CN1932907B

CN1932907B - 智能无线温度监测系统

Info

Publication number: CN1932907B
Application number: CN2006100965185A
Authority: CN
Inventors: 耿奎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: CN1932907A

Abstract

智能无线温度监测系统主要包括温度采集子系统，无线接收管理终端、监视调控分系统。温度采集子系统与无线接收管理终端之间采用无线通讯方式；监视调控分系统通过光纤通讯设备及串行接口与无线接收管理终端相连接。温度采集子系统由多个无线测温装置组成，该无线测温装置的射频器与温度传感器、天线、可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器、外电源相连接；无线接收管理终端的射频器与天线、可编程存储器、地址开关、通信串行接口、外电源相连接。该系统能对电力设备，特别是高压电力设备各连接点的温度进行实时的全面监控，当设备的运行温度超过预设告警温度值时，系统将自动告警，以便及时采取措施，保证电网安全可靠运行。

Description

智能无线温度监测系统

技术领域：

本发明涉及自动监测技术，特别涉及一种智能无线温度监测系统。

背景技术：

供电系统电力运行的过程中，必须对电力设备，特别是高压电力设备的各连接点、各刀闸的动静触头、电缆连接头等部位的温度进行监测，以防因温度的升高而引起设备故障、影响电网的安全运行。现行的测温方法是：由操作人员手持“测温枪”对需要测量的测点进行巡回监测，然后上机汇总、统计分析，以发现可能存在的的问题。这种监测方法不能达到任何时间的实时检测，不能及时地发现故障隐患、而作出警告预报，况且消耗许多人力资源，每次巡测还需要花费大量的时间。

发明内容：

本发明提出了一种智能无线温度监测系统，目的在于对电力设备、特别是高压电力设备各连接部位的温度变化情况进行有效的全天候实时监测、调控，实现对电网运行的自动化监控，保障电网运行的安全。

本发明的技术解决方案

本系统主要包括温度采集子系统，无线接收管理终端、监视调控分系统。所述的温度采集子系统由若干个无线测温装置组成，该无线测温装置主要部件至少包含有无线接收模块、A/D转换器、逻辑接口、电源管理模块的射频器，以及与射频器相连的温度传感器、天线、可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器、外电源。其中：射频器的A/D转换器连接温度传感器；无线接收模块连接天线；逻辑接口连接可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器；外电源同时连接射频器电源管理模块、温度传感器、可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器。所述的无线测温装置中心处理芯片射频器的逻辑接口与可编程存储器相连，逻辑接口为中心处理芯片提供了运行程序，时钟芯片与逻辑接口和只读存储器相连，为中心处理芯片和只读存储器提供实时时钟，只读存储器与逻辑接口相连，为中心处理芯片提供写控制信号；射频器的无线接收模块与天线相连，能够进行无线发射；A/D转换器对温度信号进行转换，外电源作为各个芯片的总供电源。本发明每一台无线测温装置通过温度传感器连接每一处温度测量点。

所述的无线接收管理终端包括至少含有无线接收模块、逻辑接口、电源管理模块的射频器，以及与射频器相连的天线、可编程存储器、地址开关、通信串行接口、外电源等。其中：射频器的无线接收模块连接天线，逻辑接口连接各通信串行接口，并连接地址开关，外电源同时连接射频器、电源管理模块，可编程存储器及各通信串行接口。所述无线接收管理终端中心处理芯片射频器与可编程存储器相连为中心处理芯片提供所需要的核心处理程序，串口能够将中心处理芯片的数据信号与其他相同接口的设备进行通信，地址开关可设置无线接收管理终端的地址，射频器与天线相连，能够进行无线接收，电源为各个部件提供安全可靠的工作电源。

所述监视调控分系统包括本地站端监视子系统、调控端监测子系统，两者的硬件组成为计算机及光纤通信设置。站端监测计算机通过通信串行接口连接无线接收管理终端，调控端监测计算机经光纤通讯设备及另一通信串行接口与无线接收管理终端相连接。

以上组成件及其相互连接关系构成了本系统的整体结构框架。

本发明的进一步技术解决方案：

(一)本发明的各组成器件经各种试验后，精选NRF9E5芯片为射频器、25AA320芯片为可编程序存储器、PCF8563T芯片为时钟信号控制器、AT24C256芯片为只读存储器、通信串行接口分别选用MAX232、MAX485芯片，同时，无线选用单端50欧天线，地址开关选用数字开关，温度传感器选用PT1000。

(二)本发明的无线测温装置总外电源设计为互感器/太阳能和电池联合供电的方式，互感器/太阳能一边为系统供电，同时又给电池充电。

本发明的有益效果：

(一)能对电力设备，特别是高压电力设备各连接点的温度进行实时的全面监控，当设备的运行温度超过预设告警温度值时，系统将自动告警，以便及时采取措施，保证电网安全可靠运行。

(二)本系统不存在人工测温造成的误差，其无线测温装置的感温元件紧贴在被测接点的表面，精度高，可靠性强。

(三)本系统结构简单，维护方便，智能化程度高。

附图说明：

附图1为本发明系统构成框图

附图2为本发明温度采集子系统包含的一个无线测温装置电路结构框图

附图3为本发明无线接收管理终端电路结构框图

附图4A、4B、4C为本发明实施例中无线测温装置电路的连接示意图

其中：图4A为射频器NRF9E5芯片与温度传感器PT1000/PT100及恒流源LM234芯片、可编程存储器25AA320芯片、晶体16M电路连接示意图

图4B为射频器NRF9E5芯片与只读存储器AT24C256芯片、时钟信号控制器PCF8563T时钟芯片电路连接示意图

图4C为射频器NRF9E5芯片与外电源电路连接示意图

附图5A、5B为本发明实施例中无线接收管理终端的电路连接示意图

其中：图5A为射频器NRF9E5芯片与通信串口MAX232芯片、MAX485芯片的电路连接示意图

图5B为射频器NRF9E5芯片与数字开关地址开关、可编程存储器25AA320芯片电路连接示意图。

具体实施方式：

本系统的总体构成如图1所示，图中：I为温度采集子系统，其1、2、3、……N为各独立的无线测温装置，11、12、13……1N为电网中的各被测温部位。本系统的无线测温装置的外形为小型盒体，该盒体可串在被测处，而其感温元件紧贴在被测物件的表面；II为一个无线接收管理终端，其中21为其组成件无线发接收器、22为通信管理器。I与II之间采用无线通讯方式，无线接收管理终端装置设置在地面可接收到温度采集子系统的无线通讯信号之处便可。III为监视、调控子系统，图中，31为本地监控器、PCM为光纤通道、32为远程调度监控、33为数据库服务器。

图2、图3分别进一步示出温度采集子系统中任一无线测温装置、无线接收管理终端装置的电路结构框图。图中4均为同类功能的射频器，它们各自选用所需要功能的模块内电路与所匹配的不同设计的外围电路，分别处理完成电压信号的无线发送与接收。

图4A、B、C图5A、B为本发明具体实施例所选用芯片之间功能脚及其所用电元器件的连接示图。

本系统实施例中所选用作为射频器NRF9E5芯片，为工作频433/868/915MHZ、以1.9V—3.6V单电源供电，32脚QFN封装(5×5mm)、发射功率为10dBm，接收灵敏度—100dBm的芯片。

图4A、B、C所示的无线测温装置的电路连接、即为中心处理芯片与其它芯片连接关系图。在本实施例中，中心处理芯片选用NRF9E5芯片，其32只功能脚中，P02第2脚、P06第8脚、P07第9脚、XTA12第15脚、VSS第18脚、AREF第30脚为空置状态。而VSS第5、16、22、24脚接地，P01第1脚连接电阻R41、串接发光二极管RUN1，以其闪烁指示测温装置运行情况，其余功能脚根据NRF9E5射频芯片外围电路设计要求而匹配连接。

本实施例中，无线测温装置的NRF9E5射频芯片与下列外围阻件电路连接说明如下：

如图4A所示，(一)温度传感器，本实施例采用PT1000/PT100芯片，作为进行温度采集，它是根据金属铂在温度变化时自身电阻值将随之改变的特性而应用于温度测量，PT1000芯片是采用LM234(ILM134/ILM334)芯片作为恒流源，电流Iout＝0.134V/RI，而这种电阻信号需转换为电压信号，供芯片NRF9E5识别，其与电压的转换关系公式为Vtep＝Iout×Ppt。因而，NRF9E5芯片的AIN3第26脚(AD转换)接LM234的2路温度信号转换电压信号；AIN2第27脚(AD转换)接LM234的1路温度信号转换电压信号。

(二)可编程存储器，本实施例采用25AA320芯片用于存储在NRF9E5上运行的应用程序。NRF9E5芯片的MOSI模似信号的10脚与25AA320芯片的SI模拟信号输入的5脚相连；NRF9E5芯片的MISO模拟信号输出的11脚与25AA320芯片的SO模拟信号输入的2脚相连；NRF9E5芯片的SCK时钟模拟信号的12脚与25AA320芯片的SCLK时钟模拟信号的6脚相连，NRF9E5芯片的EECSN片选信号的13与25AA320芯片的CS片选信号1脚相连。25AA320芯片的其它功能脚WP写信号3脚连接有电阻R14再接地(GND)以拉高电平，HOLD之7脚与电阻R13再与外电源相连，电源管理模块内电源VCC之8脚也与外电源相连接。

(三)天线，本实施例采用单端50欧天线，NRF9E5芯片ANT2之21脚通过电感L2和电容C3直接连接外天线，ANT1之20脚通过电感L3和电容C2直接接地。NRF9E5芯片20号脚与21号脚之间通过L2相连。

如图4B所示，(四)时钟信号控制器，本实施例采用PCF8563T时钟芯片，该芯片的串行时钟SCL、串行数据SDA为射频器和只读存储器提供时钟和串行数据传输信号。NRF9E5芯片P03串行数据信号3脚与PCF8563T芯片SDA串行数据传输5脚相连；NRF9E5芯片P04之6脚时钟控制信号与PCF8563T芯片的INT3脚相连；NRF9E5芯片的P00串行时钟信号32脚与PCF8563T芯片的SCL串行时钟信号6脚相连。PCF8563T芯片的X₁-iut之1脚为时钟频率输入，X₂-out之2脚为时钟频率输出，外接晶振频率由X2晶体提供，其2脚与4脚之间并联有C31、C32、C33、C34、C35多组电容，用以调节晶振频率的精度；其3脚与7脚之间并联有R15、R16再连接外电源，7脚为CTKout时钟信号输出，8脚电源管理模块VCC内电源接外电源。

(五)只读存储器，本实施例采用AT24C256芯片，主要为射频器提供写控制信号。该芯片共有8个功能脚，其AO第1脚、A1第2脚、ASS第4脚接地，A₂第3脚空置，SDA串行数据传输5脚与上述PCF8563T芯片5脚、NRF9E5芯片之3脚相连；SCL串行时钟信号6脚与PCF8563T6脚、NRF915之32脚相连，VCC电源8号脚接外电源。

如图4C所示，(六)外电源，本发明为保证系统能够持续性正常工作，采用互感器/太阳能和电池联合供电方式，互感器交流电经整流限压为系统的正常工作提供电源，又能同时对电池充电，以保证锂电池电量充足。互感器和电池联合供电方式，是先对电流型互感器提供的电压电流进行初步处理，处理后的电源进入本电路板。它一是为系统提供工作电源，由二极管D1、电阻R11、R5、与AMS1117稳压源组成一个回路，稳压源输出的电压作为系统的工作电源；二是为电池充电，由串联的二极管D2、电阻R51连接电池BT1的正极。太阳能和电池联合供电方式，一由太阳能供电，是将电阻R5和R11串联后接地，直接为系统供电，二为电池充电，需由锂电池充电管理芯片LTC4504L芯片6号脚与电阻R6串联、3号脚与电池正极直接相连，完成对电池的充电。电池的控制回路由并联的三极管9015、9013，三极管9015的发射极与三极管9013的基极之间连接有电阻R22，三极管9015的基极与三极管9013的集电极之间连接有电阻R10，三极管9015集电极与三极管9013的发射极之间串联电阻R12和R8并接地，同时三极管9015集电极与二极管D5和电感L1串联，电感两端并联有电容C4、C7、C8、C9、C10、C6、C21、C22和电解电容CT2接地，完成对电池充电管理，保证系统工作电源的可靠性。

如图5A、B所示的为本实施例无线接收管理终端射频器与其它外围组件电路连接关系图。

本实施例的无线接收管理终端射频器同样选用NRF9E5芯片作为射频器，，但其功能脚与外围组件各芯片的连接方式有别。其中：XTAL2之15脚、VSS18脚，AIN3之26脚、AIN₂27脚、AIN₁28脚、AIN029脚、AREF30脚为空置状态；VSS5脚、VSS16脚、VSS24脚接地，P01之1脚与电阻R33、发光二极管RXDI相连，以观察RXDI闪烁指示接收情况，P02之2脚与电阻34、发光二极管TXD1相连，以观察TXD1闪烁指示发射情况，P03之3脚与电阻32和二极管RUN1相连，以观察RUN1闪烁指示运行情况，其余功能脚根据NRF9E5射频芯片外围电路设计要求匹配连接。其中：本NRF9E5芯片的10—25功能脚外连方法相同于上述无线测温装置中NRF9E5的10—25功能脚。

本实施例中，无线接收管理终端的NRF9E5射频芯片与下列外围阻件电路连上述无线测温装置中NRF9E5的10--25功能脚。

本实施例中，无线接收管理终端的NRF9E5射频芯片与下列外围阻件电路连接说明如下：

如图5B所示，(一)可编程存储器，本实施例选用25AA320，其与本NRF9E5芯片的两者的脚连接方式相同于所述无线测温装置中的脚连接方式。

如图5A所示，(二)点对点传输通信串口，本实施例采用MAX232芯片，以方便本地设备点对点之的间的通信，MAX232芯片共有16个功能脚，除接地、接电源及空置外，其C1+之1脚与C1—之3脚之间设有电容C₃；V+2脚与DSV电源点之间设有C6，同时连接并联的电容C₁₁、C₁₂再接地，C2+之4脚与V₂—之5脚之间设有电容C3；V—之6脚通过电容CT接地，并与15脚相连，在与DSV电源点之间设有电容C5；T20UT7脚、R2IN8脚相连接；R20UT9脚与外电源之间设有二极管D1、和电阻R1。

(三)差分传输通讯串口，本实施例采用MAX485芯片，该芯片共有8个功能脚，除接地脚、电源脚之外，其余功能脚外连方式是，R接收输出1脚与3.3V电源点之间串有二极管D2、电阻R1；RE接收输出2脚在与D5V电源之间设有电阻R2；DE驱动输出3脚与2脚相连，而且2脚、3脚均于NRF9E5芯片32脚相连；D驱动输入4脚与D5V电源之间设有电阻R3，同时设有二极管D4与NRF9E5芯片2脚、MAX232芯片10脚相连；接收输入和驱动输出6脚和7脚相连，并在6、7脚之间设有电阻R6，同时6脚与5V电源点之间还有R5，7脚与接地之间设有电阻R4。

如图5B所示，(四)地址开关，本实施例采用数字开关，NRF9E5芯片P04之6脚与地址开关SW—DIP2之2脚相连；NRF9E5芯片P05之7脚与地址开关SW-DIP-2之1脚相连；NRF9E5芯片P06之8脚与地址开关SW-DIP-1之2脚相

(七)外电源，外接220V交直流变5V直流的电源，与AMS1117稳压源器件电压入口连接，经过稳压源器件后，输出的电压作为系统的工作电源。

以下简述本发明的工作过程

当系统处于工作状态下，无线测温装置的温度传感器，随温度变化阻值发生变化，在温度传感器两端的电压也随温度变化而变化(温度传感器由电流源提供的恒定电流)，中心处理芯片的A/D转换器对温度传感器两端的电压信号进行处理，并将处理后的电压信号无线发射出去。无线接收管理终端接收无线信号，并对灵敏数据进行处理，将信号转换为串行数据，通过串口将数据传输给与无线接收管理终端相连的监视调控系统的各计算机，实现对电网的安全控制。

综上，本系统的构成达到了预期的发明目的。

Claims

1.智能无线温度监测系统，其特征在于：它主要包括温度采集子系统，无线接收管理终端、监视调控分系统，所述的温度采集子系统由多个无线测温装置组成，该无线测温装置主要部件包括：含有第一无线发射接收模块、A/D转换器、第一逻辑接口和第一电源管理模块的第一射频器，以及与第一射频器相连的温度传感器、第一天线、第一可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器、第一外电源，每一台无线测温装置通过温度传感器连接每一处温度测量点；无线接收管理终端包括：含有第二无线发射接收模块、第二逻辑接口、第二电源管理模块的第二射频器，以及与第二射频器相连的第二天线、第二可编程存储器、地址开关、通信串行接口、第二外电源；监视调控分系统包括本地站端监视子系统、调控端监测子系统，两者的硬件组成为计算机及光纤通信设备，站端监测计算机通过通信串行接口连接无线接收管理终端，调控端监测计算机经光纤通讯设备及另一通信串行接口与无线接收管理终端相连接。

2.根据权利要求1所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：所述无线测温装置的第一射频器的第一逻辑接口与第一可编程存储器、时钟芯片、只读存储器相连，第一无线发射接收模块与第一天线相连，A/D转换器与温度传感器，第一电源管理模块与第一外电源相连，第一外电源给温度传感器、第一可编程存储器、只读存储器、时钟信号控制器供电；所述的无线接收管理终端的第二射频器的第二无线发射接收模块连接第二天线，第二逻辑接口连接各通信串行接口和地址开关，第二外电源同时连接第二电源管理模块，第二可编程存储器及各通信串行接口。

3.根据权利要求1或2所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：所述的第一、第二射频器均为NRF9E5芯片、第一、第二可编程存储器均为25AA320 芯片、时钟信号控制器为PCF8563T芯片、只读存储器为AT24C256芯片、通信串行接口分别选用MAX232、MAX485芯片，第一、第二天线选用单端50欧天线，地址开关选用数字开关，温度传感器选用PT1000。

4.根据权利要求1所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线测温装置第一外电源为互感器和电池联合供电或太阳能和电池联合供电的方式。

5.根据权利要求1所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线测温装置的第一射频器芯片NRF9E5与温度传感器PT1000芯片的连接是NRF9E5芯片AIN3 AD转换第26脚接PT1000芯片的恒流源芯片LM234的2路温度信号转换电压信号；AIN2 AD转换第27脚接LM234的1路温度信号转换电压信号；第一射频器芯片NRF9E5与第一可编程存储器25AA320芯片的连接是NRF9E5芯片的MOSI模似信号的10脚与25AA320芯片的SI模拟信号输入的5脚相连；NRF9E5芯片的MISO模拟信号输出的11脚与25AA320芯片的SO模拟信号输入的2脚相连；NRF9E5芯片的SCK时钟模拟信号的12脚与25AA320芯片的SCLK时钟模拟信号的6脚相连，NRF9E5芯片的EECSN片选信号的13与25AA320芯片的CS片选信号1脚相连；第一射频器芯片NRF9E5与单端50欧天线的连接是NRF9E5芯片的ANT2之21脚通过电感L2和电容C3直接连接第一天线，ANT1之20脚通过电感L3和电容C2直接接地，NRF9E5芯片20号脚与21号脚之间通过电感L1相连；第一射频器芯片NRF9E5与时钟信号控制器的PCF8563T时钟芯片连接是NRF9E5芯片P03串行数据信号3脚与PCF8563T芯片SDA串行数据传输5脚相连、P04之6脚时钟控制信号与PCF8563T芯片的INT3脚相连、P00串行时钟信号32脚与PCF8563T芯片的SCL串行时钟信号6脚相连，PCF8563T芯片的2脚与4脚之间并联有C31、C32、C33、C34、C35多组电容；PCF8563T芯片的3脚与7脚之间并联R15、R16再连接第一外电源；第一射频器芯片NRF9E5与只读存储器 AT24C256芯片的连接是NRF9E5芯片之3脚与AT24C256芯片的SDA串行数据传输5脚相连，同时与时钟信号控制器PCF8563T芯片5脚相连；第一射频器芯片NRF9E5的32脚与AT24C256芯片的SCL串行时钟信号6脚、时钟信号控制器PCF8563T芯片的6脚相连。

6.根据权利要求1或4所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线测温装置的第一外电源为互感器和电池联合供电的方式，一是由二极管D1、电阻R11、R5、与AMS1117稳压源组成一个回路，二是由串联的二极管D2、电阻R51连接电池BT1的正极；第一外电源为太阳能和电池联合供电方式，由太阳能供电，是将电阻R5和R11串联后接地，直接为系统供电，锂电池充电管理芯片LTC4504L芯片1号脚与电阻R6串联、3号脚与电池正极直接相连，完成对电池的充电；电池的控制回路由并联的三极管9015、9013、锂电池充电管理芯片LTC4504L组成一个回路，其中三极管9015的发射极与三极管9013的基极之间连接有电阻R22，三极管9015的基极与三极管9013的集电极之间连接有电阻R10，三极管9015集电极与三极管9013的发射极之间串联电阻R12和R8并接地，同时三极管9015集电极与二极管D5和电感L1串联，L1与D5相连的一端连接电容C4，与D5不相连的一端连接有并联在一起的电容C7，C8，C9，C10，C6，C21，C22，与D5不相连的一端与地之间还连接电解电容CT4。

7.根据权利要求1所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线接收管理终端的第二射频器芯片NRF9E5与无线测温装置第一射频器芯片NRF9E5的10-25功能脚一致，且与第二可编程存储器25AA320芯片、第二天线的外连方法和无线测温装置第一射频器芯片NRF9E5也相同。

8.根据权利要求3所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线接收管理终端点对点传输通信串口MAX232芯片的C1+之1脚与C1-之3脚之间设有电容C₃；V+2脚与DSV电源点之间设有电容C6，同时DSV电源点和电容C6之间连接并联的电容C₁₁、C₁₂再接地，C2+之4脚与V₂-之5脚之间设有电容C4；V-之6脚通过电容C7接地，并与15脚相连，在15脚与DSV电源点之间设有电容C5；R20UT 9脚与第二外电源之间设有二极管D1、和电阻R1；无线接收管理终端的差分传输通讯串口MAX485芯片的R接收输出1脚与3.3V电源点之间串有二极管D2、电阻R1；RE接收输出2脚在与D5V电源之间设有电阻R2；DE驱动输出3脚与2脚相连，而且2脚、3脚均与第二射频器NRF9E5芯片32脚相连；D驱动输入4脚与D5V电源之间设有电阻R3，同时设有二极管D4与第二射频器NRF9E5芯片2脚、MAX232芯片10脚相连；MAX 485芯片6、7脚之间设有电阻R5，同时6脚与5V电源点之间串联电阻R6，7脚与接地之间串联电阻R4。

9.根据权利要求3所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：无线接收管理终端的第二射频器芯片NRF9E5与数字地址开关的连接是NRF9E5芯片P04之6脚与地址开关SW-DIP2之2脚相连；第二射频器NRF9E5芯片P05之7脚与地址开关SW-DIP-2之1脚相连；第二射频器NRF9E5芯片P06之8脚与地址开关SW-DIP-1之2脚相连；第二射频器NRF9E5芯片P07之9脚与地址开关SW-DIP-1之1脚相连。

10.根据权利要求5所述的智能无线温度监测系统，其特征在于：时钟信号控制器的PCF8563T芯片的1脚X₁-in为时钟频率输入，2脚X₂-out为时钟频率输出，外接晶振频率由X2晶体提供。