摘  要： 隨著小型分布式發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和便捷維護(hù)的重要性日益突出，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)分布式發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。針對(duì)發(fā)電機(jī)的特殊使用環(huán)境和應(yīng)用背景，提出了一種新型的低成本的基于Wi-Fi的發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，探討了系統(tǒng)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)的部分軟硬件設(shè)計(jì)方案及硬件電路圖。

　　關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程監(jiān)控；Wi-Fi；單片機(jī)；過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)；同步發(fā)電機(jī)；傳感器

0 引言

　　現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)電能的依賴越發(fā)明顯，發(fā)電機(jī)作為電能的產(chǎn)生裝置，在系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。對(duì)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視與診斷，對(duì)于整個(gè)電站的維護(hù)、故障診斷與維修起著基礎(chǔ)性作用[1]。在人們的生活中，小型分布式發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，醫(yī)院、礦井等越來(lái)越多的場(chǎng)合使用小型分布式發(fā)電機(jī)，越來(lái)越分散的發(fā)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)所給其使用和維護(hù)帶來(lái)諸多不便。基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地解決現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控之間的矛盾。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　基于Wi-Fi的發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)使用環(huán)境和應(yīng)用設(shè)計(jì)的由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)傳輸組成的一個(gè)有機(jī)整體?，F(xiàn)代社會(huì)中使用的交流電能幾乎全由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生[2]，故本方案的監(jiān)測(cè)對(duì)象為單相交流同步電機(jī)，監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)主要包括：發(fā)電機(jī)的溫升、發(fā)電機(jī)的輸出電流電壓和電壓相位等。圖1是系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由單片機(jī)、信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成。信號(hào)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)交流電信號(hào)的調(diào)理，工頻電壓電流經(jīng)過(guò)霍爾傳感器轉(zhuǎn)為較低的交流電壓電流信號(hào)，再通過(guò)調(diào)理電路將電壓電流調(diào)理到單片機(jī)AD采集的電壓范圍；同時(shí)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的工頻電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)電壓信號(hào)頻率，同步發(fā)電機(jī)的溫度信號(hào)由溫度傳感器轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)采集，發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)電壓電流信號(hào)和發(fā)電機(jī)的溫升經(jīng)由單片機(jī)采集后，在單片機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)分析處理并打包，最后將經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 傳感器的選型

　　系統(tǒng)使用了電壓電流傳感器和溫度傳感器，其中電壓電流傳感器采用的是霍爾傳感器，溫度傳感器采用的是PT100熱電阻溫度傳感器。

　　2.1.1 電壓電流傳感器

　　發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流信號(hào)需要通過(guò)電壓、電流傳感器將大信號(hào)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男盘?hào)之后進(jìn)行調(diào)理，而電壓、電流傳感器的轉(zhuǎn)換精度將直接影響檢測(cè)結(jié)果，因此需要選用轉(zhuǎn)換精度較高的傳感器。

　　電壓、電流傳感器的具體選型和詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

　　2.1.2 溫度傳感器

　　溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)的傳感器。溫度傳感器主要分為熱電阻式和熱電偶式，本系統(tǒng)采用的PT100為熱電阻式的溫度傳感器。其電阻值隨溫度的升高而增大，在電路中與恒值電阻串接在電路回路中，通過(guò)采集其上電壓值即可計(jì)算得到其電阻值。其電阻與溫度的關(guān)系如下：

　　Rt=Ro（1+A×T+B×T2）（1）

　　其中，Ro、A、B為常數(shù)。

　　2.2 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　2.2.1 電流電壓采樣調(diào)理電路

　　發(fā)電機(jī)輸出的電壓電流不可以直接送至單片機(jī)采集，解決的辦法主要分為兩步：第一步是對(duì)模擬量同比例縮小，第二步是對(duì)模擬量進(jìn)行調(diào)理。第一步主要是采用霍爾電壓、電流傳感器將交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號(hào)。對(duì)于調(diào)理電路，則是將-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合A/D采樣的0~3 V信號(hào)。圖2所示為電壓調(diào)理電路。

　　圖2中采用的是雙輸入雙輸出的運(yùn)算放大器LM358，為了防止輸入信號(hào)過(guò)大，通過(guò)二極管D3、D4設(shè)計(jì)了電壓鉗位電路，將電壓控制在0~3.3 V之間。由電壓信號(hào)調(diào)理電路圖不難求得輸入輸出信號(hào)之間的關(guān)系，即：

　　ADC5=1.5+0.15AC_Ug（2）

　　其中，AC_Ug為霍爾電壓傳感器到的交流電壓量，ADC5為單片機(jī)的AD采集輸入端口。

　　與電壓采集類似，發(fā)電機(jī)的輸出電流也不能直接送至控制器采集，其調(diào)理電路與電壓調(diào)理電路類似，這里不再詳盡敘述。

　　2.2.2 電壓過(guò)零檢測(cè)電路

　　為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率，需要加入過(guò)零檢測(cè)電路即方波電路，如圖3所示。該電路的原理主要是使用LM339比較器將霍爾電壓傳感器的輸出電平與零電平進(jìn)行比較，將高于零的電壓信號(hào)在LM339輸出端置為高電平，若發(fā)電機(jī)的輸出為正常正弦電壓，則通過(guò)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路得到與其同頻的方波信號(hào)。圖4為利用過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路得到的示波器波形。轉(zhuǎn)換后的方波再由單片機(jī)通過(guò)外部中斷捕獲其上升沿，從而可以實(shí)時(shí)地跟蹤發(fā)電機(jī)的頻率變化。

　　2.3 MSP430單片機(jī)

　　單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，所以必須要有較高的響應(yīng)速度和豐富的外設(shè)資源[3]。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司（TI）近年開(kāi)發(fā)的新一代單片機(jī)，是一種超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的16位混合型單片機(jī)，它具有方便靈活的開(kāi)發(fā)手段和豐富的片內(nèi)外設(shè)[4]。本系統(tǒng)中使用的MSP430F149單片機(jī)其價(jià)格低廉且功耗極低，同時(shí)還具有豐富的片上資源，另外還有60 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB用戶可編程內(nèi)部修改空間，2 KB的內(nèi)部RAM，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，易于使用。

　　2.4 無(wú)線傳輸模塊

　　本系統(tǒng)中無(wú)線傳輸是聯(lián)系發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的紐帶。Wi-Fi是一種目前得到廣泛應(yīng)用的短距離無(wú)線通信協(xié)議，具有成本低、部署方便等優(yōu)勢(shì)[5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的無(wú)線傳輸模塊為RAK410模塊，該模塊是一款Wi-Fi串口透?jìng)髂K，可以方便、快速地使用實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)收發(fā)等。它通過(guò)串口與單片機(jī)控制器相連接，支持AT命令及數(shù)據(jù)透明傳輸模式，由單片機(jī)控制其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)嵌完整的TCP/IP協(xié)議棧，可以配置為AP工作模式及Ad-Hoc工作模式。RAK410在UART接口模式下模塊的最大傳輸速率可達(dá)640 kb/s，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　2.5 單片機(jī)與無(wú)線傳輸模塊及調(diào)理電路的連接

　　單片機(jī)與無(wú)線傳輸模塊、電流電壓調(diào)理電路、溫度傳感器等部分硬件連接如圖5所示。其中MSP430F149單片機(jī)與RAK410Wi-Fi透?jìng)髂K的硬件連接引腳定義如表2所示。

3 控制器軟件程序設(shè)計(jì)

　　3.1 控制器主程序設(shè)計(jì)

　　控制器程序設(shè)計(jì)主要包括RAK410配置部分、配置信息存儲(chǔ)部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)打包部分以及數(shù)據(jù)傳輸部分。其流程圖如圖6所示。為考慮低功耗運(yùn)行，系統(tǒng)在沒(méi)有數(shù)據(jù)采集或者沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)時(shí)進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，等待有任務(wù)到達(dá)時(shí)，再?gòu)闹袛鄦拘?，進(jìn)入激活工作狀態(tài)。

　　3.2 RAK410模塊配置程序

　　單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令配置RAK410模塊的工作模式并控制其傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)單片機(jī)保存了模塊的配置信息，首次開(kāi)機(jī)完成配置后，再次啟動(dòng)時(shí)無(wú)需再配置模塊即可加入網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。為保證配置和傳輸信息的可靠性，RAK410通過(guò)創(chuàng)建Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信進(jìn)行模塊參數(shù)的配置；傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，RAK410以客戶端的方式加入AP網(wǎng)絡(luò)。

　　MSP430F149片上Flash程序存儲(chǔ)器中有1 KB的用戶數(shù)據(jù)空間，此部分空間可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)內(nèi)部修改，本系統(tǒng)利用這部分存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)RAK410的配置參數(shù)，存儲(chǔ)的配置參數(shù)主要包括：待加入的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的SSID、密鑰，待連接的服務(wù)器的域名、端口號(hào)等。

　　3.3 數(shù)據(jù)采集部分程序

　　根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率要高于最高頻率的2倍[6]。工頻電壓的頻率為50 Hz，不難得出本系統(tǒng)中每隔5 ms采樣一次電壓電流滿足采樣定理。系統(tǒng)主程序在完成定時(shí)器和ADC轉(zhuǎn)換器等的初始化后，執(zhí)行_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）函數(shù)，進(jìn)入低功耗睡眠等待狀態(tài)，此時(shí)除ACLK時(shí)鐘（可選作外設(shè)時(shí)鐘）激活外，CPU等其他時(shí)鐘信號(hào)均關(guān)閉；當(dāng)5 ms采樣定時(shí)時(shí)間到后進(jìn)入ADC采樣中斷激活CPU，并觸發(fā)AD數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等一系列的操作。

　　當(dāng)過(guò)零檢測(cè)電路輸出上升沿時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，喚醒CPU，從第一次進(jìn)入外部中斷后開(kāi)始計(jì)時(shí)，到下一次進(jìn)入外部中斷停止計(jì)時(shí)，兩次中斷的間隔時(shí)間剛好為交流電壓的一個(gè)周期。再經(jīng)過(guò)計(jì)算得到其實(shí)際的頻率并將其保存，待完成一次數(shù)據(jù)采集后一起發(fā)送至上位機(jī)。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，編寫(xiě)了一個(gè)基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)視平臺(tái)，該上位機(jī)用于接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并將其顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)在電力綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，三相同步發(fā)電機(jī)由一臺(tái)直流電機(jī)拖動(dòng)，將發(fā)電機(jī)的輸出接到三相對(duì)稱160 Ω的負(fù)載電阻上，并引出其中一相接到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，同時(shí)引出發(fā)電機(jī)的溫度傳感器的接線。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)試圖如圖7所示。上位機(jī)上主要顯示了下位機(jī)的IP地址和上位機(jī)的采集數(shù)據(jù)，其中采集數(shù)據(jù)包括發(fā)電機(jī)的電壓電流、發(fā)電機(jī)輸出電壓頻率以及發(fā)電機(jī)溫度等，其中信號(hào)均以波形圖的形式顯示。由圖7可以看出，下位機(jī)采集的動(dòng)態(tài)IP獲取的地址為192.168.1.106，且發(fā)電機(jī)的輸出接在阻性負(fù)載上，故輸出同頻同相。圖中顯示的發(fā)電機(jī)輸出頻率基本穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)內(nèi)部電樞溫度隨著開(kāi)機(jī)時(shí)間的增加而緩慢升高。

5 結(jié)論

　　本文介紹了一種基于Wi-Fi的發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與其他監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）價(jià)格低廉，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；（2）方法新穎，提出了一種采用過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路與單片機(jī)外部中斷相結(jié)合的方式檢測(cè)交流電壓的頻率方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果；（3）系統(tǒng)功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)理論上能夠以幾十微安的功耗待機(jī)，在發(fā)電機(jī)發(fā)生緊急停機(jī)后能夠支持更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。本設(shè)計(jì)能夠以非常低的成本和非常小的空間附加到發(fā)電機(jī)上，更大程度地方便用戶的使用和技術(shù)人員的管理。

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