明：该系统监测范围广，功耗小，准确度高，且扩展性好，具有良好的应用前景。

[1] 王武礼,杨华. 基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计. 仪表技术与传感器,2010(9):50-51，59.

[2] 滕志军,李国强,何鑫,等. 基于ZigBee的高压电气设备温度在线监测系统. 电测与仪表, 2014(1):85-88.

[3] 周为,朱强,徐敏捷,等. 高压开关柜内接头的红外温度监测系统研制. 电测与仪表, 2013(12):96-99.

[4] 韩世忠,徐雁,向柯. 一种应用于高电压的温度测量系统. 高电压技术, 2006(5):35-36.

[5] 鲜晓东,常超,胡颖，等.基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计. 传感器与微系统, 2011(6):141-144.

[6] 王翥,郝晓强,魏德宝. 基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统. 仪表技术与传感器,2010(1):48-49;52.

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《管道技术与设备》杂志

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Temperature Online-monitoring System for Electrical Equipment

LI Jing1，LI Du1，XU Song-zhi2

(1. Hunan Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower, Changsha 410131, China;2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410012, China)

An temperature online-monitoring system which takes wireless sensor network as the core, sensor technology as the base was developed for electricity interruption caused by abnormal temperature rising of high voltage electrical equipment. The system included six sensor nodes and a data aggregation unit, and sensor node was responsible for measuring temperature and then the value of temperature was sent to data aggregation unit through WSN. The data aggregation unit was responsible for sending the data to inspector and sending warning messages when the power supply voltage was insufficient or the temperature of the high voltage electrical equipment was abnormal. Test results show that the effective communication distance of wireless sensor network is extensive, the power consumption of the system is low and the measuring data is accurate and reliable. The system is suitable for monitoring the temperature of power system.

electrical equipment; temperature online monitoring; sensor technology; WSN; GSM

2014-10-19 收修改稿日期：2015-03-14

TM93

A

1002-1841(2015)08-0065-03

李靖(1983—)，讲师，本科，主要从事教学和电子通讯、图像处理方面的研究。E-mail:38234948@qq.com 李杜(1983—)，讲师，本科，主要从事教学和电子通讯、信号处理等方面的研究。E-mail:26452905@qq.com