真空海绵吸盘作者：刘芷馨 徐建 郝沛健 刘先梁
来源：《现代信息科技》2022年第17期
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摘 要：为了更方便、快捷、准确地对大规模高压开关柜进行温度的实时监测，设计一套远距离无线温度监测系统。大多数温度采集系统功能单一，无线传输的距离受环境因素的影响较大，采集响应时间较长，采集成功率低。因此文中设计利用LoRa无线传输技术，将DS18B20温度传感器采集到的温度数据传输至STM32单片机进行数据分析处理，再根据分析结果进一步操作以预防相应故障的发生。将大大解决无线传输距离受限的问题，同时对数据做简单的处理分析，也将更方便、快捷、准确地对故障类型进行判断。
关键词：DS18B20温度传感器；LoRa无线传输；STM32单片机
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）17-0168-04
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Research on Wireless Temperature Monitoring System for High Voltage Switchgear
LIU Zhixin， XU Jian， HAO Peijian， LIU Xianliang
（School of Intelligent Science and Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China）
Abstract： In order to monitor the temperature of large-scale high-voltage switchgear more conveniently， quickly and accurately， a set of remote wireless temperature monitoring system is designed. Most temperature acquisition systems have single function， the wireless transmission distance is greatly affected by environmental factors， the acquisition response time is long， and the acquisition success rate is low. Therefore， this paper uses Lora wireless transmission technology to transmit the temperature data collected by DS18B20 temperature sensor to STM32 single-chip microcomputer for data analysis and processing， and then further operate according to the analysis results to prevent the occurrence of corresponding faults. It will greatly solve the problem of limited wireless transmission distance. At the same time， it will make simple data processing and analysis， and it will also be more convenient， fast and accurate to judge the fault type.
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Keywords： DS18B20 temperature sensor; Lora wireless transmission; STM32 single-chip microcomputer
0 引 言
高壓开关柜的主要作用是接收电能和分配电能，主要由开关设备、测量仪器、保护电路、连接母线以及相关辅助设备等构成，在电力系统中有着至关重要的作用。在实际运行中，其对输电、配电等过程都起到了有效的控制与保护的作用。但是与此同时，高压开关柜也存在着许多常见的安全问题，这些问题将影响电力系统的可靠运行，甚至在一些严重的情况下还会产生一定的安全隐患。因此需要对高压开关柜的运行状态进行合理的监测，以确保整个电力系统能可靠运行[1]。
高压开关柜过热是最常见的问题，然而导致这一问题的原因有很多，比如高压开关柜的安装工艺存在问题、设备的试验和检修人员未能认真履行工作职，许多设备超期服役、元件老化变形问题突出、运行操作人员没有掌握高压开关柜的操作要领、电力负荷的突然变化、环境条件产生的不利影响等都会导致高压开关柜过热的现象。高压开关柜最容易出现发热故障的部位是其手车触头，尤其是气温较高的夏季，用电负荷大幅度增加，开关柜
内高压触头及母线接头部位常常发生过热、有时甚至存在爆炸的风险[2]。设备过热故障一旦发生，不仅需要花费比较长的时间对设备进行检修，而且有可能直接造成设备的损毁，从而造成巨大的经济损失。因此，对高压开关柜的温度进行监控可以有效减少故障的发生和经济的损失。然而，常见的光纤测温、远红外测温已经不能满足大规模的对高压开关柜进行温度监测的工作。杨希[3]提出的光纤测温虽然可以连续准确地监测高压开关柜内部接触点的运行温度，但是安装费用和后期的维护费用十分高昂；光纤感温面很容易发生老化出现脱落的情况，进而影响温度采样的准确性；光纤温度监测是散点测温，难以获得设备的整体温度分布状况。刘东明[4]等提出的远红外测温对于封闭的高压开关设备而言，由于红外线无法直接穿透金属的外壳，测温的精度不高。本文针对以上缺陷，设计了一种基于红外无线测温的高压开关柜超远距离温度监测系统，将实现不受距离限制实时地进行温度数据采集，然后将采集到的数据上传至信息共享平台进行数据处理和分析，最终根据分析结果给出处理建议。本系统基于DS18B20温度传感器和LoRa无线传输机制实现变电设备温度的无线远程传输，能够实现检测多点温度，打破了温度监测的单一性；同时也能实现无线测温，并且在对温度数据进行分析之后实施远程控制动作。
1 总体设计方案
高压开关柜的温度监控系统主要包括温度采集模块、无线传输模块、数据处理模块三部分。系统首先通过DS18B20搭建的温度采集模块采集温度信息，而后LoRa无线传输模块采用轮询机制对辖区内的各个节点进行访问，收集温度信息，并将温度信息传输至信号处理模块进行数据的处理、存储和预判等工作[5]。系统整体结构图如图1所示。
2 系统硬件设计
岩心箱
系统硬件总框图如图2所示
2.1 温度采集模块
温度采集模块是用于采集高压开关柜关键位置的运行温度数据，主要由DS18B20数字型温度传感器搭建构成[6]。DS18B20数字型温度传感器能够测量的温度范围很大且是单总线形式，这就意味着不用再另外接入电源线。但是与此同时，单总线形式的特点也使得此传感器对控制器读取时间的要求比较严格。每个DS18B20都有独立唯一的64位ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18B20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值。此刻的温度数据会以16位二进制数的形式通过DS18B20返回。这16位二进制数
的高五位数据表示的是正负，若其全部为1，则代表返回的温度值为负值，若其全部为0，则代表返回的温度值为正值。后面的11位数据代表温度的绝对值，将其转换为十进制数值之后，再乘以0.062 5即可获得此时的温度值。DS18B20温度传感器具备直接把温度值转化成数字值的功能。
2.2 无线传输模块
系统采用了LoRa无线传输技术，LoRa作为低功耗广域网的一种，顾名思义具有功耗低的特点，与此同时LoRa还能实现网络信息的超远距离传输。系统将采用以LoRa技术为基础的SX1278无线传输模块实现终端节点的无线通信功能[7]。SX1278仅实现对传感数据的传输，并不具备存储数据的功能，因此，可实现低功耗传输。LoRa通信技术可以进行星形组网，能够实现多终端的节点接入，避免节点故障引起的网络瘫痪； 携带6组不同的扩频因子，随着扩频因子的变化，传输数据在对应频带范围内进行传输，避免传输带数据干扰。STM32与LoRa通信模块的连接图如图3所示。
