強交變電磁場中導電體溫度測量方法
2023-05-27 04:39:46
專利名稱：強交變電磁場中導電體溫度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種基於CAN總線雙層網絡結構的強交變電磁場中導電體溫度測量 方法。
背景技術：
高壓變配電設備處於強交變電磁場環境中，其中的高壓開關、高壓斷路器等高壓 電力設備的各連接點、各刀閘的動靜觸頭、電纜連接頭和導線等導電體由於各種原因會產 生溫升，帶來許多安全問題；由於處於強交變電磁環境，在線實時監測這些導電體的溫升必 須解決溫度測量和數據發送裝置的功耗、高電壓隔離、監測設備體積受限、安裝方式簡單可 靠等問題。
測量強交變電磁環境中的導電體溫度目前首推無線法。其主要特徵是使用無線
傳感器採集溫度信息，通過無線射頻傳到主節點，若干個主節點通過RS485總線聯接到監
測後臺進行顯示和報警等。無線射頻的頻率使用315MHZ，433MHZ，2. 4GHZ和UWB等。其導
電體溫度測量和數據發送裝置的功耗和安裝方式是無線監測技術的主要問題。 目前高壓線路接點無線溫度監測系統使用低功耗的時鐘晶片，用於定時喚醒主電
路，以減少測量和數據發送裝置功耗。由於時鐘源於後臺計算機，並非標準時鐘源，同時時
鍾只能通過RS485總線同步，系統內數據實時性難以得到保證，因而給整個相關網絡故障
分析帶來困難。因此引入GPS，作為系統同步時鐘源是本發明的特徵之一，為保證數據實時
傳輸，使用控制器區域網路(CAN)通訊協議代替RS485進行數據傳輸。 在現有的實踐中採用了一種粘附安裝傳感器的方法，但需要24小時固化時間，這
在實際應用中是難以實現的。還有一種利用絕緣扎帶固定的方法，因交變電磁場自身帶來
的振動，一段時間後不可避免會引起絕緣扎帶的鬆弛和老化，重要的是操作人員並不能及
時知道絕緣扎帶的鬆弛和老化，所以這同樣缺乏實用意義。在本發明中提出了一種借用現
有的螺栓固定方法，在螺栓固定處裝有壓力傳感器，實時監測螺栓的鬆緊度，確保螺栓的有
效固定。 採用UWB在強交變電磁環境中的進行數據傳輸是可行的方法；雖然UWB克服了 藍牙技術功耗相對較高的問題，UWB的功耗是藍牙技術的二十分之一，但是其功耗依然是 ZigBee技術的一點七五倍；而空曠地帶的傳輸距離只有不到十米，傳輸距離有限，妨礙了 UWB技術在強交變電磁環境中的應用；由於UWB發射超寬頻帶電磁波，會帶來許多不可預測 的電磁幹擾問題，因此UWB技術在高壓變配電櫃的應用並不是理想的選擇。而採用無線數 據接收器通過點到點時分多址(TDMA)無線通訊方式能解決信號發射衝突的問題，但是由 於接收節點需用長時間偵聽信道而消耗許多能量。所以TDMA依然不能獨立解決強交變電 磁環境中導電體的溫度測量問題。理想的選擇應該是ZigBee技術。 ZigBee技術信道接入方式採用CSMA-CA，能有效地減少了幀的衝突，從而解決了 信號發射衝突的問題；同時具有極低功耗，終端節點只在有數據要收發的時候才和網絡 會話，其餘時間都處於休眠模式，這樣平均功耗非常低， 一塊普通的鹼性電池可供ZigBee設備工作六個月到兩年；可靠性也是ZigBee技術的特徵之一，為了保證幀的正確傳輸，ZigBee在MAC層採用了兩個措施ARQ和幀緩存。當一幀傳給一個設備時，如果接受設備處於忙或者休眠狀態而不能接收該幀，那麼網絡協調設備就暫時緩存該幀，直到收端能接收該幀。
發明內容
本發明的目的是針對上述技術的不足，提供一種基於CAN總線和ZigBee技術結合的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，特點是實時性強，功耗低，易於同步，安裝方便可罪。 上述的目的通過以下的技術方案實現 強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其組成包括低功耗的含壓力傳感器的無線測溫傳感器、無線接收主站和監控中心三種物理模塊，CAN和ZigBee兩種通訊協議，上述內容構成多主多從的樹狀雙層網絡結構，第一層為CAN總線式菊花鏈結構，由監控中心和第二層的主節點組成，有線連接，使用控制器區域網路CAN協議進行數據的傳輸；第二層為星型結構，由該層主節點和從節點組成，無線連接，使用ZigBee紫蜂協議進行數據傳輸。
所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，所述的從節點就是含壓力傳感器的無線測溫傳感器，包括用於測量固定點鬆緊度的壓力傳感器、無線測溫傳感器整體封裝在一個金屬屏蔽盒內，所述的含壓力傳感器的無線測溫傳感器金屬墊板與溫度傳感器連接，金屬墊板通過螺栓和導電體連接，壓力傳感器安裝在所述的導電體和金屬墊板之間；
所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，無線接收主站包括用於數據傳輸的無線收發模塊和管理收發模塊的具有CAN總線控制器的單片機以及供電單元，所述的監控中心是帶CAN總線控制器和GPS接收器的工業計算機。 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，所述的從節點定時採集導電體的溫
度、環境溫度、電池電壓以及金屬墊板和導電體間的壓力，通過ZigBee通訊協議主動向主
節點發送，主節點接收完該時段所有的從節點的數據後向監控中心發送；監控中心能主動
向主節點發出採集數據的指令，從節點收到指令後，即刻採集並返回相應數據。 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，在第一層網絡裝有GPS時鐘，負責
網絡的時鐘同步，從節點向主節點發送數據時，主節點發出應答信號，應答信號包括同步時
鍾信號、參數設置信號和監控中心指令信號。 本發明的有益效果 1.本發明中控制器區域網路(CAN)通訊協議，能在多重節點間進行數據的通訊，利用標準CAN總線判優來確保CAN總線上實時數據的傳輸優先於非實時數據的傳輸，確保GPS時鐘同步，提高總線利用率；而在錯誤監測機制方面RS485有致命的缺點，RS485隻規定了物理層，而沒有數據鏈路層，所以它對錯誤是無法識別的，除非一些短路等物理錯誤。這樣容易造成一個節點破壞了，拼命向總線發數據(一直發1)，這樣造成整個總線癱瘓。所以RS485 —旦壞一個節點，這個總線網絡都掛。而CAN總線有CAN控制器，可以對總線任何錯誤進行檢測，如果自身錯誤超過128個，就自動閉鎖。保護總線。如果檢測到其他節點錯誤或者自身錯誤，都會向總線發送錯誤幀，來提示其他節點，這個數據是錯誤的，大家小心。這樣CAN總線一旦有一個節點CPU程序跑飛了，它的控制器自動閉鎖。保護總線。所以在安全性方面CAN是很強的。 2.本發明中所採用的ZigBee協議簡單，實現相對容易，需要的系統資源也較少，據估計運行ZigBee需要系統資源約28Kb ;UWB相對複雜，它需要系統資源約為250Kb，而且ZigBee技術比UWB技術功耗低40X。ZigBee定義了兩種類型的設備全功能設備FFD(FullFunctional Device)和簡化功能設備RFD (Reduced Function Device)。網絡為主從結構，一個網絡有一個網絡協調者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設備。網絡協調者必須是FFD，它負責管理和維護網絡，包括路由、安全性、節點的附著與離開等。 一個網絡只需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。 RFD的價格要比FFD便宜得多，其佔用系統資源僅約為4Kb，因此網絡的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設備的網絡，如傳感網絡等。 3.本發明所提出的無線傳感器包含有壓力和溫度兩種傳感器，溫度傳感器用於測溫，這是通用的做法；而壓力傳感器則是解決傳感器固定的必備。目前實際應用中有一種粘附安裝傳感器的方法，但需要24小時固化時間，這在實際應用中是難以實現的。還有一種利用絕緣扎帶固定的方法，因交變電磁場自身帶來的振動，一段時間後不可避免會引起絕緣扎帶的鬆弛和老化，重要的是操作人員並不能及時知道絕緣扎帶的鬆弛和老化，所以這同樣缺乏實用意義。在本發明中提出了一種借用現有的螺栓固定方法，在螺栓固定處裝有壓力傳感器，實時監測螺栓的鬆緊度，確保螺栓的有效固定。 4.本發明所提出的GPS接收器，用來解決系統的時鐘同步精度問題，便於進行遠程監測點間的故障分析和評判。
附圖1是強交變電磁場導電體溫度測量系統結構圖。 附圖2是無線接收器主站結構圖。 附圖3是無線傳感器結構圖。 附圖4是無線接收器的主站一個實例的原理圖。 附圖5是無線傳感器的一個實例的原理圖。
具體實施例方式 實施例1 : 強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其組成包括低功耗的含壓力傳感器的無線測溫傳感器、無線接收主站和監控中心三種物理模塊，CAN和ZigBee兩種通訊協議，上述內容構成多主多從的樹狀雙層網絡結構，第一層為CAN總線式菊花鏈結構，由監控中心和第二層的主節點組成，有線連接，使用控制器區域網路CAN協議進行數據的傳輸；第二層為星型結構，由該層主節點和從節點組成，無線連接，使用ZigBee紫蜂協議進行數據傳輸。
實施例2 : 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，所述的從節點就是含壓力傳感器的無線測溫傳感器，包括用於測量固定點鬆緊度的壓力傳感器、無線測溫傳感器整體封裝在一個金屬屏蔽盒內，所述的含壓力傳感器的無線測溫傳感器金屬墊板與溫度傳感器連接，金屬墊板通過螺栓和導電體連接，壓力傳感器安裝在所述的導電體和金屬墊板之間；
實施例3 : 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，無線接收主站包括用於數據傳輸的無線收發模塊和管理收發模塊的具有CAN總線控制器的單片機以及供電單元，所述的監控中心是帶CAN總線控制器和GPS接收器的工業計算機。
實施例4: 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，所述的從節點定時採集導電體的溫度、環境溫度、電池電壓以及金屬墊板和導電體間的壓力，通過ZigBee通訊協議主動向主節點發送，主節點接收完該時段所有的從節點的數據後向監控中心發送，監控中心能主動向主節點發出採集數據的指令，從節點收到指令後，即刻採集並返回相應數據。
實施例5 : 所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，在第一層網絡裝有GPS時鐘，負責網絡的時鐘同步，從節點向主節點發送數據時，主節點發出應答信號，應答信號包括同步時鐘信號、參數設置信號和監控中心指令信號。
實施例6 : 本發明提供的強交變電磁環境中導電體的溫度方法，包括低功耗的無線測溫傳感器、無線接收主站、監控中心三種硬體模塊，還包括CAN和ZigBee兩種通訊協議，構成多主多從的樹狀雙層網絡結構。 無線測溫傳感器包括用於測量導電體溫度的數字溫度傳感器、用於測量固定點鬆緊度的壓力傳感器、用於數據傳輸的無線收發模塊、用於管理傳感器和收發模塊的低功耗單片機和用於提供整個裝置電能的微型高能量電池。無線測溫傳感器整體封裝在一個金屬屏蔽盒內，和導電體等電位，壓力傳感器位於金屬屏蔽盒的固定端處。 無線接收主站包括用於數據傳輸的無線收發模塊和管理收發模塊的具有CAN總線控制器的單片機以及供電單元。 監控中心是帶CAN總線控制器的工業計算機和GPS接收器。
實施例7 : 本發明提供的強交變電磁環境中導電體的溫度方法，包括低功耗的含壓力傳感器的無線測溫傳感器、無線接收主站、監控中心三種硬體模塊，還包括CAN和ZigBee兩種通訊協議，構成多主多從的樹狀雙層網絡結構。見圖一。監控中心是帶CAN總線控制器和GPS接收器的工業計算機。 無線接收主站包括用於數據傳輸的無線收發模塊和管理收發模塊的具有CAN總線控制器的單片機以及供電單元。見圖二。 含壓力傳感器的無線測溫傳感器包括用於測量導電體溫度的數字溫度傳感器、用於測量固定點鬆緊度的壓力傳感器、用於數據傳輸的無線收發模塊、用於管理傳感器和收發模塊的低功耗單片機和用於提供整個裝置電能的微型高能量電池。無線測溫傳感器整體封裝在一個金屬屏蔽盒內，和導電體等電位，壓力傳感器位於金屬屏蔽盒的固定端處。見圖 圖四是無線收發器的一個實例，由含CAN總線控制器的微處理器Ul、 CAN驅動器U2、含ZigBee協議的射頻收發平臺U3和時鐘U4組成。射頻頻率為2. 4GHZ。器件的選擇以滿足CAN和ZigBee協議運行速度為基本要求，兼顧體積和功耗。
Ul型號是PIC18F2580，工作電壓2. 2V_5. 0V，功耗低，28引腳，內含CAN2. 0協議；
U2型號是MCP2551，是專用的CAN驅動晶片；U3型號是CC2420，第一個ZigBee協議平臺，48引腳，體積小；U4型號是PCF8563，時鐘晶片，就地時鐘處理。 圖五是無線傳感器的一個實例，由低功耗的微處理器U5，含ZigBee協議的射頻收發平臺U6和U7數字溫度傳感器組成。 U5型號是MSP430F2121，工作電壓2. 2V-3. 6V，有休眠省電模式，功耗極低，20引腳；U6同U3是專用的ZigBee協議晶片；U7型號是DS18B20，數字溫度傳感器，3個引腳，體積小，有休眠省電模式，這組晶片均有休眠省電模式，功耗極低，適合低功耗的場合。
權利要求
一種強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其組成包括低功耗的含壓力傳感器的無線測溫傳感器、無線接收主站和監控中心三種物理模塊，CAN和ZigBee兩種通訊協議，其特徵是上述內容構成多主多從的樹狀雙層網絡結構，第一層為CAN總線式菊花鏈結構，由監控中心和第二層的主節點組成，有線連接，使用控制器區域網路CAN協議進行數據的傳輸；第二層為星型結構，由該層主節點和從節點組成，無線連接，使用ZigBee紫蜂協議進行數據傳輸。
2. 根據權利要求1所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是所述的從 節點就是含壓力傳感器的無線測溫傳感器，包括用於測量固定點鬆緊度的壓力傳感器、無 線測溫傳感器整體封裝在一個金屬屏蔽盒內，所述的含壓力傳感器的無線測溫傳感器金屬 墊板與溫度傳感器連接，金屬墊板通過螺栓和導電體連接，壓力傳感器安裝在所述的導電 體和金屬墊板之間。
3. 根據權利要求1所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是無線接收 主站包括用於數據傳輸的無線收發模塊和管理收發模塊的具有CAN總線控制器的單片機 以及供電單元，所述的監控中心是帶CAN總線控制器和GPS接收器的工業計算機。
4. 根據權利要求1或2或3所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是 所述的從節點定時採集導電體的溫度、環境溫度、電池電壓以及金屬墊板和導電體間的壓 力，通過ZigBee通訊協議主動向主節點發送，主節點接收完該時段所有的從節點的數據後 向監控中心發送；監控中心能主動向主節點發出採集數據的指令，從節點收到指令後，即刻 採集並返回相應數據。
5. 根據權利要求1或2或3所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是 在第一層網絡裝有GPS時鐘，負責網絡的時鐘同步，從節點向主節點發送數據時，主節點發 出應答信號，應答信號包括同步時鐘信號、參數設置信號和監控中心指令信號。
6. 根據權利要求4所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是在第一層 網絡裝有GPS時鐘，負責網絡的時鐘同步，從節點向主節點發送數據時，主節點發出應答信 號，應答信號包括同步時鐘信號、參數設置信號和監控中心指令信號。
7. 根據權利要求5所述的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，其特徵是在第一層 網絡裝有GPS時鐘，負責網絡的時鐘同步，從節點向主節點發送數據時，主節點發出應答信 號，應答信號包括同步時鐘信號、參數設置信號和監控中心指令信號。
全文摘要
基於CAN總線雙層網絡結構的強交變電磁場中導電體溫度測量方法，高壓變配電設備溫升必須解決溫度測量和數據發送裝置的功耗、高電壓隔離、監測設備體積受限、安裝方式簡單可靠等問題。本發明包括低功耗的含壓力傳感器的無線測溫傳感器、無線接收主站和監控中心三種物理模塊，CAN和ZigBee兩種通訊協議。上述內容構成多主多從的樹狀雙層網絡結構，第一層為CAN總線式菊花鏈結構，由監控中心和第二層的主節點組成，有線連接，使用控制器區域網路CAN協議進行數據的傳輸；第二層為星型結構，由該層主節點和從節點組成，無線連接，使用ZigBee紫蜂協議進行數據傳輸。本發明應用於測量強交變電磁場中導電體溫度。
文檔編號H04W84/18GK101750161SQ200810209629
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月8日 優先權日2008年12月8日
發明者邵殿波 申請人:黑龍江乾豐科技發展有限公司