基于低功耗蓝牙技术的电缆接头全尺度温度监测装置的设计 Design of Full-Size Temperature Monitoring Device of Cable Joint Based on Low-Power Bluetooth Technology

doi:10.12677/IaE.2019.72013

Instrumentation and Equipments
Vol. 07 No. 02 ( 2019 ), Article ID: 30746 , 12 pages
10.12677/IaE.2019.72013

Design of Full-Size Temperature Monitoring Device of Cable Joint Based on Low-Power Bluetooth Technology

Heng Liu¹, Fan Yang¹, Yalin Fang¹, Peng Yu², Xu Lu², Jinxian Li¹, Zhankai Fang¹

●How to Cite this Article

¹State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, School of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing

²Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd., Shenzhen Gaungdong

Received: May 21^st, 2019; accepted: Jun. 6^th, 2019; published: Jun. 13^rd, 2019

ABSTRACT

Three-core distribution cable joint is one of the unsubstantial parts in power supply system of the distribution network, and temperature is an important index to show the operational condition of it. Based on low-power Bluetooth technology, taking advantage of single chip, which is high integration density and high reliability, this paper designs a sort of full-size temperature monitoring device of cable joint. Firstly, the hardware diagram design of the device has been introduced, and then the selection and properties of the hardware parts have been analyzed. Finally, experiments and practical application have been performed to demonstrate the validity of this device. Monitoring the temperature of the three-core distribution cable joint by this device three-dimensionally, it provides an approach to controlling the overall temperature in real time and accurately analyzing operational condition of cable joint.

Keywords:Cable Joint, Low-Power Bluetooth, Full Size, Three-Dimensional Monitoring

基于低功耗蓝牙技术的电缆接头全尺度温度监测装置的设计

刘恒¹，杨帆¹，方亚林¹，余鹏²，卢旭²，李晋贤¹，房占凯¹

¹重庆大学电气工程学院，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆

²深圳供电局有限公司，广东深圳

收稿日期：2019年5月21日；录用日期：2019年6月6日；发布日期：2019年6月13日

摘要

三芯配电电缆接头是配网供电系统中的薄弱一环，温度是反应电缆接头运行状态的重要指标。本文基于低功耗蓝牙技术，利用单片机集成度高、运行可靠的优势，设计了一种电缆接头全尺度温度测量装置。本文首先介绍了监测装置的硬件框架设计，其次分析了各硬件的特点及选型，最后将该装置进行了实验及现场验证分析。通过该装置对三芯配电电缆接头的温度进行立体测量，为实时掌握电缆接头的整体温度，电缆接头运行状况的准确分析提供了途径。

关键词 :电缆接头，低功耗蓝牙，全尺度，立体测量

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1. 引言

近年来，随着国家工业化和城镇化的发展，国民生产与生活对电力电能的需求量越来越大，投运的电力电缆也越来越多。电缆线路主要由电缆本体及电缆附件组成，它们共同承担着为社会输送电能的艰巨任务。据不完全统计，在实际运行过程中，因电缆附件故障造成的停电事故高达90%，其中以电缆中间接头故障居多。相关研究表明，电缆接头在现场安装过程中，不可避免地会由于操作人员的工作疏忽造成电缆接头的制作缺陷，如压接缺陷，绝缘层划痕等。这些缺陷在电缆的长期运行中，会产生局部过热，进而导致局部放电，加速电缆接头的绝缘老化，给电力线路安全运行带来隐患 [1] [2] [3] 。

目前，针对已入网的三芯配电电缆，通常采用集散式温度监控系统，虽然系统具有一定的效果，但成本较高，特别针对直埋电缆。与此同时，三芯电缆的三相温度由于各相负载并不完全相同，它们之间存在着部分差异。基于以上因素，本文设计一款基于低功耗蓝牙技术的电缆接头全尺度温度监测装置，利用低功耗蓝牙技术，结合立体全尺度温度测量，相对于传统的单点或单线外表皮测温，能更加精确的反应电缆接头的运行温度情况，为电力电缆的运维提供技术支持 [4] - [9] 。

2. 监测装置硬件框架设计

电缆接头温度监测装置整体采用温度采集模块与数据接收终端相分离的结构，无线传输模块接收来自传感器阵列的温度数据，通过天线发送给数据接收终端。系统结构简单、便于模块化集成设计、方便控制。测量装置整体结构如图1所示，温度测量装置系统框图左侧为温度采集模块，右侧为数据接收终端。温度采集模块包括温度传感器阵列，信号调理模块，供电模块以及无线发射模块。数据接收终端包括显示器，数据存储系统以及无线接收模块，负责接收来自采集结点的温度数据，并对温度数据进行实时显示和存储。

Figure 1. Temperature monitoring device system diagram of cable joint

图1. 电缆接头温度监测装置系统框图

电缆接头温度监测装置包括3个传感器阵列，每个传感器阵列包含8个温度传感器。3个测温阵列分别针对电缆接头和接头附近本体进行温度监测。若温度采集节点与温度接收终端采用有线连接，24个温度传感器的接线较为复杂。为了实现采集与接收模块的分离，采用无线传输模块进行数据的传输。无线传输框图如图2所示，每个阵列获取8个传感器的数据，通过无线传输给接收装置。

Figure 2. Wireless transmission block diagram

图2. 无线传输框图

3. 监测装置硬件结构设计

3.1. 温度传感器的选择

目前，随着材料科学的快速发展，用于温度测量的传感器越来越多，市面上常见的温度传感器主要分为热电偶，热电阻，热敏电阻以及半导体集成电路温度传感器。

1) 热电偶

热电偶的结构简单，体积小，方便安装，可靠测温区间为−200℃~1300℃，但是需要附加的补偿回路来保持参考端温度恒定。在复杂的电磁环境下测温精度会受到影响。

2) 热电阻

热电阻的测温精度高，灵敏度优于热电偶，可以测量−200℃~850℃范围内的温度，并且不需要参考点。但是热敏电阻的尺寸较大，热响应时间较长，不适合测量小体积的区域。

3) 热敏电阻

热敏电阻的体积小，结构简单，可以测量−40℃~350℃范围内的温度，但是热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，元件的稳定性较差。目前，常见的热敏电阻一般为铂电阻，该电阻采用三线式平衡电桥输出，信号易受到干扰。

4) 半导体集成电路温度传感器

半导体集成电路传感器也叫数字温度传感器，传感器内部晶体管基极-发射极的正向压降随温度升高而降低。数字温度传感器的成本较低，可靠性高，而且数字信号的抗干扰能力强，特别适合局部测温。

考虑到现场环境电磁环境复杂，为了避免电磁干扰对测温精度产生影响，本装置并未采用传统的热电偶以及热敏电阻传感器，而是选择了高精度数字温度传感器。目前市面上常见的数字式温度传感器有美国Dallas半导体公司的DS18B20，MLX90620，ADT7420等。不同数字温度传感器的相关参数对比如表1所示。

Table 1. Comparison of key parameters of temperature sensor

表1. 温度传感器关键参数对比

通过对DS18B20，MLX90620，ADT7420传感器参数进行对比，最终确定使用ADT7420温度传感器。

温度采集模块采用温度传感器ADT7420，ADT7420是一款LFCSP封装高精度数字温度传感器，可在较宽的工业温度范围内提供突破性的性能。它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位ADC，用来监控温度并进行数字变换，分辨率为0.0078℃，额定工作温度范围为−40℃至+150℃。易于使用，不需要进行校准，低功耗，可长期稳定工作，可靠性高，适用于高精度测温场合 [10] 。

3.2. 温度采集模块的设计

为便于现场安装和测量，将温度采集模块制成小型PCB板，通过排线进行连接。ADT7420连接电路如图3所示。由于需要在现场布置大量温度传感器，为了节省I/O口资源，同时保证通信速率在一个较高的水平，采用数字I²C接口通讯。只需要两条总线线路，一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL，串行的8位双向数据传输位在高速模式下传输速率可达3.4 Mb/s。

Figure 3. Connection circuit of ADT7420

图3. ADT7420连接电路

3.3. 温度采集模块的布置

电缆接头温度监测装置对电缆接头及其附近本体的温度进行实时监测，传感器阵列的全尺度布置示意图如图4所示。考虑到电缆接头为圆柱状结构，为实现温度采集模块的现场安装，温度传感器阵列的固定装置设计如图5所示。采用如下方式进行安装：① 将温度采集模块的PCB板紧扣于卡槽中，卡槽中间开圆弧形通孔，使用扎带将卡槽紧贴于电缆接头表面。② 卡槽后方开螺纹孔，使用螺母将刚扎带旋紧，起到固定作用。③ 通过扎带的伸缩，可实现对不同直径的电缆接头表皮温度数据测量。

Figure 4. Surficial sensor array layout of power cable joint

图4. 电力电缆接头表面传感器阵列布置示意图

Figure 5. Temperature sensor array

图5. 温度传感器阵列图

3.4. 数据传输模块的设计

温度数据的无线传输采用低功耗蓝牙技术，选择TI公司推出的兼容BLE协议的SOC芯片CC2541。该芯片具有适用范围广，快速启动并迅速连接，功耗低，体积小的优势。其有四种工作模式，包括主机模式，从机模式，观察模式以及广播模式。由于温度监测装置包含三个温度传感器阵列，采用3个蓝牙从机分别对每个传感器阵列你的温度数据进行无线传输。为避免不同蓝牙从机相互干扰，将主机和从机一一配对使用形成透传。主机和从机进行数据交换时，首先要保证主机和从机的蓝牙建立连接。主机和从机在上电以后，从机开启广播，主机对从机广播进行扫描，当从机接收到主机的扫描请求后，会向主机发送扫描回应数据，之后主机发起链接，连接建立以后主从机可进行数据交换。

数据传输模块控制芯片采用STM32L052C8T6超低功耗芯片，负责接收来自温度采集模块的信号，进行处理后传送给CC2541芯片 [11] 。微控制器STM32L052C8T6的外围电路如图6所示，包含复位电路和调试接口电路以及外围接口。针对调试接口电路，一般常用的是Jlink下载器，但是这种下载器使用的是JTAG 20PIN接口，太多的PIN会导致数据传输模块的PCB板拥挤。故采用选择SWD接口下载调试的方案，只需要使用4个PIN：GND、RST、SWDIO和SWDCLK，而且下载速度可以达到10 M/s，优势相较于JTAG接口显而易见。无线传输模块通过两个排插P1和P2与外部的温度采集模块进行连接，每个排插最多可以连接4个ADT7420温度传感器。

Figure 6. Circuit of data transmission module

图6. 数据传输模块电路

3.5. 单片机核心处理模块的设计

主控芯片STM32F103ZET6与CC2541电路连接电路如图7所示。3个CC2541模块工作于主机模式，而另外三个传感器阵列的收据传输模块的CC2541模块工作于从机模式。控芯片STM32F103的外围电路包括时钟电路以及调试接口电路。时钟模块分别采用8 MHz和32.768 KHz的晶振，调试接口电路，采用20针的JTAG接口，通过Keil软件将程序下载到STM32芯片中。

Figure 7. Connection circuit between main control chip and CC2541

图7. 主控芯片与CC2541连接电路

3.6. 供电电源的设计

电缆接头温度监测装置采用锂电池对其进行供电，可实现7.6 V直流电源输出，电量达10,000 mAh，对于监测系统主控模块来说，串口电阻触摸屏DC80480B07的输入电压为5 V，微处理器STM32F103ZET6的输入电压均为3.3 V，为满足其电路模块对电压的要求，采用电源转换芯片TPS54331和LM117实现7.6 V到5 V电压变换和5 V到3.3 V电压变换。电压变换电路如图8和图9所示。

Figure 8. Voltage conversion circuit of 5 V

图8. 5 V电压变换电路

Figure 9. Voltage conversion circuit of 3.3 V

图9. 3.3 V电压变换电路

采用单稳态施密特触发器SN74LVC1G14DBV和单上升沿触发器SN74LVC2G74DCT设计按键开关电路，通过按键驱动SN74LVC1G14DBV提供触发信号，SN74LVC2G74DCT输入D与输出Q的非门相接，形成反相器。可实现由按键控制电源转换芯片TPS54331的控制端PCON。按键开关电路连接图如图10所示。

Figure 10. Key switch circuit

图10. 按键开关电路

3.7. 串口通信电路的设计

为实现测温装置与上位机进行通信，系统预留了串口通信模块。本装置采用RS232串口作为数据收集终端与上位机的通信手段，该种通信方式简单，便于开发。由于一般上位机不自带RS232接口，考虑到现场实际情况，采用桥接芯片CH340G实现USB与UART之间的转换。通过在计算机安装CH340G驱动程序，计算机的USB接口将可作为虚拟串口，实现USB与UART的转换，实现RS232串口通信。串口通信电路如图11所示。

Figure 11. Serial communication circuit

图11. 串口通信电路

3.8. SD卡存储系统设的设计

在整个测温系统中，采集的温度信号会先存储在微控制器ARM芯片内部闪存存储器内，并实时的将采集数据存入其内部缓存区，然后备份到外部的大容量SD卡中。STM32微控制器对SD卡进行读写操作时，可以选择SPI和SDIO两种通信接口，本装置由于SDIO接口已被占用，故采用SPI通信接口，该通信模式可保证数据传输过程安全、可靠、正确。SD卡存储模块电路如图12所示。

Figure 12. Storage circuit of SD card

图12. SD卡存储电路

为了将采集到的温度数据保存到SD卡中，本系统中使用了FatFs文件系统。FatFs是一个专门为小型嵌入式设备设计的FAT文件系统。其具有较高的灵活性、可配置性，最小配置仅使用1K的RAM空间。FatFS不依赖硬件架构，完全与储存IO层解耦，可以备嵌入到低成本的为微控制器，如AVR、8051、ARM等类型设备，而不需要做任何修改。通过FatFs文件系统来管理SD卡文档，可以方便的在电脑上打开数据，数据保存格式采用CSV文件格式。

4. 装置测试与应用

4.1. 测温装置的测试

通过在实验室搭建模拟电缆平台，利用石墨棒模拟电缆导体，填充硅胶作为绝缘材料，使用恒流源为模拟电缆接头提供负荷。分别采用FLIR SC7000红外热像仪和电缆接头温度监测装置对于电缆表皮温度数据进行采集 [12] 。为了保证红外热像仪的测温精度，在电缆接头表面缠绕黑色胶布，保证接头表面的辐射系数为0.98。两种不同测温方式的示意图如图13所示。

(a) 红外测温 (b) 传感器测温

Figure 13. Diagram of different temperature measurement methods

图13. 不同测温方式示意图

在模拟电缆试验平台进行两组工况试验，分别设置恒流源的电流为10 A和15 A，同时展开温度监测。电缆表面温度达到稳定以后，记录下两组测温方式的数据如表2所示。当负荷电流为10 A时，红外测温值为33.38℃，传感器测温平均值为33.57℃，绝对误差为0.19℃；负荷电流为15 A时，红外测温值为51.99℃，传感器测温平均值为52.35℃，绝对误差为0.36℃。

Table 2. Temperature measurement comparison from the surface of cable

表2. 模拟电缆表面温度测量值对比

4.2. 测温装置的应用

为了保证装置能够在现场可靠工作，在某线三根35 kV三芯配电电缆入地端展开温度监测。在完成不同三根电缆进行清洁后，对三组传感器阵列中的传感器进行标记，传感器布置示意图如图14所示。

Figure 14. Sensors layout diagram

图14. 传感器布置图

监测期间，三根电缆表面温度数据如表3~表5所示。三根电缆表面温度分布均匀，均未发生过热现象。1号电缆表面温度稳定在12.1℃，2号电缆表面温度稳定在12.2℃，3号电缆表面温度稳定在12.3℃。

Table 3. Temperature data of No. 1 cable (sensor array 1)

表3. 一号电缆表面(传感器阵列1)温度数据

Table 4. Temperature data of No.2 cable (sensor array 2)

表4. 二号电缆表面(传感器阵列2)温度数据

Table 5. Temperature data of No. 3 cable (sensor array 3)

表5. 三号电缆表面(传感器阵列3)温度数据

5. 结论

论文对电缆接头温度监测装置进行了设计，基于模块化设计方案，分别对温度采集模块，数据传输模块和数据收集终端进行设计。选用ADT7420高精度温度传感器，测温精度可达到0.2℃。24个温度传感器构成三个测温阵列，通过基于BLE协议的CC2541对温度数据进行无线传输，无线传输距离达到50 m。以STM32F103微控制器为核心的温度数据收集终端对电缆接头及两段本体的温度数据进行接收、显示以及实施存储，能为电缆接头内部故障检测提供大量数据。

测温装置分别在实验室模拟电缆平台进行了测试，利用红外成像仪对装置的有效性及准确性进行了验证。最后，装置在电缆线路现场展开了应用，测温效果良好，结果表明，该装置可对电力电缆温度数据进行实时准确监测，为电缆线路运行和维护提供了新的方法。

基金项目

本论文工作得到中国南方电网有限责任公司科技项目(10~20 kV交联聚乙烯电缆附件内部缺陷诊断新技术研究及应用，090000KK52170137)的支持。

文章引用

刘恒,杨帆,方亚林,余鹏,卢旭,李晋贤,房占凯. 基于低功耗蓝牙技术的电缆接头全尺度温度监测装置的设计
Design of Full-Size Temperature Monitoring Device of Cable Joint Based on Low-Power Bluetooth Technology[J]. 仪器与设备, 2019, 07(02): 86-97. https://doi.org/10.12677/IaE.2019.72013

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