安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

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

       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。

       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。

2.1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

5.1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，

5.4.1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

5.6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

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

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：

       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：何花，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，QQ:2881392111；邮箱:2881392111@qq.com。