基于Si4432火灾监控系统的无线温度传感系统设计

摘要：针对近年来火灾产生的原因，设计了一种基于Si4432火灾监控系统的无线温度传感系统，并对该系统的设计必要性及设计依据等进行了说明，提出基于Si4432的通用无线收发模块统的无线温度传感系统设置原则以及设计中应注意的问题。完成了火灾监控系统的无线温度传感系统硬件无线收发电路的搭建，并编写测试代码，进行了性能实测评估以及探讨软件设计中应注意的问题。火灾监控系统的无线温度传感系统结构简单、安全性和可靠性较高，适于以无线方式监测高压开关柜中触点的温度。
关键词：火灾监控；无线温度传感；Si4432；RTOS

    近年来近年来。随着社会用电量的大幅增长，电气火灾发生率始居各类火灾之首，电气火灾的起火原因主要有以下几种：1)漏电；2)短路；3)过负荷。由电力设备发热而最终导致的电气火灾在全部电气火灾中占到了60％以上的比例；另外，由绝缘受损、环境潮湿等引起的泄漏电流故障(以及由泄漏电流电火花引起，又在电气火灾的起因中占有10％以上的比例。
    当绝缘受损的线路上而产生的泄漏电流到300～500mA时，破损处将和邻近的接地导体产生火花放电现象。这时，释放出的电火花可以轻易的引燃周围的可燃物和易燃物，从而造成火灾事故。即使，周围没有易燃、可燃物存在，泄漏电流产生的火花放电同样可加速绝缘的受损面积，使得受损点周围的绝缘层迅速炭化，变为易燃物体，再被火花点燃起火。
    高压开关柜中设有大量开关电气设备，并具有复杂的电气连接线路，如何对高压开关柜中的关键部位或电气连接处的温度进行实时、远程检测，并确保检测的安全性和可靠性，是我们所要解决的重点技术难题之一。

1 系统组成
    为解决上述技术问题，现提供一种结构简单、安全性和可靠性较高的火灾监控系统的无线温度传感系统。火灾监控系统的无线温度传感系统包括：温度传感器1，与温度传感器1的温度信号输出端相连的适于定时激活工作的第一逻辑控制电路2，第一逻辑控制电路2的温度信号输出及收发控制端相连的用于将温度信号转换为无线信号的第一无线收发电路3，第一逻辑控制电路2连接有电池供电电路4。
    温度传感器1设于配电室进线柜断路器的上下接口处、三级负荷进线开关断路器的上下接口处、风机回路断路器的上下接口处、冷水机组回路的上下接口处或开关柜内的带电触头上。应用火灾监控系统的无线温度传感系统时，还包括用于接收所述无线信号的第二无线收发电路11、与第二无线收发电路11的相连的无线交互控制单元5、与无线交互控制单元5的数据输出端相连的用于判断温度传感器1所测温度是否超过预设范围的中央控制单元6；中央控制单元6的温度信号输出端经通讯接口8与用于远程监控的上位机10相连。
    中央控制单元6的温度显示输出端连接有用于实时显示温度值的显示电路9，即LCD显示屏。所述中央控制单元6的控制输入端连接有用于输入无线收发的频点和与所述第一逻辑控制电路2相关联的地址表的第一键盘输入电路7。具体收发框图如图1所示。

2 设计原理
2．1 硬件设计
    火灾监控系统的无线温度传感系统主要由微处理器C8051F930(简称MCU)和。RF收发芯片Si4432组成，性能指标表明它是业界目前性价比“最高”的嵌入式无线解决方案。C8051F930是Silicon Labs新近推出的业界第一款能在0．9～3．6 V电压范围内工作的MCU，内部集成了64 kB的Flash、4352B的RAM、1个UART、2个SPI、4个定时器、10 b的ADC、内部振荡器等，提供了一个真正的SOC(System On Chip)解决方案。
    Si4432无线收发器是Silicon Labs公司EZRadloPro产品线中的一款非常有代表性的芯片，支持频率范围240～930 MHz，输出功率最大为+20 dBm。灵敏度达-117 dBm。Si4432与主机MCU之间的通信是通过SPI总线实现的，主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL4个引脚。
    Si443091／32提供了先进的无线电特性包括在240～960 MHz范围的频率覆盖和允许进行精确调谐控制的156 Hz或312Hz的步幅，其他的系统特性如：自动唤醒定时器、低电池检测器、64字节TX／RX堆栈、自动数据报处理、报头检测减少了总的电流消耗，使得可以采用廉价的系统MCU。一个集成的温度传感器、通用ADC、上电复位(POR)和GPIO(通用输入／输出)进一步减少了总的系统成本和尺度。
    由C8051F930单片机控制Si4432实现无线数据的收发。发送模块中的C8051F930将数据传送给Si4432进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调之后，再将数据送给主控制器C8051F930进行相应的处理，如送液晶显示等。系统提供了按键和液晶等人机交互界面，还留有RS232接口可以实现与PC机通信。
    火灾监控系统的无线温度传感系统数据收发电路如图2所示，其中U9为S14432，由于采用单天线形式，使用了射频收发转换开关UPG2214T(图2中U6)进行收发切换。

2．2 软件设计
    系统软件设计采用μC／OS-Ⅱ或RL-RTX实时操作系统(RTOS)，以实现多任务的嵌入式程序应用。使用RTOS可简化任务的调度和维护，对CPU、内存等系统资源进行灵活配置。程序开发、编译及仿真使用ARM公司的RealView MDK开发工具集的新版本μVision 4，软件采用模块化结构设计，可以分为自动校准模块、数据采样处理模块、数据通信模块以及信号发生与移向模块等，结构清晰合理，便于开发、维护与日后升级，同时有助于增强软件的可移植性，提高开发效率。

3 特点
    在火灾监控系统的无线温度传感中，第一逻辑控制电路将温度传感器所测得的温度信息通过控制第一无线收发电路以无线信号发出，无线交互控制单元经第二无线收发电路接收该无线信号，经处理后得出相应的温度信息并送至中央控制单元，最后经显示电路显示或经通讯接口送至上位机；故而火灾监控系统的无线温度传感系统结构简单、安全性和可靠性较高，适于监测高压开关柜中触点的温度。无线温度传感系统能连续监测设备接点的运行温度，可确定触点接头处的过热程度，当发生超温时，发出报警指示。温度传感器被安装到设备内的带电部位上(如断路器及刀闸的上下接口处)，监测仪主机的数字面板表显示出每个带电触头的温度值，并可将温度值通过RS-485接口传到上位计算机作进一步处理，实现设备温度的集中监测。火灾监控系统的无线温度传感系统可应用于地铁、变电站、电厂、电缆、隧道、供热管道、油气管道等场合，特别是地铁的1 500 V直流开关、整流系统和车站400 V重要负荷的设备安全监测。如用于监测高低压输电线缆及母线接头温度、高低压(500 kV～380 V)开关触点温度、输油管道温度及石油化工工艺点温度和干式变压器／油式变压器温度监测。

4 结论
    火灾监控系统的无线温度传感系统，其中无线收发系统主要芯片采用Si4432，其优点在于功率可达100 mW(+20 dBm)，降低波特率的情况下无遮挡传输距离可达500 m以上，或者穿透两层楼。火灾监控系统的无线温度传感系统具有结构简单、安全性和可靠性较高，适于范围广等优点，它能为维护工程师提供准确信息，避免电气火灾的发生，该设计方案应有很广的应用领域和良好的应用前景。