高壓開關(guān)觸頭溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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無線通信容易受到干擾，發(fā)送的數(shù)據(jù)越長受到干擾的程度越大，同時功耗也越大，所以設(shè)計中遵循的原則是：即要滿足應(yīng)用需求又要保證數(shù)據(jù)的可靠和低功耗。對變送器無線模塊的配置：可配置頻道達170個，頻道的選擇與DI地址綁定，就可以確保各個DI所組成的網(wǎng)絡(luò)不沖突；工作頻段為433 MHz；發(fā)射功率為-10 dBm，實測傳送距離可達50 m，已滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求；為了提高穩(wěn)定性，開啟自動重發(fā)功能；發(fā)送和接收地址都為1 B，發(fā)送和接收字節(jié)都為4 B；禁止參考時鐘輸出，以降低功耗；CRC校驗為8 b模式；雖然無線數(shù)據(jù)包中已經(jīng)包含了地址匹配和CRC校驗，但是為了數(shù)據(jù)傳輸更可靠，數(shù)字幀中加入DI地址和變送器地址作為數(shù)據(jù)包的識別碼；則變送器發(fā)送至DI無線數(shù)據(jù)包格式如表1所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/188589.htm
2．4 低功耗設(shè)計
變送器中功耗最大的是無線模塊，其他器件耗電量很小，而且大部分時間工作在休眠狀態(tài)下。當nRF905處于接收狀態(tài)時，工作電流約為9 mA；處于發(fā)送狀態(tài)時，工作電流約為12．5 mA(輸出功率為-10 dBm時)。如果無線模塊一直運行，那么電池很快就會被耗盡。為了降低功耗，同時又保證數(shù)據(jù)通信暢通，根據(jù)系統(tǒng)對溫度測量的需求，變送器只發(fā)送數(shù)據(jù)不接收數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)發(fā)送時，無線模塊進入休眠狀態(tài)，無線模塊休眠時功耗小于2μA；發(fā)送數(shù)據(jù)采用間歇式工作，當溫度數(shù)據(jù)無異常，1 min上傳一次數(shù)據(jù)，當溫度數(shù)據(jù)異常時，立即上傳數(shù)據(jù)；無線模塊的休眠至開始發(fā)送數(shù)據(jù)時間tstart-up0．2 ms，前導(dǎo)碼發(fā)送時間tpreamble0．2 ms，無線數(shù)據(jù)包長度N all=6 B，傳輸速率BR=50 Kb／s，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢至無線模塊休眠時間toff0．2 ms，則發(fā)送一次數(shù)據(jù)包時間Tsend為：
無線模塊的平均工作電流(μAh)=發(fā)送電流?Tsend?次數(shù)+休眠功耗=12．5×1．46×60／3 600+2=2．31μAh
單片機休眠時功耗小于2μA，變送器的靜態(tài)平均電流小于4．31μA，因此若變送器平均工作電流以5μh計算：
使用時間(年)=電池容量(Ah)／365(天)／24 h／平均電流(μAh)×1 000 000=1／365／24／5×1 000 000△22．8(年)
因此，理論計算用1 Ah的電池可供變送器工作22．8年。
經(jīng)實測，變送器發(fā)送一次數(shù)據(jù)的總時間T總=喚醒時間+Tsend+進入休眠時間=1．6 ms，發(fā)送數(shù)據(jù)時的電流為14 mA，靜態(tài)時的平均電流為5．5μA，則1 Ah的電池可供變送器工作19年，已滿足設(shè)計需求。
2．5 抗電磁干擾設(shè)計
變送器貼附于母排接頭表面和接近開關(guān)觸頭的觸臂上，而母排或觸臂上有大電流流過，會形成較大的電磁場，對變送器造成很大的電磁干擾，因此，必須采取一定的屏蔽措施來保證變送器的可靠運行。變送器的實物剖面圖如圖6所示，除天線外接，其他所有電路包裝于一屏蔽的盒內(nèi)，最大程度減少電磁輻射對變送器的干擾；溫度傳感器貼附在導(dǎo)熱片上，變送器的導(dǎo)熱片一面貼于被測量的監(jiān)測點上，盒內(nèi)空間全部灌膠；為了提高絕緣性能，用熱縮管包裹整個變送器。
3 數(shù)據(jù)集中顯示器(DI)的設(shè)計
DI主要完成對各變送器的數(shù)據(jù)收集、處理、存儲、LCD顯示、報警信號輸出和與監(jiān)控中心通信等功能。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，處理器選用具有ARM7內(nèi)核的32位高性能微處理器LPC2136；存儲模塊用于存儲系統(tǒng)的配置信息和各種數(shù)據(jù)；實時時鐘為系統(tǒng)提供精確時間；ID設(shè)置用于設(shè)置本機ID；無線模塊nRF905實時偵聽是否有變送器的數(shù)據(jù)；電源適配器將220 V市電轉(zhuǎn)換成+12 V和+5 V，給DI供電；RS 485用于與監(jiān)控中心的PC機通信；系統(tǒng)報警輸出所需的聲光報警經(jīng)繼電器隔離實現(xiàn)；LCD人機交互用于顯示當前各變送器的溫度數(shù)據(jù)信息和DI的重要信息，現(xiàn)場用戶可執(zhí)行輸入、輸出操作，如變送器信息查詢和設(shè)置，DI運行日志查詢和配置等。為了實現(xiàn)對各種功能方便可靠操作，軟件設(shè)計上移植了實時性較好的μC／OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)。
4 應(yīng)用效果
監(jiān)控中心PC機客戶端軟件監(jiān)控主界面如圖8所示，從圖中可以看出實時刷新溫度值均在33℃左右。圖9為DI管理界面，可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息；圖10為歷史數(shù)據(jù)查詢曲線圖，為高壓柜101的A相接觸點250條歷史記錄曲線。
5 結(jié) 語
本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用條件，采用鋰電池供電和無線數(shù)據(jù)傳輸方式，并且采取了絕緣和抗電磁干擾措施，很好地解決了高低壓隔離、低功耗和抗強電磁干擾的技術(shù)難題，使本系統(tǒng)在可靠性、擴展性、成本低和安裝維護方便等方面均具有突出優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于高電壓環(huán)境的溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域。
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