基于Si4432火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)近年來火災(zāi)產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)了一種基于Si4432火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必要性及設(shè)計(jì)依據(jù)等進(jìn)行了說明，提出基于Si4432的通用無線收發(fā)模塊統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)設(shè)置原則以及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。完成了火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)硬件無線收發(fā)電路的搭建，并編寫測(cè)試代碼，進(jìn)行了性能實(shí)測(cè)評(píng)估以及探討軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性和可靠性較高，適于以無線方式監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜中觸點(diǎn)的溫度。
關(guān)鍵詞：火災(zāi)監(jiān)控；無線溫度傳感；Si4432；RTOS

    近年來近年來。隨著社會(huì)用電量的大幅增長(zhǎng)，電氣火災(zāi)發(fā)生率始居各類火災(zāi)之首，電氣火災(zāi)的起火原因主要有以下幾種：1)漏電；2)短路；3)過負(fù)荷。由電力設(shè)備發(fā)熱而最終導(dǎo)致的電氣火災(zāi)在全部電氣火災(zāi)中占到了60％以上的比例；另外，由絕緣受損、環(huán)境潮濕等引起的泄漏電流故障(以及由泄漏電流電火花引起，又在電氣火災(zāi)的起因中占有10％以上的比例。
    當(dāng)絕緣受損的線路上而產(chǎn)生的泄漏電流到300～500mA時(shí)，破損處將和鄰近的接地導(dǎo)體產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。這時(shí)，釋放出的電火花可以輕易的引燃周圍的可燃物和易燃物，從而造成火災(zāi)事故。即使，周圍沒有易燃、可燃物存在，泄漏電流產(chǎn)生的火花放電同樣可加速絕緣的受損面積，使得受損點(diǎn)周圍的絕緣層迅速炭化，變?yōu)橐兹嘉矬w，再被火花點(diǎn)燃起火。
    高壓開關(guān)柜中設(shè)有大量開關(guān)電氣設(shè)備，并具有復(fù)雜的電氣連接線路，如何對(duì)高壓開關(guān)柜中的關(guān)鍵部位或電氣連接處的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程檢測(cè)，并確保檢測(cè)的安全性和可靠性，是我們所要解決的重點(diǎn)技術(shù)難題之一。

1 系統(tǒng)組成
    為解決上述技術(shù)問題，現(xiàn)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性和可靠性較高的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)。火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)包括：溫度傳感器1，與溫度傳感器1的溫度信號(hào)輸出端相連的適于定時(shí)激活工作的第一邏輯控制電路2，第一邏輯控制電路2的溫度信號(hào)輸出及收發(fā)控制端相連的用于將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)的第一無線收發(fā)電路3，第一邏輯控制電路2連接有電池供電電路4。
    溫度傳感器1設(shè)于配電室進(jìn)線柜斷路器的上下接口處、三級(jí)負(fù)荷進(jìn)線開關(guān)斷路器的上下接口處、風(fēng)機(jī)回路斷路器的上下接口處、冷水機(jī)組回路的上下接口處或開關(guān)柜內(nèi)的帶電觸頭上。應(yīng)用火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)時(shí)，還包括用于接收所述無線信號(hào)的第二無線收發(fā)電路11、與第二無線收發(fā)電路11的相連的無線交互控制單元5、與無線交互控制單元5的數(shù)據(jù)輸出端相連的用于判斷溫度傳感器1所測(cè)溫度是否超過預(yù)設(shè)范圍的中央控制單元6；中央控制單元6的溫度信號(hào)輸出端經(jīng)通訊接口8與用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī)10相連。
    中央控制單元6的溫度顯示輸出端連接有用于實(shí)時(shí)顯示溫度值的顯示電路9，即LCD顯示屏。所述中央控制單元6的控制輸入端連接有用于輸入無線收發(fā)的頻點(diǎn)和與所述第一邏輯控制電路2相關(guān)聯(lián)的地址表的第一鍵盤輸入電路7。具體收發(fā)框圖如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)原理
2．1 硬件設(shè)計(jì)
    火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)主要由微處理器C8051F930(簡(jiǎn)稱MCU)和。RF收發(fā)芯片Si4432組成，性能指標(biāo)表明它是業(yè)界目前性價(jià)比“最高”的嵌入式無線解決方案。C8051F930是Silicon Labs新近推出的業(yè)界第一款能在0．9～3．6 V電壓范圍內(nèi)工作的MCU，內(nèi)部集成了64 kB的Flash、4352B的RAM、1個(gè)UART、2個(gè)SPI、4個(gè)定時(shí)器、10 b的ADC、內(nèi)部振蕩器等，提供了一個(gè)真正的SOC(System On Chip)解決方案。
    Si4432無線收發(fā)器是Silicon Labs公司EZRadloPro產(chǎn)品線中的一款非常有代表性的芯片，支持頻率范圍240～930 MHz，輸出功率最大為+20 dBm。靈敏度達(dá)-117 dBm。Si4432與主機(jī)MCU之間的通信是通過SPI總線實(shí)現(xiàn)的，主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL4個(gè)引腳。
    Si443091／32提供了先進(jìn)的無線電特性包括在240～960 MHz范圍的頻率覆蓋和允許進(jìn)行精確調(diào)諧控制的156 Hz或312Hz的步幅，其他的系統(tǒng)特性如：自動(dòng)喚醒定時(shí)器、低電池檢測(cè)器、64字節(jié)TX／RX堆棧、自動(dòng)數(shù)據(jù)報(bào)處理、報(bào)頭檢測(cè)減少了總的電流消耗，使得可以采用廉價(jià)的系統(tǒng)MCU。一個(gè)集成的溫度傳感器、通用ADC、上電復(fù)位(POR)和GPIO(通用輸入／輸出)進(jìn)一步減少了總的系統(tǒng)成本和尺度。
    由C8051F930單片機(jī)控制Si4432實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送模塊中的C8051F930將數(shù)據(jù)傳送給Si4432進(jìn)行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對(duì)接收到的射頻信號(hào)放大、解調(diào)之后，再將數(shù)據(jù)送給主控制器C8051F930進(jìn)行相應(yīng)的處理，如送液晶顯示等。系統(tǒng)提供了按鍵和液晶等人機(jī)交互界面，還留有RS232接口可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信。
    火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)電路如圖2所示，其中U9為S14432，由于采用單天線形式，使用了射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)UPG2214T(圖2中U6)進(jìn)行收發(fā)切換。

2．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用μC／OS-Ⅱ或RL-RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的嵌入式程序應(yīng)用。使用RTOS可簡(jiǎn)化任務(wù)的調(diào)度和維護(hù)，對(duì)CPU、內(nèi)存等系統(tǒng)資源進(jìn)行靈活配置。程序開發(fā)、編譯及仿真使用ARM公司的RealView MDK開發(fā)工具集的新版本μVision 4，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以分為自動(dòng)校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)采樣處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及信號(hào)發(fā)生與移向模塊等，結(jié)構(gòu)清晰合理，便于開發(fā)、維護(hù)與日后升級(jí)，同時(shí)有助于增強(qiáng)軟件的可移植性，提高開發(fā)效率。

3 特點(diǎn)
    在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感中，第一邏輯控制電路將溫度傳感器所測(cè)得的溫度信息通過控制第一無線收發(fā)電路以無線信號(hào)發(fā)出，無線交互控制單元經(jīng)第二無線收發(fā)電路接收該無線信號(hào)，經(jīng)處理后得出相應(yīng)的溫度信息并送至中央控制單元，最后經(jīng)顯示電路顯示或經(jīng)通訊接口送至上位機(jī)；故而火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性和可靠性較高，適于監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜中觸點(diǎn)的溫度。無線溫度傳感系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備接點(diǎn)的運(yùn)行溫度，可確定觸點(diǎn)接頭處的過熱程度，當(dāng)發(fā)生超溫時(shí)，發(fā)出報(bào)警指示。溫度傳感器被安裝到設(shè)備內(nèi)的帶電部位上(如斷路器及刀閘的上下接口處)，監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的數(shù)字面板表顯示出每個(gè)帶電觸頭的溫度值，并可將溫度值通過RS-485接口傳到上位計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度的集中監(jiān)測(cè)?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)可應(yīng)用于地鐵、變電站、電廠、電纜、隧道、供熱管道、油氣管道等場(chǎng)合，特別是地鐵的1 500 V直流開關(guān)、整流系統(tǒng)和車站400 V重要負(fù)荷的設(shè)備安全監(jiān)測(cè)。如用于監(jiān)測(cè)高低壓輸電線纜及母線接頭溫度、高低壓(500 kV～380 V)開關(guān)觸點(diǎn)溫度、輸油管道溫度及石油化工工藝點(diǎn)溫度和干式變壓器／油式變壓器溫度監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論
    火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)，其中無線收發(fā)系統(tǒng)主要芯片采用Si4432，其優(yōu)點(diǎn)在于功率可達(dá)100 mW(+20 dBm)，降低波特率的情況下無遮擋傳輸距離可達(dá)500 m以上，或者穿透兩層樓。火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的無線溫度傳感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性和可靠性較高，適于范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，它能為維護(hù)工程師提供準(zhǔn)確信息，避免電氣火災(zāi)的發(fā)生，該設(shè)計(jì)方案應(yīng)有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的應(yīng)用前景。