CN110567599A - 一种基于2.4g通信频率的开关柜无线测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，属于开关柜在线监测装置技术领域，包括监测主机和监测从机；监测从机包括从控制器、温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块，从机控制器分别与温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块通过线路连接。本发明通过无线通信的方式，将开关柜内部各触点的温度测量，通过外接的显示模块显示，存储到EEPROM存储模块中，并上传到上位机显示，达到实时监测的目的；采用互感取能的方式，解决供电难的问题；根据温度数据改变数据通讯频率，达到更好的实时在线监测；通讯中还添加有消抖程序，降低了误报警率。

Description

一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置

技术领域

本发明属于开关柜在线监测装置技术领域，具体涉及一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置。

背景技术

现代电力正向着大机组、高电压、大容量迅速发展，这对电力系统设备的可靠性提出了越来越高的要求。温度是电力系统设备的一个重要参数，对其关键点的温度进行准确、实时的监测，有助于及时发现并排除存在的故障，保证电力设备安全可靠运转。目前高压开关柜温度测量装置主要针对触头进行监测，由于测温原理和方式以及技术水平的局限，目前主要采用昂贵的红外温度传感器或光纤光栅温度传感器完成对温度的测量，但是这两种测温手段在集成化程度越来越高的开关柜内实施的难度也越来越大，而且对于这两种测温来说都是有线传输数据，也容易造成绝缘性降低、或者造成爬电等情况，危及开关柜的安全运行。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，包括监测从机和监测主机；监测从机包括从控制器、温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块，从机控制器分别与温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块通过线路连接；

从控制器，被配置为用于获取温度传感器转换来的电信号，并将获取的电信号通过从机无线通信模块发送出去；

温度传感器，被配置为用于采集节点的温度；

供电电源模块，被配置为用于对监测从机进行供电；

监测主机包括主控制器、串口通信模块、主机无线通信模块、主机看门狗模块、主机RTC对时模块、显示和报警模块、存储模块和定时器模块，主机控制器分别与串口通信模块、主机无线通信模块、主机看门狗模块、主机RTC对时模块、显示、报警模块、存储模块和定时器模块通过线路连接；

主控制器，被配置为用于读取主机无线通信模块接收的信号，汇集后储存到存储模块并上传到上位机；

串口通信模块连接有上位机，串口通信模块是监测主机与上位机的通信接口，可以直接与上位机通信，将从各从机中汇集的温度数据上传至上位机，在采用从机被动发送数据的通信方式时，上位机可根据对温度数据分析之后的需要，随时主动的与监测主机进行通讯；

主机无线通信模块和从机无线通信模块，被配置为用于实现点对点通信，进行主从机之间的数据传输，将监测从机收集到的测温数据汇集到监测主机；

主机看门狗模块和从机看门狗模块，被配置为用于复位程序，防止程序跑飞；

主机RTC对时模块和从机RTC对时模块，被配置为用于进行监测主机和监测从机之间信号传递过程中的对时，增大数据传输中的准确性，防止主从机数据之间出现时间上的错位对应；

显示和报警模块，被配置为用于在显示模块上实时显示各个节点的温度数据，在某节点温升数据出现异常时，做出标记，并通过报警模块发出警报；

存储模块，被配置为用于将监测主机收集到的历史数据进行存储，存储内容包括时间以及各个节点的温度数据，以便于在需要的时刻能够读取历史数据进行分析；

定时器模块，被配置为用于对传输的数据进行定时，能够在精确的定时时间间隔后将数据上传。

优选地，温度传感器采用DS10B20。

优选地，主机无线通信模块和从机无线通信模块采用的是通信频率为2.4G的型号为NRF24L01的无线模块，基于zigbee通讯协议编程。

优选地，所述主机与从机的无线通信之中有主机主动要数据与从机主动发数据两种通讯逻辑。

优选地，监测从机的供电电源模块采用互感取能的方式进行供电。

优选地，从控制器和主控制器采用STM8L系列单片机。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明一种基于2.4G通信的开关柜无线测温装置，采用2.4G的无线通信技术，将开关柜内各个触点的温度汇集到主机，实现在线监测装置所采集到的柜内各个节点的温度数据收集汇总到监测主机之中，直接在主机连接的显示模块进行显示，并且经过主控制器的相应处理，存储到监测主机所连接的EEPROM存储模块中；在温升数据异常时，报警模块会给出报警；同时也可以将这些数据通过串口通信模块上传给上位机，上位机可以是多种多样的，上位机与显示模块可以对数据进行分析，实时监控，及时发现异常，并进行报警，以达到实时监测的目的；在数据传输过程中还有过滤错误的数据传输的功能；本装置还具有良好的低功耗性能。

附图说明

图1是本发明开关柜无线测温装置的结构示意图。

图2是本发明监测主机的结构示意图。

图3是监测从机的结构示意图。

其中，1-主控制器；2-串口通信模块；3-主机无线通信模块；4-主机看门狗模块；5-主机RTC对时模块；6-显示和报警模块；7-存储模块；8-定时器模块；9-从控制器；10-温度传感器；11-从机RTC对时模块；12-供电电源模块；13-从机无线通信模块；14-从机看门狗模块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置(其结构如图1所示)，包括监测主机和监测从机。监测主机(其结构如图2所示)包括主控制器1、串口通信模块2、主机无线通信模块3、主机看门狗模块4、主机RTC对时模块5、显示和报警模块6、存储模块7和定时器模块8。监测从机(其结构如图3所示)包括从控制器9、温度传感器10、RTC对时模块11、供电电源模块12、从机无线通信模块13和从机看门狗模块14。

主控制器1和从控制器9，采用的都是嵌有高级STM8内核的STM8L系列单片机，该芯片具有体积小、功耗小、价格低等优点，从控制器9用于获取温度传感器10转换来的电信号，并将获取的电信号通过从机无线模块13发送出去，主控制器1用于读取主机无线通信模块3接收的信号，汇集后储存到存储模块7并上传到上位机；

串口通信模块2，是监测主机与上位机的通信接口，可以直接与上位机通信，将从各监测从机中汇集的温度数据上传至上位机，在采用从机被动发送数据的通信方式时，上位机可根据对温度数据分析之后的需要，随时主动的与监测主机进行通讯。

主机无线通信模块3和从机无线通信模块13，采用的是通信频率为2.4G的型号为NRF24L01的无线模块，基于zigbee通讯协议编程，可以实现点对点通信，也可以实现1对6通道的无线通信。在灵活试用下也可以进行组网通信的使用，无线通信速度最高可达到2Mbps。用来支持监测主机和监测从机之间的数据传输，将监测从机收集到的测温数据汇集到监测主机，是本装置的重要模块。

主机看门狗模块4和从机看门狗模块14，用来复位程序，防止程序跑飞。特别是本装置的监测从机，需长期处于封闭空间进行自运行的状态，且其工作环境比较特殊，没有设计外部复位按钮。为了能保证程序的正常长时间运行，必须在软件设计中添加看门狗程序，保证在软件因故障跑飞之后，能够通过看门狗软件复位。

主机RTC对时模块5和从机RTC对时模块11，用于进行监测主机和监测从机之间信号传递过程中的对时，增大数据传输中的准确性，防止监测主机和监测从机数据之间出现时间上的错位对应。

显示和报警模块6，用于在显示模块上实时的显示各个节点的温度，在某节点温升数据出现异常时，做出标记，通过报警模块并发出警报。

存储模块7，用于将监测主机收集到的历史数据进行存储，存储内容包括时间以及各个节点的温度数据，以便于在需要的时刻能够读取历史数据进行分析，对本装置以及开关柜的安全运行提供保障，在数据异常之后，对于数据分析查找问题，也有很大帮助。

定时器模块8，用于对传输的数据进行精确定时，能够在精确的定时时间间隔后将数据上传。

温度传感器模块10，用于对节点温度进行采集，使用DS10B20温度传感器，DS18B20采用单数据总线连接，电源可采用外部电源或者数据总线的寄生电源，本装置使用单片机IO口作为供电电源。其灵敏度高，价格低，精度符合本次设计要求。

从机供电电源模块12，对监测从机供电。因为从机工作环境的特殊性，对供电有较高要求：开关柜内部比较狭小，体积不能太大；开关柜不能多次停电更换电池，需要电池的容量要大，使用时间要长；开关柜内有高压产生的强磁空间，需要有较好的电磁兼容性。因此采取的电源模块是用一个自制的互感线圈(电流互感器CT)，直接从高压侧一次线路电流获取电能，通过一个整流稳压电路，将电能转化为从机能够利用的安全稳定的电能，为监测从机提供一个安全稳定的电源。

本发明一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，通过监测从机对开关柜内各个触点温度的在线监测、主从机、主机与上位机之间的通讯，实现对了开关柜内部各触点的在线测温。为了更加安全，防止绝缘性的降低，和爬电等不安全现象的出现，主从机之间通讯摒弃了传统上使用的串口等有线的数据传输方式，采用基于2.4G通信频率的无线传输数据的模式。在主从机之间的通信中，采用主机主动要数据和从机主动发送数据两种通讯模式。

在主机主动要数据，从机被动发数据的工作模式下，上位机可以根据所收集到的各个触点的温度历史数据对比判断，若上位机判断出温度数据异常，则主动向从机要数据。在温度异常时，及时读取温度数据，是非常有必要的，在该模式下，从机一直处于接收数据的状态，主机通过改变自己的通讯地址、通讯频率与相应从机进行匹配，发出要数据的命令，然后改变工作模式为接收模式。从机在接收到命令后，改变工作状态为发送模式，向主机发送测温数据，而主机在接收到从机发送的测温数据后将工作模式改变为发送模式，重复上述过程就可以读取各个节点的温度数据。

主机处于接收状态工作模式是：从机以不同的频率地址向主机发送数据，主机则是通过改变自己的通讯频率、通讯地址与从机匹配，接收从机的命令。从机主动发送数据的工作模式，各模块在大部分时间都处于休眠状态，能最大程度的降低能耗。从机也可以对于温度数据进行简单的判断，根据温度变化情况，改变发送数据的时间间隔。从控制器使用的是STM8L系列的低功耗单片机，在不需要进行数据传输的时候，可以进行低功耗的设置，DS18B20的供电是通过单片机的IO进行供电，在不需要测温的时刻，可以关闭供电，提升低功耗的性能。开关柜在正常工作的时候内部会有大电流通过，而且在正常工作的时候不能随便停机进行分机电池的更换。

根据工作环境的特殊性，设计了一种互感取能的方式对监测分机供电。互感取能电源的工作原理就是利用互感线圈(即电流互感器)将一次侧的一些能量传递到我们需要的二次设备，而这些能量对于一次侧来说是非常小的，对于一次侧的影响很小，可以忽略。通过这种在一次侧高电压互感取能的方式获取电能，从而给监测从机供电，解决了监测从机供电难，更换电池难这一难题。使得监测从机在设计以及程序的编写过程中，可以不用再那么严格的考虑功耗问题，在功耗允许范围内可以尽量增加监测从机设备的安全性以及稳定性。在主从机通讯的设计中，为了数据稳定的上传，不会因为各种不确定因素造成的信号传递过程中的传输过程中产生的错误数据造成误报警，添加了过滤传输错误的程序。在监测主机程序中增加了一个数据缓存区，将上次的正确测温数据存储到该缓存区，当本次接收到的从机测温数据出现错误数据，则采取上次所获取的测温数据，如果本次测温数据没有错误则采用本次的测温数据，并且将本次测温数据存储到数据缓存区，留待下次采集比较，只有当连续两次的测温数据都出现错误时，监测主机才会认为接收到了错误数据。由于触点的温度在变化过程中是渐变的，不会突变，因此这项过滤数据传输错误程序的添加在开关柜运行中是安全的。而且这项设计在安全稳定的范围内，大大的降低了误报警的几率。监测主机将监测从机上传的数据汇集起来之后，将各个节点的温度数据整理并带有时间的存储到外部的EEPROM之中，在需要的时候，可以通过发送读取命令，调取各节点的历史数据，以便于对数据的分析。监测主机连接有显示模块，在监测主机汇集到数据之后也可以直接在显示模块上显示，可以直接对应的显示各节点的温度，并显示各节点的温升数据，在数据出现异常的时候，能以特殊标号标识出来，便于工作人员及时发现异常。对本发明中测温模块的供电、单片机的选型、通信模式都进行低功耗处理。所以整个装置具有良好的低功耗性能。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：包括监测从机和监测主机；监测从机包括从控制器、温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块，从机控制器分别与温度传感器、从机RTC对时模块、供电电源模块、从机无线通信模块和从机看门狗模块通过线路连接；

从控制器，被配置为用于获取温度传感器转换来的电信号，并将获取的电信号通过从机无线通信模块发送出去；

温度传感器，被配置为用于采集节点的温度；

供电电源模块，被配置为用于对监测从机进行供电；

监测主机包括主控制器、串口通信模块、主机无线通信模块、主机看门狗模块、主机RTC对时模块、显示和报警模块、存储模块和定时器模块，主机控制器分别与串口通信模块、主机无线通信模块、主机看门狗模块、主机RTC对时模块、显示、报警模块、存储模块和定时器模块通过线路连接；

主控制器，被配置为用于读取主机无线通信模块接收的信号，汇集后储存到存储模块并上传到上位机；

串口通信模块连接有上位机，串口通信模块是监测主机与上位机的通信接口，可以直接与上位机通信，将从各从机中汇集的温度数据上传至上位机，在采用从机被动发送数据的通信方式时，上位机可根据对温度数据分析之后的需要，随时主动的与监测主机进行通讯；

主机无线通信模块和从机无线通信模块，被配置为用于实现点对点通信，进行主从机之间的数据传输，将监测从机收集到的测温数据汇集到监测主机；

主机看门狗模块和从机看门狗模块，被配置为用于复位程序；

主机RTC对时模块和从机RTC对时模块，被配置为用于进行监测主机和监测从机之间信号传递过程中的对时；

显示和报警模块，被配置为用于在显示模块上实时显示各个节点的温度数据，在某节点温升数据出现异常时，做出标记，并通过报警模块发出警报；

存储模块，被配置为用于将监测主机收集到的历史数据进行存储，存储内容包括时间以及各个节点的温度数据，以便于在需要的时刻能够读取历史数据进行分析；

定时器模块，被配置为用于对传输的数据进行定时，能够在精确的定时时间间隔后将数据上传。

2.根据权利要求1所述的基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：温度传感器采用DS10B20。

3.根据权利要求1所述的基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：主机无线通信模块和从机无线通信模块采用的是通信频率为2.4G的型号为NRF24L01的无线模块，基于zigbee通讯协议编程。

4.根据权利要求1所述的基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：所述主机与从机的无线通信之中有主机主动要数据与从机主动发数据两种通讯逻辑。

5.根据权利要求1所述的基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：监测从机的供电电源模块采用互感取能的方式进行供电。

6.根据权利要求1所述的基于2.4G通信频率的开关柜无线测温装置，其特征在于：从控制器和主控制器采用STM8L系列单片机。