束一鳴　王凱饒　王俊杰　梅燚　常笑瑀　周欣欣

摘? ?要：結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目以及提高大學(xué)生創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙技術(shù)的高壓開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)，檢測到的溫度信息采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)信息向終端節(jié)點(diǎn)傳送，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)消耗大繁瑣等問題。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測性能良好、功耗低、具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;單片機(jī);無線測溫;創(chuàng)新;低消耗

2016年的全國科技創(chuàng)新大會(huì)提出，中國要在2020年進(jìn)入創(chuàng)新型國家的行列，并且在30年以后從創(chuàng)新國家走向創(chuàng)新強(qiáng)國。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目是為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，創(chuàng)新教育實(shí)踐教學(xué)尤為重要[1]。

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課，是面向應(yīng)用的一門課程，對(duì)于學(xué)生深入理解、掌握并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)有很好的作用[2]。結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目以及單片機(jī)課程的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的低功耗高壓開關(guān)柜。

1? ? 背景介紹

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在長期運(yùn)行過程中，由于部件老化、封閉運(yùn)行熱量集中、滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行、觸頭氧化或松動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致觸頭電阻增大而發(fā)熱，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出處理，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、停電、爆炸等嚴(yán)重事故。高壓開關(guān)柜在運(yùn)行過程中禁止打開，且發(fā)熱點(diǎn)在密封柜內(nèi)或者電纜溝內(nèi)，因此，高壓開關(guān)柜內(nèi)各觸頭處實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測問題已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中亟待解決的實(shí)際問題，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義[3]。

現(xiàn)有的高壓開關(guān)柜溫度采集裝置主要存在以下問題。

（1）由于高壓開關(guān)柜運(yùn)行時(shí)是全封閉的，內(nèi)部空間狹小、布線困難，且處于高壓狀態(tài)下，傳統(tǒng)的人工巡視方法很難了解高壓開關(guān)柜內(nèi)情況。

（2）已有的高壓開關(guān)柜無線測溫裝置功耗大，需要經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)維護(hù)成高。

因此，如何設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸效率高的高壓開關(guān)柜測溫裝置亟待解決。

2? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜是電池供電，節(jié)能對(duì)該系統(tǒng)至關(guān)重要。因此，本系統(tǒng)采用低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括溫度采集器、數(shù)據(jù)控制器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、中心服務(wù)器等。溫度采集器將采集到的溫度發(fā)送給系統(tǒng)控制器，一個(gè)系統(tǒng)控制器可控制6個(gè)溫度采集器。系統(tǒng)控制器接收到溫度后將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)送給中心服務(wù)器，最后由中心服務(wù)器作出響應(yīng)。

3? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1? 溫度采集器設(shè)計(jì)

溫度采集器單元用于開關(guān)柜內(nèi)觸頭結(jié)點(diǎn)的測溫，并將測得的溫度發(fā)送給系統(tǒng)控制器。采集器由數(shù)字溫度傳感器、藍(lán)牙發(fā)送模塊以及電源組成;其中，電源模塊與藍(lán)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(tǒng)維護(hù)成本，電源采用3.3 V紐扣電池，數(shù)字溫度傳感器與藍(lán)牙發(fā)送模塊連接，接收并顯示藍(lán)牙模塊發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)。

3.2? 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器由微處理器、觸摸顯示屏、語音報(bào)警器、藍(lán)牙接收模塊、傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊以及電源組成。觸摸顯示屏用于對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，允許工作人員對(duì)其他相關(guān)信息以觸摸方式進(jìn)行查詢和數(shù)據(jù)的輸入。語音報(bào)警器用于溫度超過安全閾值后的語音報(bào)警。藍(lán)牙接收模塊采取監(jiān)聽工作方式，接收來自溫度采集器中藍(lán)牙發(fā)送模塊發(fā)送的高壓開關(guān)柜內(nèi)各觸點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，并將收到的信息傳給微處理器進(jìn)行處理。微處理器選用的是STM32單片機(jī)，TCP模塊與單片機(jī)中的串口相連，并用于將數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)服務(wù)器提供接口。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

無線測溫系統(tǒng)程序主要包括：主程序、檢測節(jié)點(diǎn)子程序、藍(lán)牙子程序等。采用模塊化編程思想，C51語言進(jìn)行程序編寫。

4.1? 主程序設(shè)計(jì)

通電運(yùn)行后，進(jìn)入初始化子程序，通過鍵盤功能鍵進(jìn)入中心設(shè)置界面。設(shè)置完成后，每隔3 min，系統(tǒng)采集一次數(shù)據(jù)。為減少功耗，設(shè)置系統(tǒng)工作在低功耗模式。中心設(shè)置對(duì)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器發(fā)送指令，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器再同時(shí)向多個(gè)系統(tǒng)控制發(fā)送指令，系統(tǒng)控制器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

4.2? 藍(lán)牙子程序設(shè)計(jì)

初始化階段，單片機(jī)先發(fā)送主機(jī)控制接口（Host Controller Interface，HCI）命令，藍(lán)牙設(shè)備先復(fù)位再啟動(dòng)，然后進(jìn)行查詢地址、自動(dòng)巡檢和跳頻算法等初始化步驟，最后與上位機(jī)建立連接。藍(lán)牙設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)通信通過HCI分組（包括數(shù)據(jù)分組、命令分組和事件分組）實(shí)現(xiàn)。通過系統(tǒng)的MCU給藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送命令進(jìn)行分組。單片機(jī)在發(fā)送 HCI命令分組后，接收從藍(lán)牙設(shè)備返回的判斷命令、分析命令執(zhí)行情況、事件分組，直到藍(lán)牙模塊完成初始化操作。在藍(lán)牙手機(jī)助手軟件中，若手機(jī)與單片機(jī)配對(duì)完成，向單片機(jī)發(fā)送不同的指令，會(huì)收到不同數(shù)據(jù)反饋。

4.3? 溫度采集器模塊子程序設(shè)計(jì)

檢測模塊完成開關(guān)柜內(nèi)溫度的采集。溫度檢測命令發(fā)出后，單片機(jī)要等待數(shù)據(jù)采集完成，才能執(zhí)行下一條程序。這個(gè)過程大約需要20/80/320 ms，分別對(duì)應(yīng)8/12/14 bit測量。實(shí)際時(shí)間隨單片機(jī)時(shí)鐘不同會(huì)有一些變化。檢測獲得的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在STM32單片機(jī)內(nèi)部ROM中，以便單片機(jī)能夠繼續(xù)處理其他任務(wù)，在需要的時(shí)候取出數(shù)據(jù)。

5? ? 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)正確性，選取學(xué)校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度完成實(shí)驗(yàn)測試。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)。一天中選取8個(gè)時(shí)間段對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度進(jìn)行測試。將高精度溫度計(jì)測試數(shù)據(jù)作為參考值。經(jīng)過多次反復(fù)測量，與標(biāo)準(zhǔn)測量儀測得值進(jìn)行對(duì)比，測得溫度誤差范圍約為（±0.2）℃。

6? ? 結(jié)語

結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙技術(shù)的低功耗開關(guān)柜無線測溫檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成開關(guān)柜內(nèi)溫度等環(huán)境信息的采集，并借助藍(lán)牙模塊完成檢測信息的無線傳輸及控制，解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布局的弊端，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過研究可以提高大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力以及對(duì)單片機(jī)技術(shù)的掌握，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和協(xié)作能力，對(duì)于同學(xué)們以后步入工作實(shí)習(xí)崗位有很大的幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1]仲宇璐.基于51單片機(jī)的高壓開關(guān)柜無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（6）：135-137.

[2]屈? ?丹，任國臣，陳曉英.單片機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的改革[J].教育現(xiàn)代化，2016，3（8）：8-9.

[3]雷? ?光.電力高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，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