基于項目驅動的大學生創新創業訓練計劃項目實踐探索

束一鳴　王凱饒　王俊杰　梅燚　常笑瑀　周欣欣

摘? ?要：結合大學生創新創業訓練項目以及提高大學生創新能力，設計一種基于藍牙技術的高壓開關柜無線測溫系統，檢測到的溫度信息采用藍牙技術實現子節點信息向終端節點傳送，解決了傳統有線監測系統消耗大繁瑣等問題。本系統實時監測性能良好、功耗低、具有良好的可靠性。

關鍵詞：高壓開關柜;單片機;無線測溫;創新;低消耗

2016年的全國科技創新大會提出，中國要在2020年進入創新型國家的行列，并且在30年以后從創新國家走向創新強國。大學生創新創業項目是為國家培養創新型人才目標的關鍵環節，創新教育實踐教學尤為重要[1]。

單片機課程是一門實踐性很強的課，是面向應用的一門課程，對于學生深入理解、掌握并應用所學知識有很好的作用[2]。結合大學生創新項目以及單片機課程的應用，本文設計了一種基于藍牙4.0技術的低功耗高壓開關柜。

1? ? 背景介紹

高壓開關柜是電力系統中的重要設備，在長期運行過程中，由于部件老化、封閉運行熱量集中、滿負荷甚至超負荷運行、觸頭氧化或松動等，會導致觸頭電阻增大而發熱，如不及時發現并做出處理，可能會引發火災、停電、爆炸等嚴重事故。高壓開關柜在運行過程中禁止打開，且發熱點在密封柜內或者電纜溝內，因此，高壓開關柜內各觸頭處實時溫度監測問題已經成為電力系統中亟待解決的實際問題，對電力系統安全穩定運行具有十分重要的意義[3]。

現有的高壓開關柜溫度采集裝置主要存在以下問題。

（1）由于高壓開關柜運行時是全封閉的，內部空間狹小、布線困難，且處于高壓狀態下，傳統的人工巡視方法很難了解高壓開關柜內情況。

（2）已有的高壓開關柜無線測溫裝置功耗大，需要經常更換電池，系統維護成高。

因此，如何設計一種結構簡單、安裝方便、功耗低、數據傳輸效率高的高壓開關柜測溫裝置亟待解決。

2? ? 系統總體設計

高壓開關柜是電池供電，節能對該系統至關重要。因此，本系統采用低功耗藍牙4.0技術進行開發設計。系統包括溫度采集器、數據控制器、網關設備、中心服務器等。溫度采集器將采集到的溫度發送給系統控制器，一個系統控制器可控制6個溫度采集器。系統控制器接收到溫度后將數據發送給網關設備，網關設備進行數據處理發送給中心服務器，最后由中心服務器作出響應。

3? ? 系統硬件設計

3.1? 溫度采集器設計

溫度采集器單元用于開關柜內觸頭結點的測溫，并將測得的溫度發送給系統控制器。采集器由數字溫度傳感器、藍牙發送模塊以及電源組成;其中，電源模塊與藍牙連接模塊連接，并且為溫度采集器供電，從而降低更換電池所帶來的系統維護成本，電源采用3.3 V紐扣電池，數字溫度傳感器與藍牙發送模塊連接，接收并顯示藍牙模塊發送的溫度數據。

3.2? 系統控制器設計

系統控制器由微處理器、觸摸顯示屏、語音報警器、藍牙接收模塊、傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊以及電源組成。觸摸顯示屏用于對采集到的溫度數據進行實時顯示，同時，允許工作人員對其他相關信息以觸摸方式進行查詢和數據的輸入。語音報警器用于溫度超過安全閾值后的語音報警。藍牙接收模塊采取監聽工作方式，接收來自溫度采集器中藍牙發送模塊發送的高壓開關柜內各觸點溫度數據，并將收到的信息傳給微處理器進行處理。微處理器選用的是STM32單片機，TCP模塊與單片機中的串口相連，并用于將數據上傳系統服務器提供接口。

4? ? 軟件設計

無線測溫系統程序主要包括：主程序、檢測節點子程序、藍牙子程序等。采用模塊化編程思想，C51語言進行程序編寫。

4.1? 主程序設計

通電運行后，進入初始化子程序，通過鍵盤功能鍵進入中心設置界面。設置完成后，每隔3 min，系統采集一次數據。為減少功耗，設置系統工作在低功耗模式。中心設置對網關服務器發送指令，網關服務器再同時向多個系統控制發送指令，系統控制器采集數據并進行分析。

4.2? 藍牙子程序設計

初始化階段，單片機先發送主機控制接口（Host Controller Interface，HCI）命令，藍牙設備先復位再啟動，然后進行查詢地址、自動巡檢和跳頻算法等初始化步驟，最后與上位機建立連接。藍牙設備之間的無線數據通信通過HCI分組（包括數據分組、命令分組和事件分組）實現。通過系統的MCU給藍牙設備發送命令進行分組。單片機在發送 HCI命令分組后，接收從藍牙設備返回的判斷命令、分析命令執行情況、事件分組，直到藍牙模塊完成初始化操作。在藍牙手機助手軟件中，若手機與單片機配對完成，向單片機發送不同的指令，會收到不同數據反饋。

4.3? 溫度采集器模塊子程序設計

檢測模塊完成開關柜內溫度的采集。溫度檢測命令發出后，單片機要等待數據采集完成，才能執行下一條程序。這個過程大約需要20/80/320 ms，分別對應8/12/14 bit測量。實際時間隨單片機時鐘不同會有一些變化。檢測獲得的數據先存儲在STM32單片機內部ROM中，以便單片機能夠繼續處理其他任務，在需要的時候取出數據。

5? ? 實驗測試與分析

為驗證系統正確性，選取學校實驗室內溫度完成實驗測試。根據系統設計指標要求，搭建系統實驗測試平臺。一天中選取8個時間段對實驗室內的溫度進行測試。將高精度溫度計測試數據作為參考值。經過多次反復測量，與標準測量儀測得值進行對比，測得溫度誤差范圍約為（±0.2）℃。

6? ? 結語

結合單片機技術，設計了一款基于藍牙技術的低功耗開關柜無線測溫檢測系統，該系統可以完成開關柜內溫度等環境信息的采集，并借助藍牙模塊完成檢測信息的無線傳輸及控制，解決了傳統有線網絡布局的弊端，具有較大的實際應用價值。通過研究可以提高大學生的創新創業的能力以及對單片機技術的掌握，培養了學生的創新思維和協作能力，對于同學們以后步入工作實習崗位有很大的幫助。

[參考文獻]

[1]仲宇璐.基于51單片機的高壓開關柜無線溫度監測系統研究[J].淮北職業技術學院學報，2012，11（6）：135-137.

[2]屈? ?丹，任國臣，陳曉英.單片機原理及應用課程實踐性教學環節的改革[J].教育現代化，2016，3（8）：8-9.

[3]雷? ?光.電力高壓開關柜溫度在線監測系統的開發和應用[D].北京：華北電力大學，2016.

Research on the project practice of the project-driven college students’

innovation and entrepreneurship training plan

Shu Yiming， Wang Kairao， Wang Junjie， Mei Yan， Chang Xiaoyu， Zhou Xinxin

（School of Computer Science， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract：The wireless temperature measurement system of the high-voltage switch cabinet based on the Bluetooth technology is designed in combination with the college student’s innovative start-up training program and the improvement of the university student’s innovative ability. The detected temperature information is transmitted by the terminal node of the sub-node information by using the Bluetooth technology， and solves the problems of large consumption of the traditional wired monitoring system. The system has good real-time monitoring performance， low power consumption and good reliability.

Key words： high-voltage switch cabinet; single-chip computer; wireless temperature measurement; innovation; low consumption