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)對分布式發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。針對發(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),；過零點(diǎn)檢測,；同步發(fā)電機(jī)；傳感器

0 引言

　　現(xiàn)代社會人們對電能的依賴越發(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,。對發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視與診斷，對于整個(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)用場景越來越多,，醫(yī)院,、礦井等越來越多的場合使用小型分布式發(fā)電機(jī)，越來越分散的發(fā)電機(jī)應(yīng)用場所給其使用和維護(hù)帶來諸多不便,?；谇度胧郊夹g(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地解決現(xiàn)場的生產(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。現(xiàn)代社會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)測對象為單相交流同步電機(jī),，監(jiān)測的主要參數(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)、信號采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成,。信號采集模塊主要實(shí)現(xiàn)交流電信號的調(diào)理,，工頻電壓電流經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)為較低的交流電壓電流信號，再通過調(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)過霍爾傳感器的工頻電壓信號經(jīng)過過零點(diǎn)檢測電路監(jiān)測電壓信號頻率,，同步發(fā)電機(jī)的溫度信號由溫度傳感器轉(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)中對數(shù)據(jù)分析處理并打包,，最后將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)通過數(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,、電流信號需要通過電壓、電流傳感器將大信號轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男盘栔筮M(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)換為可測量的電信號的傳感器。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：第一步是對模擬量同比例縮小,，第二步是對模擬量進(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,、電流信號轉(zhuǎn)化為-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號。對于調(diào)理電路,，則是將-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號轉(zhuǎn)換成適合A/D采樣的0~3 V信號,。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,，為了防止輸入信號過大,，通過二極管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,。由電壓信號調(diào)理電路圖不難求得輸入輸出信號之間的關(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 電壓過零檢測電路

　　為實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率，需要加入過零檢測電路即方波電路,，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,，則通過過零點(diǎn)檢測電路得到與其同頻的方波信號,。圖4為利用過零點(diǎn)檢測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)是美國德州儀器公司（TI）近年開發(fā)的新一代單片機(jī)，是一種超低功耗,、具有精簡指令集的16位混合型單片機(jī),，它具有方便靈活的開發(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,，開發(fā)簡單，易于使用,。

　　2.4 無線傳輸模塊

　　本系統(tǒng)中無線傳輸是聯(lián)系發(fā)電機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的紐帶,。Wi-Fi是一種目前得到廣泛應(yīng)用的短距離無線通信協(xié)議，具有成本低,、部署方便等優(yōu)勢[5],。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的無線傳輸模塊為RAK410模塊，該模塊是一款Wi-Fi串口透傳模塊,，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)與無線傳輸模塊及調(diào)理電路的連接

　　單片機(jī)與無線傳輸模塊,、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透傳模塊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)在沒有數(shù)據(jù)采集或者沒有數(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),，再從中斷喚醒，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，首次開機(jī)完成配置后,，再次啟動時(shí)無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程序存儲器中有1 KB的用戶數(shù)據(jù)空間,，此部分空間可以通過編程實(shí)現(xiàn)內(nèi)部修改,，本系統(tǒng)利用這部分存儲空間存儲RAK410的配置參數(shù)，存儲的配置參數(shù)主要包括：待加入的無線網(wǎng)絡(luò)的SSID,、密鑰,，待連接的服務(wù)器的域名、端口號等,。

　　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)過零檢測電路輸出上升沿時(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,，編寫了一個(gè)基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)視平臺,，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。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)室的一臺三相同步發(fā)電機(jī)作為監(jiān)測對象,，三相同步發(fā)電機(jī)由一臺直流電機(jī)拖動，將發(fā)電機(jī)的輸出接到三相對稱160 Ω的負(fù)載電阻上,，并引出其中一相接到監(jiān)測系統(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：（1）價(jià)格低廉,，具有較強(qiáng)的市場競爭優(yōu)勢；（2）方法新穎,，提出了一種采用過零點(diǎn)檢測電路與單片機(jī)外部中斷相結(jié)合的方式檢測交流電壓的頻率方法,，通過實(shí)驗(yàn)取得了很好的效果；（3）系統(tǒng)功耗低,，結(jié)構(gòu)簡單,，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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