綜合管廊內電纜附件無線紅外測溫系統設計

王 朔 ,軒瑩瑩 ,胡 源 ,吳 鵬 ,張 帥 ,邢 琳

(1.國網河北省電力有限公司經濟技術研究院,石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司檢修分公司,石家莊 050071)

綜合管廊是指在道路、廠區或者景觀地下集中鋪設電力、燃氣、通信、供水的公共隧道,從而實現統一規劃、集中建設和便于管理的功能。綜合管廊的建設和投運極大的節約了城市用地,實現了城市地下空間的綜合開發利用,在土地資源日趨緊張的今天受到了越來越多的追捧。目前,我國北京、上海、深圳和青島等城市均開展了地下綜合管廊建設,并預計建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊投入運營,改善城市地面景觀[1-3]。綜合管廊內由于管線眾多,起火原因復雜,包含電氣火災,檢修過程中明火引發的火災,燃氣引發的可燃物火災等,其中,最主要的是電力電纜火災。電纜長時間帶電運行中,電纜終端或接頭處由于接觸電阻大,溫度升高快,嚴重的還會引發電纜材料的內焦、松弛甚至燃燒現象[4]。綜合管廊位于地下,空間相對狹小,一旦電力電纜發生火災,空間內熱量迅速集聚,火災蔓延趨勢快。如果電纜燃燒產生的一氧化碳等有毒氣體不能及時排出,嚴重影響消防人員對火災進行撲救[5-6]。因此,設計可靠的電纜附件溫度監測系統,做好電纜火災預警工作,從源頭上減少電纜火災的發生至關重要。

1 系統設計

1.1 系統結構

綜合管廊內電纜附件紅外測溫系統以STM32為開發平臺,使用TMP007紅外溫度傳感器作為溫度采集裝置,ESP8266 無線路由器作為信息傳輸裝置。紅外測溫系統包含溫度采集節點和數據管理中心兩部分。紅外測溫傳感器首先完成溫度數據的采集,然后單片機使用通用的IO 接口與數字溫度傳感器完成通信,經過協議幀解析提取有效數據。溫度數據在單片機STM32中經過處理和封裝后,傳輸至ESP8266的通信接口,通過無線通信方式將采集的溫度數據傳輸到數據管理中心。數據管理中心接收到各個測溫節點的測量數據后,通過RS485總線與服務器完成數據實時交互,并對各節點的溫度數據進行存儲,顯示和分析。紅外溫度監測系統結構如圖1所示。

圖1 紅外溫度監測系統結構

1.2 溫度測量原理

常見的測溫方式分為接觸式和非接觸式2種。接觸式測溫方法主要有半導體IC 溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和光纖溫度傳感器,此類方法雖然測量精度較高,但是絕緣性能差,維護成本高。非接觸式測溫方法為紅外測溫,可以遠距離監測目標的運行溫度,具有測量范圍廣,反應速度快,使用靈活的優點[7]。考慮到綜合管廊對監測設備有較高的絕緣要求,本文采用紅外測溫儀進行電纜附件的溫度測量。

紅外測溫技術的理論基礎是黑體的熱輻射定律,任何物體只要溫度高于絕對零度就會向外輻射能量,能量強度與物體表面溫度成正比。依據普朗克定理和玻爾茲曼定理:

式中:ε為物體輻射率;T為物體表面溫度,K;σ=5.67×10-8為玻爾茲曼常數,W/m-2K-4;P(T)為溫度為T時的總輻射度,W/m-2。

2 硬件設計

合適的硬件選擇是建立綜合管廊電力電纜溫度監測系統的前提和基礎,對系統控制的穩定性、反饋的準確性、使用的節能性有直接的影響。

2.1 紅外傳感器接口電路設計

紅外溫度傳感器TMP007可以完成現場的溫度采集與轉換,并通過SDA串行數據接口發送數字溫度信號。由于傳感器連接線長度可能大于30 m,為了提高測量可靠性和穩定性,傳感器TMP007的上拉電阻選用4.7 kΩ。為了保證傳感器供應電壓,防止線路分壓過多造成傳感器電壓不足,盡可能提高傳感器的使用壽命,供電電壓Vcc選用5.0 V。綜合管廊內有較強的電磁干擾,為了保證監測信號的準確,傳感器電路加上R5和C4組成的抗干擾電路。電阻R5取值350Ω,電容C4取值102 p F,電容C2選用106 pF。接口電路如圖2所示。

圖2 紅外溫度傳感器接口電路

2.2 測溫節點硬件設計

由于受到紅外溫度傳感器外殼的體積限制,選用STM32作為該設計的主控芯片。STM32是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的32位微處理器,具有眾多高性能的外設,具有12位的ADC和DAC模塊,尤其適用于高速、大容量的分布式數據采集系統。STM32利用自身硬件IIC 接口實現與紅外溫度傳感器的數據交互處理,最后通過SPI接口與ESP8266射頻通信模塊將溫度數據上傳至服務器。ESP8266射頻通信模塊的工作頻率為2.4 GHz,能夠滿足常規短距離無線通信需求。如果工作環境的電磁干擾較強,可以添加電源濾波電路等提高節點抗干擾能力,測溫節點硬件結構如圖3所示。

圖3 測溫節點硬件結構

2.3 數據管理中心硬件設計

數據管理中心負責接收各個測溫節點的溫度數據,通過射頻模塊ESP8266實現數據管理中心與各個測溫節點溫度數據的實時交互,并通過RS485工業總線進行數據的中轉傳輸,服務器對監測的溫度數據進行儲存和分析,根據電纜節點溫度數據的變化趨勢做出響應。數據管理中心包含射頻通信電路和串口通信電路,硬件結構設計如圖4所示。

圖4 數據管理中心硬件結構

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

紅外測溫節點程序采用C 語言編寫,由節點控制主程序、硬件設備初始化程序、射頻發送程序、射頻接收程序、溫度數據采集程序、無線數據打包程序等組成。程序中采用中斷完成溫度數據讀取、射頻通信數據包發送和接收等。各硬件初始化后測溫節點處于就緒狀態,然后等待溫度數據測量命令,測量完成后將溫度數據打包并無線傳輸到數據管理中心,繼續等待溫度測量指令。無線收發程序利用ESP8266內部寄存器,通過中斷方式識別收發完成狀態。

數據管理中心程序主要包括硬件初始化程序、與服務器和各個測溫節點的數據交互程序。數據管理中心首先完成硬件資源初始化工作,然后查詢服務器指令,當收到溫度采集命令后,數據管理中心解析轉發采集命令給各節點,同時將各節點數據信息封裝轉發給服務器。下位機軟件設計流程示意如圖5所示。

圖5 下位機軟件設計流程示意

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件運行于服務器,完成通信設備選擇、通信參數設置和通信模式選擇等。服務器接收到無線模塊ESP8266發送的數據包后,使用可靠性高的TCP控制協議,通過對數據包進行數據解析,獲得測溫節點實時數據,并在visual studio中用C#語言進行顯示界面開發,該語言運行在微軟的.NET Framework(又稱為“.NET 框架”)平臺。.NET Framework環境大大簡化了客戶端應用程序的開發,包含在其中的Windows窗體類為GUI的開發提供了非常大的便利,用戶可以很方便的創建具有適應多變商業需求的靈活命令窗口、按鈕、菜單、工具和其它屏幕元素,大大加快了GUI的開發速度。

4 測溫實驗

為了驗證無線紅外測溫系統的可靠性,對無線紅外測溫系統進行性能測試。通過保溫箱將被測物體加熱到不同溫度,被測物體的直徑為110 mm,系統的測溫探頭距離被測物體50 cm。測量誤差如圖6所示。由圖6可得,當被測物體溫度范圍在60～70℃時,系統測量精度較高,誤差不超過0.2 ℃。被測物體溫度過高或過低都會引起測量誤差的增大,但是系統最大測量誤差不超過0.5℃,滿足電纜附件溫度監測要求。

圖6 測量誤差絕對值

5 結論

綜合管廊能夠節約城市土地資源、美化城市景觀,但由于管廊內管線眾多,極易發生電纜附件溫度過高而引發電纜起火的現象。以上針對上述隱患問題,開發了一種綜合管廊內電纜附件無線紅外測溫系統,該系統以單片機STM32 為平臺,通過紅外溫度傳感器TMP007采集電纜終端或中間接頭處溫度,利用低成本串口WiFi模塊ESP8266及RS485總線將各節點的溫度數據無線傳輸至服務器。本研究內容對綜合管廊中電力電纜的溫度在線監測和火災預防具有重要借鑒意義。