0  引  言

煤矿供电作为煤炭企业安全生产的重要环节，要求系统具有高度的安全性和可靠性。煤矿供电系统供电设备及电缆的安全与否，直接关系到矿井的生产安全。温度是表征煤矿供电设备运行正常的重要参数，设备制造、环境污染、长期运行、超载运行、触点氧化、电弧冲击等因素均会造成接触电阻增大，设备运行时，煤矿供电设备的开断接触点可能会因此发热而导致温度不断上升。如果发现不及时，容易导致起火或爆炸等严重事故。

目前在煤矿现场比较常见的测温方式有红外测温、光纤测温等。红外测温是非接触式测温，所需安装空间较大，测温精度容易受环境影响；光纤测温由于对所用光纤的弯曲度有所限制，在开关柜等狭小空间内难以安装且成本较高。针对煤矿供电设备结构复杂、内部元件安装紧凑、电压等级高等特点，本文介绍了一种体积小、功耗低，高电压可靠隔离、易于安装的无线测温系统。

1  系统总体方案设计

图1 无线测温系统结构图

无线测温系统由无线温度传感器、温度接收仪和温度监测工作站三部分组成。系统结构如图1所示。

1）无线温度传感器用于测量接触点温度，主要安装在供电设备容易发热的场合。每个无线温度传感器具有唯一的ID编号，实际使用时，系统记录每个传感器的安装地点，并与编号一起存入温度监测工作站的数据库。传感器每隔一定时间自动发射一次监测点的温度数据。2）无线温度接收仪安装于变电站内部，根据无线温度传感器的安装区域进行配置，负责接收和显示各无线温度传感器（探头）测量、发送的温度数据。当测温点温度超限时，系统进行声光报警，同时通过RS485总线将温度数据上传至温度监测工作站，并响应监测工作站的命令。单个温度接收仪可接收255个温度传感器。3）温度监测工作站负责采集、监测和分析各测温点的温度，实时显示各监测区域监测点的温度数据以及变化曲线，并进行查询分析，一旦发现温度过热或急剧升温到限定值时，立即进行报警。

2  无线温度传感器设计

无线温度传感器主要由微控制器、感温元件、无线收发器三部分组成。该传感器以TI公司生产的超低功耗单片机MSP430G2303为微控制器，Dallas公司生产的单线集成数字式温度传感器DS18B20为测温元件，并选用了以CC110L芯片为核心的无线收发模块。其中，CC110L单片收发器可支持300～348MHz、387～464MHz和779～928MHz多频段，可编程输出功率高达+12dBm，数据速率范围0.6～600kbps，接收灵敏度为-116dBm，睡眠模式时电流消耗仅有200nA。另外，系统还运用了CC110L无线收发器的自动CRC校验，载波监听（CS）和地址滤波等功能^[2]。系统采用超低功耗设计，使用3.6V/1.2Ah柱形锂电池供电，每5s测量发送一次温度数据，平均工作电流小于20uA，可连续正常运行5年。本系统采用433MHz频段进行无线通信，绕射能力强，传输距离远，信号损失衰减小。

3  温度接收仪设计

3.1  接收仪整体结构

温度接收仪由MCU主控制器MSP430F149、RS485通信接口、RXG19264液晶显示屏、声光报警器、CC110L无线收发模块、AT24C512存储器、键盘、PCF8563时钟电路及电源等组成，硬件结构如图2所示。其中，液晶显示屏主要用于显示温度传感器的地址编号、相应的温度数据以及当前时间；存储器用于存储系统的配置参数以及超温报警的传感器信息等；键盘用于切换显示界面、设置系统参数和温度传感器个数等。

图2 温度接收仪硬件结构图

3.2  接收仪电源设计

由于该系统应用于煤矿井下的特殊环境中，本文将接收仪设计为本质安全型，简称本安。电源电路如图3所示，系统由外部12V本安电源供电，经开关型电压调节器LM2596降压至5V供系统其它部分工作，然后经AMS1117降压至3.3V供MCU工作；为防止外部电源反接，电路增加了由4只1N4007整流二极管组成的整流桥。另外，由于本安电路要求不能带有大的储能元件，LM2596内部振荡频率固定150KHz，高振荡频率降低了外部储能元件的大小，满足了本安电路的要求。

图3 无线温度接收仪电源电路

4  系统软件设计

系统软件主要包括无线温度传感器、温度接收仪以及温度监测工作站软件的设计。

4.1  无线温度传感器

为达到超低功耗，无线温度传感器在软件方面进行了低功耗设计，步骤如下：①CC110L初始化完成之后，进入睡眠模式；②配置MCU与CC110L相关引脚为相同电平，以免两者进入低功耗模式后，引脚上出现灌电流、拉电流等情况；③打开MCU的5s定时器作为睡眠唤醒用；④使能MCU的低功耗模式。

4.2  温度接收仪

温度接收仪以中断的方式接收传感器温度数据。为了能够快速存放每个温度传感器的温度数据，主控制器内部开辟了一个1024字节的RAM区域（存储255个温度传感器数据），并且每个传感器编号和温度数据均对应固定的位置，从而能够方便快速地存放温度数据。

4.3  温度监测工作站软件

该软件作为无线测温系统中人机交互的重要部分，集温度数据采集、存储、查询于一体。软件设计采用Visual Studio 2010集成开发环境，具有良好的操作界面，符合Windows操作习惯。

软件采用模块化的程序设计，分为数据采集处理与系统管理两个模块。数据采集处理模块负责与温度接收仪通信，用于接收数据和发送指令，并将接收的信息加以处理；串口通信程序利用C#提供的Serial Port控件开发^[3]。系统管理模块包括系统参数设置、温度数据显示、历史查询与报表打印、账户与数据库管理和超限报警五个功能模块，如图4所示。

图4 监测工作站软件运行界面 

5  小结

系统采用超低功耗MCU、无线收发器和集成数字式温度传感器，设计了无线温度传感器和温度接收仪；同时，温度监测工作站的设计，方便了实时监测、查询被测点的温度数据。温度传感器采用无线方式传输数据，可有效隔离被测点的高电压。该无线测温系统成本低、寿命长、安装方便，同时还可应用于地面供电设备关键部位的温度监测，具有良好的发展前景。

参  考  文  献

[1] 北京天一众合科技发展有限责任公司.关于433M与2.4G的对比说明[EB/OL].[2007-6-11].http://wenku.baidu.com/ view/49ec4bec998fcc22bcd10dd1.html.

[2] Texas Instruments.CC110L[EB/OL].[2013-4-1]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc110l.pdf.

[3] Watson K,Nagel C,齐立波.C#入门经典[M].清华大学出版社,2002.