基于Si4432火災監控系統的無線溫度傳感系統設計

宋 毅，曹鳳蓮

（淮陰師范學院 物電學院，江蘇 淮安 223001）

近年來近年來，隨著社會用電量的大幅增長，電氣火災發生率始居各類火災之首，電氣火災的起火原因主要有以下幾種：1）漏電；2）短路；3）過負荷。由電力設備發熱而最終導致的電氣火災在全部電氣火災中占到了60%以上的比例；另外，由絕緣受損、環境潮濕等引起的泄漏電流故障（以及由泄漏電流電火花引起，又在電氣火災的起因中占有10%以上的比例。

當絕緣受損的線路上而產生的泄漏電流到300～500 mA時，破損處將和鄰近的接地導體產生火花放電現象。這時，釋放出的電火花可以輕易的引燃周圍的可燃物和易燃物，從而造成火災事故。即使，周圍沒有易燃、可燃物存在，泄漏電流產生的火花放電同樣可加速絕緣的受損面積，使得受損點周圍的絕緣層迅速炭化，變為易燃物體，再被火花點燃起火。

高壓開關柜中設有大量開關電氣設備，并具有復雜的電氣連接線路，如何對高壓開關柜中的關鍵部位或電氣連接處的溫度進行實時、遠程檢測，并確保檢測的安全性和可靠性，是我們所要解決的重點技術難題之一。

1 系統組成

為解決上述技術問題，現提供一種結構簡單、安全性和可靠性較高的火災監控系統的無線溫度傳感系統。火災監控系統的無線溫度傳感系統包括：溫度傳感器1，與溫度傳感器1的溫度信號輸出端相連的適于定時激活工作的第一邏輯控制電路2，第一邏輯控制電路2的溫度信號輸出及收發控制端相連的用于將溫度信號轉換為無線信號的第一無線收發電路3，第一邏輯控制電路2連接有電池供電電路4。

溫度傳感器1設于配電室進線柜斷路器的上下接口處、三級負荷進線開關斷路器的上下接口處、風機回路斷路器的上下接口處、冷水機組回路的上下接口處或開關柜內的帶電觸頭上。應用火災監控系統的無線溫度傳感系統時，還包括用于接收所述無線信號的第二無線收發電路11、與第二無線收發電路11的相連的無線交互控制單元5、與無線交互控制單元5的數據輸出端相連的用于判斷溫度傳感器1所測溫度是否超過預設范圍的中央控制單元6；中央控制單元6的溫度信號輸出端經通訊接口8與用于遠程監控的上位機10相連。

中央控制單元6的溫度顯示輸出端連接有用于實時顯示溫度值的顯示電路9，即LCD顯示屏。所述中央控制單元6的控制輸入端連接有用于輸入無線收發的頻點和與所述第一邏輯控制電路2相關聯的地址表的第一鍵盤輸入電路7。具體收發框圖如圖1所示。

圖1 系統收發結構框圖Fig.1 System and structure diagram

2 設計原理

2.1 硬件設計

火災監控系統的無線溫度傳感系統主要由微處理器C8051F930（簡稱MCU）和RF收發芯片 Si4432組成，性能指標表明它是業界目前性價比“最高”的嵌入式無線解決方案。C8051F930是Silicon Labs新近推出的業界第一款能在0.9～3.6 V電壓范圍內工作的MCU，內部集成了64 kB的Flash、4352B 的 RAM、1 個 UART、2 個 SPI、4 個 定 時 器 、10 b 的ADC、內部振蕩器等，提供了一個真正的SOC（System On Chip）解決方案。

Si4432無線收發器是Silicon Labs公司EZRadioPro產品線中的一款非常有代表性的芯片，支持頻率范圍240～930 MHz，輸出功率最大為+20 dBm，靈敏度達-117 dBm。Si4432與主機MCU之間的通信是通過SPI總線實現的，主要涉及SCLK、SDI、SDO 和 nSEL 4 個引腳。

Si4430/31/32提供了先進的無線電特性包括在240-960MHz范圍的頻率覆蓋和允許進行精確調諧控制的156 Hz或312 Hz的步幅，其他的系統特性如：自動喚醒定時器、低電池檢測器、64字節TX/RX堆棧、自動數據報處理、報頭檢測減少了總的電流消耗，使得可以采用廉價的系統MCU。一個集成的溫度傳感器、通用ADC、上電復位（POR）和GPIO（通用輸入/輸出）進一步減少了總的系統成本和尺度[1-3]。

由C8051F930單片機控制Si4432實現無線數據的收發。發送模塊中的C8051F930將數據傳送給 Si4432進行編碼處理，并以特定的格式經天線發送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調之后，再將數據送給主控制器C8051F930進行相應的處理，如送液晶顯示等。系統提供了按鍵和液晶等人機交互界面，還留有RS232接口可以實現與PC機通信。

火災監控系統的無線溫度傳感系統數據收發電路如圖2所示，其中U9為SI4432，由于采用單天線形式，使用了射頻收發轉換開關UPG2214T（圖2中U6）進行收發切換。

圖2 數據收發電路Fig.2 A data transceiver circuit

2.2 軟件設計

系統軟件設計采用μC/OS-II或RL-RTX實時操作系統（RTOS），以實現多任務的嵌入式程序應用。使用RTOS可簡化任務的調度和維護，對CPU、內存等系統資源進行靈活配置。程序開發、編譯及仿真使用ARM公司的RealView MDK開發工具集的新版本μVision 4，軟件采用模塊化結構設計，可以分為自動校準模塊、數據采樣處理模塊、數據通信模塊以及信號發生與移向模塊等，結構清晰合理，便于開發、維護與日后升級，同時有助于增強軟件的可移植性，提高開發效率。

3 特 點

在火災監控系統的無線溫度傳感中，第一邏輯控制電路將溫度傳感器所測得的溫度信息通過控制第一無線收發電路以無線信號發出，無線交互控制單元經第二無線收發電路接收該無線信號，經處理后得出相應的溫度信息并送至中央控制單元，最后經顯示電路顯示或經通訊接口送至上位機；故而火災監控系統的無線溫度傳感系統結構簡單、安全性和可靠性較高，適于監測高壓開關柜中觸點的溫度。無線溫度傳感系統能連續監測設備接點的運行溫度，可確定觸點接頭處的過熱程度，當發生超溫時，發出報警指示。溫度傳感器被安裝到設備內的帶電部位上 （如斷路器及刀閘的上下接口處），監測儀主機的數字面板表顯示出每個帶電觸頭的溫度值，并可將溫度值通過RS-485接口傳到上位計算機作進一步處理，實現設備溫度的集中監測。火災監控系統的無線溫度傳感系統可應用于地鐵、變電站、電廠、電纜、隧道、供熱管道、油氣管道等場合，特別是地鐵的1 500 V直流開關、整流系統和車站400 V重要負荷的設備安全監測。如用于監測高低壓輸電線纜及母線接頭溫度、高低壓（500 kV～380 V）開關觸點溫度、輸油管道溫度及石油化工工藝點溫度和干式變壓器/油式變壓器溫度監測。

4 結 論

火災監控系統的無線溫度傳感系統，其中無線收發系統[4-8]主要芯片采用Si4432，其優點在于功率可達100mW（+20dBm），降低波特率的情況下無遮擋傳輸距離可達500 m以上，或者穿透兩層樓。火災監控系統的無線溫度傳感系統具有結構簡單、安全性和可靠性較高，適于范圍廣等優點，它能為維護工程師提供準確信息，避免電氣火災的發生，該設計方案應有很廣的應用領域和良好的應用前景。

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