谢小芳 李虎阳 左安康
摘要:该文目的是设计一种应用在电力系统中,有效监控电力设备保证其安全运行的监控系统。温度是电力设备安全运行的重要指标,监控关键节点温度值可有效地反映电力系统的运行状态。该文在分析电力系统应用需求的基础上,介绍了该电力监控系统的整体方案设计,并对数据传输模块,射频模块等重要模块进行了分析说明,最后介绍了系统软件设计,并给出了实际应用中测温标签的安装节点示意图。
关键词:射频识别;声表面波;电力测温;方案设计
中图分类号:TP393 文献标识码:A
文章编号:1009-3044(2019)17-0282-02
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
Abstract: The main purpose of this paper is to design a system that can be applied in the power system to monitor the electrical equipments. Because the temperature is an important index of power equipment, to monitor temperature value of the key nodes can monitor the operation state of the power system effectively. Firstly based on the analysis of power system specific application requirements, the paper introduces the system overall design. Secondly The article analyzes the data transmission module, RF module and other important modules and gives each module 's hardware circuit design respectively. Finally the paper introduces the system software design and shows the diagram of nodes where the tabs are mounted in practical application system and the system 's practical monitoring interface。
Key words: RFID; SAW; temperature measurement in the power system; scheme design
1 背景
近年來,电力安全问题被广泛关注,它关系人们生活的方方面面,影响着人们的生活,因此迫切地需要安全可靠的监控设备和监控措施来确保电力系统的安全,人们在很多方面进行了探索,提出了一些有效的措施和解决方式。目前的监控设备大部分采用如下一些方式实现,但都存在不足。1)热敏电阻/电偶方式,不能实现无线无源,抗干扰能力弱。2)光纤方式,属于有线方式,会破坏现有电力设备构架,高压情况下还会出现漏电、爬电隐患。3)红外成像方式[1],由于高压开关柜内部结构复杂,元件互相遮挡较多,通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求。
射频识别(RFID)[2]是目前比较主流,应用较多的射频技术,将其应用在电力监控系统中,使用标签来标识每一个监控节点,使得监控更加高效可靠。声表面波(SAW)[3]是一种能够在压电衬底表面传输的频率波,其振幅随深入压电衬底深度呈指数变化,其频率也随本身附着物体的温度不同而变化。本文结合RFID技术与SAW技术,深入分析设计出一种应用在电力测温方面的监控系统。
2 系统整体方案设计
本系统主要任务是监控电力设备的安全运行状态,主要通过采集贴在各电力设备重要节点上标签的参数来得到所需信息。系统整体设计框图如下图1所示[4]。
系统采用射频标签采集电力设备温度信息,并实时显示在系统LCD上。系统分析采集参数信息,一旦发现超标标签,立马启动短信报警。具有锂电池供电和充电功能,并设计有多重通信,可固定亦可移动,能够方便有效的监控当前设备状态,最大限度地排除隐患,减少、杜绝电力系统重大事故的发生。
3 各主要功能模块设计
本系统核心处理器采用S3C6410,运行 window CE嵌入式操作系统。
3.1 电源模块
电源模块提供了整个系统运行基础。锂电池供电同时具有随机充电功能,使用mini USB接口。
充电控制芯片采用CN3062,一款广泛应用于各种移动设备上的电池充电控制芯片,可以使用USB口或者交流适配器实现充电,输入电压范围4.35V~6V,电源电压掉电后可自动进入低电压睡眠模式,自动再充电,电池温度检测功能,具有充电状态和充电完成双指示输出。
由于系统模块需要3.3V,5V,1.8V等多种电压值,需要将5V转换成各种所需电压值。
使用mini USB进行充电时,只使用了mini-USB的VBUS管脚,并不影响USB的数据传输功能,因此其数据传输功能可以正常使用,在充电的同时可以进行数据的传输。
3.2 LCD显示模块与外部USB存储
本监控系统采用系统实时显示监控节点状态功能,因此系统必需一个显示设备,我们采用的是4.3寸的TFT LCD液晶屏,24bit的RGB接口,其分辨率达到480× 272,高亮度和对比率,LCD屏使用专用LCD屏排线与系统底板相连接。
外部USB存储主要设计需求是,需要对目前监控状态以及单个节点温度-时间曲线进行抓取,存储于外部USB移动设备中,以备文档书写和分析数据时使用。
3.3 网络连接模块设计
本系统需要将监控信息上传于监控中心,为了满足不同环境应用,本系统设计无线和有线两种接入方式。有线接入方式,网络控制器芯片为DM9000AE,芯片支持IEEE 802.3u的以太网标准,同样也支持IEEE 802.3x全双工以太网数据链路层的流控方法。
无线连接方式选择GPRS/GSM模块出于两种考虑,一是电力设备故障危害大,紧急程度高,采用GSM使用AT指令发送短信方式,以便负责人员及时收到信息,第一时间做出反应。二是系统需要所有监控信息暂时保存以备后期的查验。终端设备配有大容量的存储空间是不经济的,可通过GPRS将数据上传于服务器。
3.4 SAW标签信息采集模块
這一部分是整个系统功能最重要的实现部分,系统向SAW标签发送询问信息,标签收到询问信息后,反射信号回系统,通过分析反射信号提取温度信息。
由发送模块和接收模块组成。发送模块采用由CC1101组成的简单无线发送电路。采用SPI接口和处理器连接。接收模块主要目的是提取反射的标签ID信息和其携带的温度信息。
根据SAW标签特性,接收到射频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体表面传播。反射栅对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能器,叉指换能器又将反射声脉冲串转变成射频电脉冲串。物体的温度会影响在其表面传播的声表面波频率,接收端接收到反射信号,与发射的本振信号频率比较得到频率偏移值,经FFT算法得到频率偏移值所对应的物体温度值。这里采用一种超外差接收机制实现对反射信号中温度信息的提取[5],通过环形器,滤波器,混频器,A/D转换器等一系列硬件处理提取数据。
如下图2所示为射频发送和接收模块的组成框图。
4 系统软件设计与验证
系统软件主要分为三条主线,一、实时采集温度信息进行显示,根据需要绘制温度-时间跟踪曲线、分析数据计算特殊值,抓取截图存于外部设备。二、是分析收到温度信息,判断危险情况启动GSM发送报警信息。三、定期将数据通过GPRS上传于服务器。
系统采用SAW标签采集温度信息,所测温度精度高,可以有效地检测电力设备的温度变化情况,确保其安全运行。实际系统应用时,SAW标签通过一个简单的安装固定夹安装于下图中的各个节点处。
5 结束语
研究基于SAW和RFID技术相结合的电力温度监控系统,有机结合了ARM高效的控制技术、基于RFID的可靠无线通信技术,SAW的高精度设计出一种能够应用在电力系统中有效的监控电力设备温度信息的系统,这将大大降低电力安全事故的发生,保证了电力系统的正常运行。
参考文献:
[1] 李铮, 黄俊, 刘美玲. 基于嵌入式的红外电力监控系统的设计[J]. 电视技术, 2011(5).
[2] 张晖, 王东辉. RFID技术及其应用的研究[J]. 微计算机信息, 2007(11).
[3] 刘积学, 段成丽. SAW传感器及其在无源标示器中的应用[J]. 压电与声光, 2005(6).
[4] 刘云. 基于ARM的高频远距离RFID读写器的研究与设计[D]. 苏州: 苏州大学, 2009.
[5] 李旭梅, 黄俊, 刘鸿. 基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计[J]. 电子技术应用, 2013, 39(2): 9-11.
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