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基于感應取電的無線測溫系統(tǒng)設計與應用
江蘇省泰州技師學院 劉濤 唐培林 2017/2/5 21:29:58
【摘要】電力系統(tǒng)中，各類設備的開斷接觸點，由于制造、環(huán)境污染、觸點氧化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大，在運行時往往不斷發(fā)熱，溫度不斷上升，給設備安全運行埋下隱患，如果不及時發(fā)現(xiàn)，容易導致起火或爆炸，造成大量財產損失。因此，電力設備的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)越來越得到大家的認可和重視。傳統(tǒng)的紅外、光纖及有源無線測溫系統(tǒng)在安全性、適用性、穩(wěn)定性、實時性等方面存在一定的技術缺陷。感應取電無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在高壓電力設備上得到廣泛應用，有效的解決了傳統(tǒng)測溫技術在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、實用性等方面存在的問題。
【關鍵詞】無線傳感器，感應取電，無線測溫，物聯(lián)網(wǎng)
1、概述
無源無線測溫系統(tǒng)一般有三部分構成：無源無線測溫節(jié)點、無線溫度接收終端、數(shù)據(jù)服務器及APP，系統(tǒng)組成如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)示意圖 圖2 變壓器模型
無線測溫節(jié)點作為系統(tǒng)的感知層，分布于各個發(fā)熱點，實時測量觸點表面溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線方式上傳給接收終端。接收終端在系統(tǒng)中承擔著數(shù)據(jù)中繼功能，它接收到傳感器的數(shù)據(jù)之后再通過485或者無線等方式傳輸給數(shù)據(jù)后臺，他們形成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)到達后臺后，用戶可以通過計算機組態(tài)界面監(jiān)測現(xiàn)場每個傳感器的實時溫度、歷史曲線，如果出現(xiàn)超溫情況，可以快速定位并及時通知相關人員，這就是系統(tǒng)的應用層。
2、無源感應取電理論依據(jù)
本系統(tǒng)無源無線取電應用法拉第電磁定律，充分利用高壓開關柜內三相母線產生大量電磁能，根據(jù)變壓器模型如圖2所示。母線作為取電感應器的一次側線圈，取電線圈作為取電感應器的二次側線圈，組成取電電路，二次側處于短路工作狀態(tài)，相當于電流互感器。
取電電路關鍵在于導磁材料的選擇，該電路選擇了1J85型薄膜合金帶，薄膜合金帶是一款高導磁合金材料，其特點是含有45%~81%的中鎳，Bs=0.7~1.6T，導磁率從5到50萬，采用不同的制作工藝和熱處理制度可以獲得普通回線-高初始磁導率，矩形回線-高剩余磁感應強度，扁平回線-低剩余磁感應強度。高磁感且高磁導率低損耗，縮小磁性元件和體積，在潮濕的環(huán)境中耐腐蝕性強。常用薄膜合金帶主要參數(shù)指標如表1所示：
表1 常用薄膜合金帶性能指標
3無源無線測溫硬件設計
3.1無源無線測溫節(jié)點電路設計
通過感應線圈取電后，經(jīng)鉗位保護電路、整流電路、電壓檢測、線性穩(wěn)壓為工作電路板供電，電路如圖3所示。
圖3 無源無線測溫節(jié)點電路
測溫節(jié)點微控制器采用TI公司的低功耗無線單片機CC430F5137芯片，CC430不但延續(xù)了其前輩超低功耗、高性能的傳統(tǒng)，而且集成了業(yè)界領先的1GHz以下頻段的CC1101RF收發(fā)器，是真正的業(yè)界最低功耗的單芯片射頻(RF)解決方案。使用CC430平臺既可降低系統(tǒng)復雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小50%，又可簡化RF設計，從而將包括RF網(wǎng)絡、能量采集、工業(yè)監(jiān)控與篡改檢測、個人無線網(wǎng)絡以及自動抄表基礎設施(AMI)等在內的應用推向前所未有的水平。其外圍電路可參照官方應用手冊。
溫度電路檢測采用16位高精度可關斷低功耗數(shù)字傳感器，通過I2C總線與微控制器連接，如圖4所示。
圖4 傳感器電路 圖5 接收終端電路連接示意圖
3.2無線接收終端電路設計
無線接收終端采用TI公司的CC430F5137無線單片機作為控制器，它既可以接受測溫節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以通過無線方式或RS485把數(shù)據(jù)傳給應用層，同時它還可以完成人機交互控制，包括設置操作按鍵和LCD顯示屏。電路連接示意圖如圖5所示。
4、無源無線測溫傳感器程序設計
無源無線測溫節(jié)點和無線接收器程序設計采用C語言編程，編程要注意的有兩點，一是程序開發(fā)規(guī)范、簡潔、易讀，二是低功耗程序設計，通過單片機和無線收發(fā)器的休眠以及外圍電路的關斷，使得整個電路最大電流不超過50微安。
設計測溫節(jié)點程序時，首先要對單片機和無線收發(fā)器進行配置，為了防止節(jié)點死機，必須設計看門狗程序；為（未完，下一頁）
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