高壓開(kāi)關(guān)觸頭溫度實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)監測系統的設計與實(shí)現

1 系統結構簡(jiǎn)介
本系統結構如圖1所示，由若干無(wú)線(xiàn)溫度變送器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)變送器)、數據集中顯示器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DI)、監控中心的上位機和通信鏈路四部分組成。變送器貼附于母排接頭表面和接近開(kāi)關(guān)觸頭的觸臂上，變送器通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將溫度數據傳送給DI；DI安裝于高壓開(kāi)關(guān)柜面板上，收集來(lái)自各變送器的溫度數據并進(jìn)行處理、存儲、顯示和實(shí)現相應的報警控制功能，所有DI通過(guò)RS 485總線(xiàn)與監控中心的上位機構成分布式監測系統。

2 變送器設計
2．1 硬件電路設計
變送器的結構如圖2所示，主要由MCU、溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)模塊nRF905、電源電路和包裹有屏蔽層和絕緣層的外殼組成。變送器采用PIC16LF628A單片機作為處理器，該處理器具有抗電磁干擾能力強、低功耗、體積小等特點(diǎn)。溫度傳感器選用DS18B20，其測量范圍為-55～125℃，精度±0．5℃，通過(guò)單總線(xiàn)傳送數字溫度信號，具有使用簡(jiǎn)單、可靠、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
變送器電路設計如圖3，溫度傳感器U3的輸出連接到單片機的RB5引腳，U3的地連接到單片機的RB4引腳，用于控制溫度傳感器工作狀態(tài)，當單片機進(jìn)入休眠時(shí)，停止溫度傳感器工作，以降低功耗；無(wú)線(xiàn)模塊U4選用nRF905無(wú)線(xiàn)鏈路控制器設計，用于在變送器和DI之間建立無(wú)線(xiàn)數據傳輸通道，通過(guò)SPI接口與單片機連接。為了確保變送器可靠運行，必須保證變送器和無(wú)線(xiàn)模塊電源電壓的穩定，采用3．6 V的高效鋰電池經(jīng)電容C1～C6濾波后給變送器供電。

2．2 軟件設計
變送器主要執行溫度采集、數據處理和數據傳送工作。為了保證變送器能可靠工作5年以上，變送器的低功耗設計是本系統的一項關(guān)鍵技術(shù)，除了硬件上選用低功耗元器件外，重點(diǎn)是變送器的工作機制。主程序流程如圖4所示，主程序運行一次循環(huán)后進(jìn)入休眠，采用單片機硬件“看門(mén)狗”喚醒機制，1 s喚醒一次，對看門(mén)狗復位次數進(jìn)行計數，由計數值可得到時(shí)間的累加，在一定時(shí)間間隔內(約5 s)啟動(dòng)溫度傳感器并采回其數據。

其中數據采集模塊包含溫度采集控制算法和溫度采集。由于溫度傳感器的轉換時(shí)間較長(cháng)(約1 s)，分為兩步采集：第一步啟動(dòng)并開(kāi)始轉換；第二步讀取溫度并置相關(guān)標志。有采集標志時(shí)，單片機在第一次喚醒執行第一步，在第二次喚醒執行第二步，這樣單片機大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。當不進(jìn)行采集時(shí)，通過(guò)抬高溫度傳感器的地，關(guān)斷其工作電源，進(jìn)一步降低溫度傳感器消耗的功耗。
其中數據處理模塊包含溫度數據處理和數據傳送。數據處理流程如圖5所示，當前溫度若超標或與之前一次的溫度數據比較差值(溫升)超標，變送器立即向DI發(fā)送最新溫度值；否則，直到采集達到12次，再向主機發(fā)送溫度值，即60 s發(fā)送一次，這樣設計的目的是為了讓DI判斷變送器是否在線(xiàn)，又能降低變送器功耗。數據傳送中包含載波檢測、數據發(fā)送和發(fā)送超時(shí)處理，載波檢測可以防止處于同一頻道的多個(gè)變送器同時(shí)發(fā)送數據引起的沖突。