非接触式电站高温预警系统设计

司 可，袁 腾

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

0 引言

配电站是电力保障系统中的重要组成部分，其中的安全监测系统是电力系统的重要组成部分，需要监测高压线路、高压电力设备、变压器、配电站内部温度等参数[1]。但大部分的配电站都建在郊区或者是建在条件比较复杂的山区，如果采用人工的方式对这些配电站进行监测，必将耗费大量的人力和物力[2]。因此，配电站智能化温度监测的研究，对于减少人员投入、提升工作效率有着很重要意义。

配电站中的电器在发生故障前，其工作状态有一个趋坏的过程，只不过这种趋坏的程度在未达到故障级别时，设备还是会带故障进行工作[3]。但是，带故障工作的电气设备在设备工作电功率、工作温度等方面与正常工作的电气设备有着很大的区别，利用对故障电气设备运行情况与正常工作电气设备工作状况的比对，可及时排除安全隐患。当配电站中的电气设备非正常工作时，其过高的温度极有可能诱发火灾，从而造成更加严重的损失，对电力系统的正常运转造成巨大伤害。因此，为保证生产设备安全及运行稳定，对电站的温度监测十分必要。

温度监测方法大致可分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度监测是目前应用较为广泛的监测方式，贾云辉[4]等人设计出了一种智能火灾报警系统，该系统利用接触式的DHT11温度传感器、Q-2烟雾传感器进行火灾程度的监测，可以达到很精确的测量效果。但是这种接触式传感器需要与被测物体接触，测量结果容易受到自身工作温度和周边环境因素的影响。而非接触式测温的特点是不用与被测物体相接触而迅速的探测目标温度，探测速度快速，探测温度的分辨率高，能够很好地避免接触式测温的弊端[5]。最具代表性的非接触式测温方法就是红外测温。尤其对于暗光环境温度的测量，红外测温是一种很有效的方法。

本文基于红外测温技术设计了一个可以实时监控电站内部情况以及高温报警的电站监控预警系统，该系统利用红外相机进行被监测设备的运行温度探测，可在暗光环境下清晰地监控设备工作情况，且无需与被测物体接触就可实现高温自动报警，通过及时报警以及系统显示的热成像图来帮助工作人员及时排除安全隐患。

1 系统测试原理与结构设计

1.1 系统测试原理

一个正在发热的物体会不断地向四周发出红外辐射，通过对物体所发出的红外辐射进行分析，可以得到被测物体的温度，该测试方法这就是红外测温。斯特藩—玻耳兹曼定律给出了物体温度的红外辐射的关系。

斯特藩—玻耳兹曼定律指出，物体辐射功率与其绝对温度的4次方成正比。此定律给出了一个黑体的全辐射出射度与温度的关系：黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)W与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比[6]。即：

W=εσT4

(1)

其中:辐射度W是具有功率密度的量纲，国际单位制标准单位为焦耳/(秒·平方米)，即瓦特/平方米。绝对温度T的标准单位是开尔文；ε为黑体的辐射系数，若为绝对黑体，则ε=1；若非绝对黑体，则ε<1，与物体的温度及材料特性有关。比例系数σ称为斯特藩-玻尔兹曼常数或斯特藩常量。该常数的值约为：σ=5.670 4×10-8W/(m2K4)。可以看到：温度和黑体辐射出射度成指数关系，且随着温度上升，黑体辐射度将极具升高[7]。实际待测物体通常不是黑体，对于非黑体的辐射定律一般比较复杂，但仍可借助于黑体辐射定律来研究[8]。

在红外测温中，该定律可用来实现温度标定。在黑体加热时，通过红外感应模块对黑体辐射出射度进行探测，建立其温度与出射度的拟合曲线，通过求解该拟合曲线的函数关系，即可得到不同出射度所对应的温度，这样就实现了红外测温中温度的标定。对于不同的红外探测模块，此函数关系不同。

选择红外相机为本系统的红外探测模块，则被探测的黑体辐射出射度直接体现在了红外相机拍摄所得的黑体图像的灰度值。最终可通过红外相机拍摄得到的图像灰度值的大小求得所对应温度值的大小。

本文设计的电站火灾预警系统的工作原理如图1所示。系统采集到被测物体的红外图像，再利用数字图像处理的相关算法来得出红外图像最大的灰度值，将灰度值代入提前通过拍摄黑体所得的图像灰度值和温度值的函数关系，得到温度值，然后在上位机输出并存储所得的当前温度值以及红外图像。若最高温度值超过设定的温度值，上位机发送指令给MCU(微处理器)从而实现报警功能。

图1 系统工作原理

1.2 系统结构设计与整体方案设计

本文所设计系统的系统结构如图2所示。系统由红外相机、上位机、MCU和报警模块组成。系统通过红外相机实现图像采集，利用千兆网通信将图像传输到上位机，并在上位机上进行图像处理和数值分析得到所拍摄物体的最高温度值，当该温度值大于所设定的报警温度值时，上位机利用串口向MCU发送报警指令，MCU收到报警指令后驱动报警模块进行报警。

图2 系统结构框图

系统的报警方式包括声光报警和GSM短信报警。声光报警采用LED灯和有缘蜂鸣器来完成，此部分通过MCU的I/O口驱动来完成。GSM短信报警采用SIM900A GSM短信模块来实现功能，此部分通过MCU的串口与该模块进行通信。

由于系统需要将相机所拍摄图像实时显示在上位机上，因此在上位机软件设计时，需要实现相机驱动，可以利用LabVIEW的IMAQdx组件库编写驱动程序来完成软件设计。该软件设计中的驱动程序设计需要将相机采集到的图像进行处理，得到所采集图片的灰度最大值，将灰度最大值带入由温度标定所得到的灰度温度转化公式，从而得到温度值，并在上位机上将温度值实时地显示在界面上。

虽然红外相机可将物体表面的温度分布转化为人眼可视的图像，但是相机采集到的图像是不利于人眼有效观测的黑白灰度图像。因此，本系统对红外相机采集到的图像进行了伪彩色处理，便于人眼对被拍摄物体的温度分布进行更好地观测。红外图像的伪彩色处理是可以利用Matlab实现。但是，Matlab软件在每次处理时，需要人为地进行操作，无法实现图像的自动处理。针对这个问题，利用Matlab软件的GUI界面功能，通过LabVIEW来调用生成的GUI界面，可以实现实时处理和显示功能。

2 硬件设计

系统的硬件包括红外相机、主控模块以及报警模块。

选用长波红外相机来进行温度探测。长波红外相机可以捕获8～14 μm光谱带内的光线。这种类型的红外相机在工业中最常见的工作方式是应用在热成像领域当中的，它对温度变化有着很好的响应度。通过长波红外相机，可以很好地捕获被测物体向四周发出的红外辐射。选用的红外相机采用千兆网通信来与上位机进行通信。千兆网相机遵循Gige Vision接口标准协议，用千兆网通信的方式传输视频信号，可以实现较长的传输长度和较高的传输速度[9]。

主控模块选用STM32F103系列芯片为系统的MCU。STM32F103系列32位微控制器是基于专门为嵌入式应用开发的具有突破性的ARMCortex-M3内核，可以通过调用其丰富的库函数来实现各种复杂功能[10]。

报警模块设计包含蜂鸣器电路设计和GSM模块电路设计。报警模块与主控模块利用串口来进行通信。

报警模块的蜂鸣器电路设计主要是为了放大直流电压，增大蜂鸣器的响声，使其有良好的报警效果。采用S8050三极管进行电流放大，使得MCU能够利用低压数字信号控制蜂鸣器正常工作。当配电站的温度过高时，上位机通过串口将报警指令传输给MCU，MCU通过I/O口驱动蜂鸣器进行报警。蜂鸣器与STM32芯片的PB8口连接，该I/O口配置为推挽输出，电路原理如图3所示。

图3 蜂鸣器驱动电路

短信报警模块选择正点原子公司生产的ATK-SIM900A GSM模块。该模块与STM32通信采用串口USART3通信的方式，模块的数据发送端连接STM32的PB11口，数据接收端连接STM32的PB10口。该模块使用SIM900A主控芯片，其读写电路原理如图4所示。

图4 SIM900A芯片读写电路

3 软件设计

3.1 上位机软件设计

本系统的上位机软件设计使用LabVIEW实现。LabVIEW使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图形式。LabVIEW提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面。

用户界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。

编写的上位机软件实现的功能主要有5个：1)驱动长波红外相机进行图像采集、且以视频形式显示出来；2)把采集来的图像以图片的格式存储在上位机中；3)对所采集的图像进行图像处理，得到温度值；4)将图像进行伪彩色处理显示出来;5)向STM32发送数据，实现报警。

系统的软件设计包含如下4部分的设计：

1)图像采集程序设计。该部分的程序设计使用IMAQdx Open Camera控件进行打开相机的操作，此控件的作用是打开一个相机，查询摄像头的功能，加载摄像头的配置文件，并能创建一个独特的相机。找到相机所在的接口，得到这个相机的配置信息，并创建唯一的参考相机。使用IMAQdx Configure Grab控件来来配置和开始采集图像。使用IMAQdx Grab控件来输出图像的当前帧。使用IMAQdx Close Camera控件来停止相机正在进行的图像数据采集，释放在缓冲区存储的数据的资源，并关闭所选相机的会话。使用IMAQdx Snap控件来捕捉输出图像的当前帧，将输出的图像实时捕捉，用来便于后边的图像处理和图像存储应用。程序设计如图5所示。

图5 图像采集程序框图

2)图像处理程序设计。通过for循环使得软件程序可以达到图像自动存储的功能，即只要提前设定好图片存储的路径和图片存储的名称即可实现图片的实时存储。该程序中利用IMAQ WriteFile控件来保存图像，选择保存的图像格式是PNG格式。该控件在设置好保存路径和保存图片的格式后，即可在相应的路径下保存图片。捕捉到的图像通过IMAQExtractSingleColorPlane控件处理成灰度图像，之后再将此灰度图像通过IMAQ ImageToArray控件处理成二维矩阵，然后求出二维矩阵的灰度最大值，利用公式节点控件，得到该灰度值所对应的温度值。

3)上下位机串口通信程序设计。利用LabVIEW软件的VISA库来实现，设置串口波特率为9 600，串口号为COM3。当所测温度高于预警温度值，通过串口向MCU发送1，代表报警指令；若低于预警温度值，上位机通过串口向MCU发送0。

4)伪彩色图像显示程序设计。利用LabVIEW软件的执行系统命令函数来实现伪彩色图像显示，该命令函数可以调用MATLAB生成的GUI界面应用程序。图像处理、上下位机通信及伪彩色图像调用的整体程序设计如图6所示。

图6 上位机软件图像处理及上下位机通信程序框图

程序设计的软件整体界面如图7所示。

图7 软件界面

3.2 下位机程序设计

下位机程序设计流程如图8所示。利用MDK5进行程序设计，程序主要流程：当系统开始工作时，下位机首先进行串口初始化、GSM模块初始化、蜂鸣器与LED初始化，随后等待上位机通过串口发送的指令。当上位机发送数据为1时，STM32驱动蜂鸣器和LED灯进行报警，GSM模块给用户指定的手机发送短信；当上位机发送数据为0时，系统不报警，继续等待下一个指令。

该部分程序设计的重点是GSM模块发送短信功能的实现。外部MCU通过串口发送特有的AT指令集来实现对GSM模块的控制。首先，发送AT+CSCS=GSM指令，使得TE字符集设置为缺省字符集。其次，发送AT+CMGF=1指令，使得短消息模式设置成为文本模式。最后，发送AT+CMGS指令，实现向用户设置固定号码发送短信的功能。

图8 下位机程序流程图

3.3 GUI界面设计

采用MATLAB生成GUI界面实现灰度图像到伪彩色图像的转化和显示。伪彩色图像采用为灰度分层的方法生成，该方法的主要原理是将一幅灰度图像的各个灰度值分为M个不同灰度级的区域，将M个区域人为分配M种不同的颜色，就可得到M种颜色的伪彩色图像。在Matlab中，实现灰度分层伪彩色处理的函数为grayslice，它的语法为X=grayslice(I,n)，其中I为原灰度图像，n为均匀量化等级数，X为索引图。

图9为利用红外相机拍摄加热后的热水壶的伪彩色图像处理界面，实现了将红外相机采集到的图像实时转化为伪彩色图像的功能。在实际工作过程中，工作人员可根据伪彩色图对电气设备的故障区域进行判断。

图9 伪彩色图像处理界面

4 系统运行测试与分析

系统运行的具体实验步骤如下：

1)连接好相机，在上位机界面上选择好相机接口。

2)设置相机所拍摄图像的保存路径，并将保存图片命名。系统默认图片名称为“0.png”。

3)连接下位机，在上位机界面上选择通信接口，并利用Keil软件将下位机程序烧录到STM32芯片中，确定报警模块与微处理器连接正确。

4)运行软件，点击拍照按钮，此时相机所采集的图像会在图像显示区显示，且所拍摄物体的最高温度值会显示在界面上。

5)点击上位机界面中的处理图像按钮，调用出处理后的伪彩色图像显示界面。

将红外相机拍摄某表面温度高于阈值温度的热源，其界面显示如图所示，系统蜂鸣器响起，报警灯点亮，同时手机持续接收到报警短信。多组实验测试结果如表1所示，测试结果表明，系统运行稳定操作简便，具有良好的预警效果。

表1 实验测试结果

5 结束语

系统利用红外测温方法来实现被测设备实时温度的监测和温度阈值报警，可以对电站中的电气设备的运行状况进行有效监测。在设备工作温度非正常时，及时向工作人员报警，同时系统通过显示的被测电气设备的伪彩色图像来帮助工作人员排查故障位置。通过选择性能更好的红外相机或者更准确的温度标定方法，系统可以实现更精确的高温预警。

系统后续可以添加更多的功能，比如将系统所拍摄的图像实时显示在手机APP上，使用户更加方便地查看电气设备运行状况；在上下位机通信方面还可以采用无线通信，这样就使得系统摆脱线路地束缚，使其更加轻便。通过改变报警温度值，系统也可以推广到各种需要温度监测的特殊工作场合。