CN103218903A - 一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统。此系统由接触式温度传感器、收发芯片、两节AA电池以及控制中心构成。控制中心采用单片机MSP430，平时，控制中心处于休眠模式，当定时时间到之后，转入工作模式。在工作模式下，控制中心完成指令接收、温度数据读取、数据收发以及通信规约解析等功能。接触式温度传感器完成温度转换功能。所用收发芯片为LTP5901-IPM，该芯片基于6LoWPAN协议，通信频段为2.4G，完成无线数据的收发、自组网、自动休眠、自动路由以及自动唤醒等功能，具有极低功耗。采用了本发明所公开的技术方案后，使用两节AA电池，可以保证系统正常工作时间大于80个月，而当前业界最好水平为24个月。

Description

一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统

技术领域

本发明属于智能电网在线监测及其应用领域，具体是一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统。

背景技术

高压开关柜是电力系统中的重要设备，保证高压开关柜的安全运行是保障电网安全的重要基础。在高压开关柜长期运行过程中,隔离开关的触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，这些发热部位的温度常常导致设备烧毁等事故。常规的人工巡检方式并不能及时发现开关柜潜在的发热故障，更无法判断故障发展趋势及定位故障位置。针对人工巡检的不足，人们开发了一系列新型高压开关柜温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。

当前，应用较为广泛的温度监测技术可以分为三类：1、柜外红外成像技术（张艳,田竞,叶逢春,路灿.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器,2005(2):91-94.李霜，袁辉建，阳明，蒋燕.双光谱电力设备在线监测装置的实现[J].计算机测量与控制，2011(12):2829-2901.袁辉建，阳明，蒋燕，李霜.紫外红外双光谱电力设备在线监测系统[J].自动化仪表，2012(2):58–62.钱祎.基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计[D].南京：南京理工大学，2009）；2、光纤表贴测温技术（朱建军，赵宝瑞，纪青春，等.分布式光纤传感器开关柜温度监测探讨[J].光器件,2012(2):15-17.时斌．光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术，2007，33(8):169-173．李亮，夏爱军，逯锋兵．光纤光栅传感技术的优势与应用[J].光通信技术，2007，31(7):62-64)；3、接触式测温与无线传输技术(陈成添，蔡声镇，李汪彪，吴允平．高压开关柜温度实时监测系统的设计与实现[J].福建师范大学学报,2008,24(5),49-52.王奎英，余艳伟.高压开关柜温度在线监测系统设计[J].现代电子技术，2012，35（15），52-54.宋梁，温秀峰.高压开关柜温度在线监测研究[J].电气开关，2012(3):32-34.兰西柱，李海鹏，颜文婧.基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计[J].安徽理工大学学报，2011，31(1):45-50)。

红外成像技术主要缺点在于目前自动化程度不高，准确程度有限，成本较高。光纤测温的方式目前应用较多，但其配套的光纤传感网络分析仪体积较大，无法安装于开关柜内部。在上述几种测温技术中，无线温度数据传输目前一般使用ZigBee或GPRS，这些无线通信方式具有简单可靠等优点，但是对于在线监测应用而言主要缺点在于功耗太大。公开资料报道表明，业界的最好水平为：两节AA电池或等效容量电池的工作时间最长为24个月。这样会导致大量传输节点需频繁更换电池，不利于系统的日常维护。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、工作可靠、功耗极低的高压开关柜无线测温收发子节点系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，主要由接触式温度传感器、控制中心、两节AA电池、无线收发芯片、BNC电缆、发射天线以及极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统外壳构成。极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳内置控制中心、两节AA电池和无线收发芯片；它们的连接关系：控制中心分别与收发芯片和AA电池连接。

1)所述控制中心采用低功耗单片机MSP430，采用8M低温漂晶体振荡器作为系统时钟或采用32.768k低温漂晶体振荡器作为实时时钟，控制中心由BNC接头、电源输入接口、放大电路、滤波电路、单片机、总线接口、控制中心的外壳组成：其中，控制中心的外壳内置放大电路、滤波电路和单片机；BNC接头和电源输入接口分别安装在外壳一侧面，总线接口安装在控制中心外壳另一侧面；它们的连接关系：BNC接头与放大电路一端连接，放大电路另一端与单片机一端连接；电源输入接口与滤波电路一端连接，滤波电路另一端与单片机一端连接；单片机另一端与总线接口连接。

控制中心主要完成温度数据接收、温度判断、超限报警、接收控制命令与发送温度数据功能；

1.1)所述控制中心的滤波电路由第一电感L31、第二电感L32、第三电感L33、第一电容C31、第二电容C32、第三电容C33、第四电容C34构成：其中，第一电感L31的节点2与第二电感L32的节点1分别通过第一电容C31、第二电容C32接地；第二电感L32的节点2与第三电感L33的节点1分别通过第三电容C33、第四电容C34接地；

1.2)所述放大电路由运算放大器LMV358、第一电阻R41、第二电阻R42、第三电阻R43、第四电阻R44及电容C41构成：其中，第一电阻R41右端与运算放大器LMV358的正向输入端节点5连接；LMV358的正向输入端节点5与第二电阻R42的左端连接；第二电阻R42的右端连接到运算放大器LMV358的输出端节点7；LMV358的输出端通过第四电阻R44连接到地；LMV358的反向输入端节点6通过第五电容C41接地；LMV358的反向输入端节点通过第三电阻R43接地；

2)所述无线收发芯片为LTP5901-IPM，实现温度数据的无线收发功能，收发芯片由SPI总线接口、无线发送芯片、滤波电路、天线接口、无线收发芯片的外壳组成：其中，无线收发芯片的外壳内置无线发送芯片、滤波电路，SPI总线接口安装在无线收发芯片的外壳一侧面，天线接口安装在无线收发芯片的外壳另一侧面；PI总线接口、无线发送芯片、滤波电路、天线接口依次串连：

所述滤波电路由第四电感L61、第五电感L62、第六电容C61、第七电容C62及第八电容C63构成：其中，第六电感L61右端节点2与第七电感L62左端节点1通过第六电容C61接地；第七电感L62右端节点2与第八电容C63右端的节点通过第七电容C62接地；

系统各部件的连接关系：

所述控制中心的BNC接头与接触式温度传感器的BNC电缆连接，以便将温度传感器的数据读入到控制中心中；电源输入接口与两节AA电池的输出接口连接，完成控制中心的供电；总线接口与收发芯片的SPI总线接口连接，实现控制中心与收发芯片之间的数据通信；

所述收发芯片的SPI总线接口与控制中心的总线接口连接，实现控制中心与收发芯片之间的数据通信；所述收发芯片的天线接口与发射天线连接，完成无线数据的收发。

上述收发芯片为LTP5901-IPM，收发芯片用外围电路电阻均采用精度为千分之一，温度系数小于5×10^-6/℃的高精度低温漂电阻；电容均采用电容量稳定、温度范围宽，温漂小的NOP电容器。

上述收发芯片LTP5901-IPM有正常与低功耗两种工作模式：在正常工作模式下收发芯片完成无线数据收发功能、自动组网以及自动路由功能；在低功耗工作模式下，收发芯片处于休眠状态，停止数据收发、自动组网以及自动路由。

上述控制中心有正常与低功耗两种工作模式：在正常工作模式下，控制中心读取并监测温度值，若温度超限则报警；并通过收发芯片将温度值以及各种命令通过无线网络进行收发；在低功耗工作模式下，控制中心处于休眠状态。

上述系统外壳、控制中心外壳、无线收发芯片外壳均采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于35kV高压。

上述信号电缆为5MHz以内衰减小于0.15dB/m单芯同轴电缆。

本发明具有以下优点：

1.无线收发芯片采用LTP5901-IPM，通信频段为2.4G。LTP5901-IPM芯片完成无线数据的接收、发送、自组网、自动休眠以及自动唤醒等功能，且具有极低功耗特点。

2.控制单元采用单片机MSP430。单片机MSP430有两种工作模式，分别为休眠模式和工作模式。

3.本发明价格低廉、结构简单、稳定可靠、功耗极低。仅使用两节AA电池，便可保证系统正常工作时间大于80个月，大大降低了无线测温装置各节点维护的工作量。各子节点之间的通信距离，最高可达2km，可有效降低路由子节点个数，同时保证了系统工作的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的结构示意图。

图中，接触式温度传感器11、控制中心12、收发芯片13、发射天线14、两节AA电池15、极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳16、BNC电缆17。

图2为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统控制中心结构示意图。

图中，BNC接头21、电源输入接口22、放大电路23、滤波电路24、单片机25、总线接口26、控制中心的外壳27。

图3为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的滤波电路图。

图中，第一电感L31、第二电感L32、第三电感L33、第一电容C31、第二电容C32、第三电容C33、第四电容C34。

图4为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的放大电路图。

图中，运算放大器LMV358、第一电阻R41、第一电阻R42、第一电阻R43、第一电阻R44、第五电容C41

图5为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的无线收发芯片结构示意图。

图中，SPI总线接口51、无线发送芯片52、滤波电路53、天线接口54、收发芯片外壳55

图6为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的收发芯片滤波电路图。

图中，第四电感L61、第五电感L62、第六电容C61、第七电容C62、第八电容C63。

图7为本发明一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的程序流程图。

具体实施方式

以上所述仅是本发明方案概述，为了更清楚说明本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作详细说明。

一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的结构如图1所示，主要由接触式温度传感器11、控制中心12、收发芯片13、发射天线14、两节AA电池15、极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳16构成。极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳16内置控制中心12、两节AA电池15和无线收发芯片13，它们的连接关系：控制中心12分别与收发芯片13和AA电池15连接。

上述控制中心12的结构如图2所示，控制中心12由BNC接头21、电源输入接口22、放大电路23、滤波电路24、单片机25、总线接口26、控制中心的外壳27组成。控制中心的外壳27内置放大电路23、滤波电路24和单片机25。BNC接头21和电源输入接口22分别安装在外壳27一侧面。总线接口26安装在控制中心的外壳27另一侧面。它们的连接关系：BNC接头21与放大电路23一端连接，放大电路23另一端与单片机25一端连接；电源输入接口22与滤波电路24一端连接，滤波电路24另一端与单片机25一端连接；单片机25另一端与总线接口26连接。

控制中心12主要完成温度数据接收、温度判断、超限报警、接收控制命令与发送温度数据功能。

系统各部件的连接关系：控制中心12的BNC接头21与温度传感器11的BNC接头连接，以便将温度传感器11的数据读入到控制中心12中。电源输入接口22与两节AA电池15的输出接口连接，完成控制中心的供电。总线接口26与收发芯片13的总线接口51连接，实现控制中心12与收发芯片13之间的数据通信。

其中，控制中心12的滤波电路24如图3所示，由第一电感L31、第二电感L32、第三电感L33、第一电容C31、第二电容C32、第三电容C33、第四电容C34构成：其中，第一电感L31的节点2与第二电感L32的节点1分别通过第一电容C31、第二电容C32接地；第二电感L32的节点2与第三电感L33的节点1分别通过第三电容C33、第四电容C34接地；

控制中心12的放大电路23结构如图4所示，由运算放大器LMV358、第一电阻R41、第二电阻R42、第三电阻R43、第四电阻R44及电容C41构成：其中，第一电阻R41右端与运算放大器LMV358的正向输入端节点5连接；LMV358的正向输入端节点5与第二电阻R42的左端连接；第二电阻R42的右端连接到运算放大器LMV358的输出端节点7；LMV358的输出端通过第四电阻R44连接到地；LMV358的反向输入端节点6通过第五电容C41接地；LMV358的反向输入端节点通过第三电阻R43接地；

收发芯片13的结构如图5所示，收发芯片13采用芯片LTP5901-IPM实现温度数据的无线收发功能，收发芯片13由SPI总线接口51、无线发送芯片52、滤波电路53、天线接口54、收发芯片的外壳55组成，其中，收发芯片的外壳55内置无线发送芯片52、滤波电路53，SPI总线接口51安装在外壳51一侧面，天线接口54安装在外壳51另一侧面；SPI总线接口51、无线发送芯片52、滤波电路53、天线接口54依次串连。

收发芯片13的滤波电路53如图6所示，由第四电感L61、第五电感L62、第六电容C61、第七电容C62及第八电容C63构成：其中，第六电感L61右端节点2与第七电感L62左端节点1通过第六电容C61接地；第七电感L62右端节点2与第八电容C63右端的节点通过第七电容C62接地；

上述系统外壳16、控制中心外壳27、无线收发芯片外壳55均采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于35kV高压。

系统的操作流程如图7所示，系统通电后，首选查看控制中心12定时器定时时间，若定时时间未到，则一直等待；若定时时间到，则读取接触式温度传感器11的数值，并判断该温度值是否超限，若超限则报警，然后将该数值通过控制总线写入到收发芯片13，由收发芯片13通过无线通信方式发送到管理节点。然后，系统进入休眠状态，直到下次定时时间到，如此重复。

可见，本发明采用极低功耗的收发芯片以及低功耗的单片机作为控制中心，可完成2km以内最多128个节点的无线通信，具有通信可靠性好、通信距离合适以及功耗极低的特点。采用本发明方案后，两节AA电池可保证系统正常工作时间不低于80个月，极大地降低了开关柜无线测温装置的维护周期，节省了人工成本，提高了资产使用率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：主要由接触式温度传感器、控制中心、两节AA电池、无线收发芯片、BNC电缆、发射天线以及极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳构成，极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳内置控制中心、两节AA电池和收发芯片；它们的连接关系：控制中心分别与收发芯片和AA电池连接；

1)所述控制中心由低功耗单片机MSP430构成，采用8M低温漂晶体振荡器作为系统时钟或采用32.768k低温漂晶体振荡器作为实时时钟，控制中心由BNC接头、电源输入接口、放大电路、滤波电路、单片机、总线接口、控制中心的外壳组成：其中，控制中心的外壳内置放大电路、滤波电路和单片机；BNC接头和电源输入接口分别安装在控制中心的外壳一侧面，总线接口安装在控制中心的外壳另一侧面；它们的连接关系：BNC接头与放大电路一端连接，放大电路另一端与单片机一端连接；电源输入接口与滤波电路一端连接，滤波电路另一端与单片机一端连接；单片机另一端与总线接口连接；

控制中心主要完成温度数据接收、温度判断、超限报警、接收控制命令与发送温度数据功能；

1.1)所述控制中心的滤波电路由第一电感L31、第二电感L32、第三电感L33、第一电容C31、第二电容C32、第三电容C33、第四电容C34构成：其中，第一电感L31的节点2与第二电感L32的节点1分别通过第一电容C31、第二电容C32接地；第二电感L32的节点2与第三电感L33的节点1分别通过第三电容C33、第四电容C34接地；

1.2)所述放大电路由运算放大器LMV358、第一电阻R41、第二电阻R42、第三电阻R43、第四电阻R44及电容C41构成：其中，第一电阻R41右端与运算放大器LMV358的正向输入端节点5连接；LMV358的正向输入端节点5与第二电阻R42的左端连接；第二电阻R42的右端连接到运算放大器LMV358的输出端节点7；LMV358的输出端通过第四电阻R44连接到地；LMV358的反向输入端节点6通过第五电容C41接地；LMV358的反向输入端节点通过第三电阻R43接地；

2)所述无线收发芯片为LTP5901-IPM，由SPI总线接口、无线发送芯片、滤波电路、天线接口、无线收发芯片的外壳组成：其中，无线收发芯片的外壳内置无线发送芯片、滤波电路，SPI总线接口安装在无线收发芯片的外壳一侧面，天线接口安装在无线收发芯片的外壳另一侧面；SPI总线接口、无线发送芯片、滤波电路、天线接口依次串连：

所述滤波电路由第四电感L61、第五电感L62、第六电容C61、第七电容C62及第八电容C63构成：其中，第四电感L61右端节点2与第五电感L62左端节点1通过第六电容C61接地；第七电感L62右端节点2与第八电容C63右端的节点通过第七电容C62接地；

系统各部件的连接关系：

所述控制中心的BNC接头与温度传感器的BNC电缆连接，以便将温度传感器的数据读入到控制中心中；电源输入接口与两节AA电池的输出接口连接，完成控制中心的供电；总线接口与收发芯片的总线接口连接，实现控制中心与收发芯片之间的数据通信；

所述收发芯片的SPI总线接口与控制中心的总线接口连接，实现控制中心与收发芯片之间的数据通信；所述收发芯片的天线接口与发射天线连接，完成无线数据的收发。

2.根据权利要求1所述的一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：所述收发芯片为LTP5901-IPM，所述收发芯片用外围电路电阻均采用精度为千分之一，温度系数小于5×10^-6/℃的高精度低温漂电阻；电容均采用电容量稳定、温度范围宽，温漂小的NOP电容器。

3.根据权利要求1所述的一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：所述收发芯片LTP5901-IPM有正常与低功耗两种工作模式：在正常工作模式下收发芯片完成无线数据收发功能、自动组网以及自动路由功能；在低功耗工作模式下，收发芯片处于休眠状态，停止数据收发、自动组网以及自动路由。

4.如权利要求1所述的一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：所述控制中心有正常与低功耗两种工作模式：在正常工作模式下，控制中心读取并监测温度值，若温度超限则报警；并通过收发芯片将温度值以及各种命令通过无线网络进行收发；在低功耗工作模式下，控制中心处于休眠状态。

5.根据权利要求1所述的一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统的外壳、控制中心的外壳、收发芯片的外壳均采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于35kV高压。

6.根据权利要求1所述的一种极低功耗高压开关柜无线测温收发子节点系统，其特征在于：所述信号电缆为5MHz以内衰减小于0.15dB/m单芯同轴电缆。

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