Организация системы температурного мониторинга на воздушной линии электропередачи 110-220 кВ.
Для построения системы температурного мониторинга необходимо было рассмотреть и выбрать ряд комплектующих устройств:
1) Температурный датчик
2) Приемник и передатчик цифровой информации
3) Микроконтроллер
4) Источник питания
Также стояла задача построения корпуса системы, выбора конструкции и материала.
При разработке системы температурного мониторинга был выбран путь на использование компонентов с малым энергопотреблением, низкой стоимостью, и малыми габаритами.
Температурный датчик
Самым главным элементом системы температурного мониторинга является, конечно же, сам температурный датчик. С появлением специализированных микросхем, которые сразу преобразуют температуру в цифровой код, построение термометров значительно упростилось. Наибольшее распространение среди этих микросхем цифровых термометров получили датчики семейства DS18x20 (рис.4.1) фирмы "Dallas" (с недавних пор это уже "Maxim"). Первой из этого семейства была микросхема DS1820. В настоящее время она уже не выпускается, ей на смену пришли микросхемы DS18S20 и DS18B20.
Микросхема цифрового термометра семейства DS18x20 уже откалибрована на заводе и обеспечивает измерение температуры в диапазоне от –55 до +125°C с дискретностью 0.5°C. Ходе испытаний (приложение Б) было получено подтверждение того, что цифровой термометр DS18B20 может выдерживать в течение длинного промежутка времени температуру провода более 120°C, следовательно, при непосредственном контакте с проводом, датчик не повредится при длительных перегрузках ВЛ.
Гарантированная точность составляет ±0.5°C в диапазоне от –10 до +85°C и ±2°C во всем диапазоне рабочих температур. Типичная кривая ошибки измерения температуры приведена на рис. 4.2. С помощью дополнительных вычислений дискретность представления температуры может быть уменьшена до 0.0625°C.
Рисунок 4.1. — Внешний вид микросхемы цифрового термометра семейства DS18x20
Стоимость микросхемы составляет примерно 2$, а главной особенностью является возможность работы в режиме паразитного питания, т.е. пока в датчик отправляются данные, конденсатор внутри его заряжается и его заряда хватает для питания датчика, пока тот отправляет ответ. Таким образом, количество проводов для подключения датчика уменьшается до двух, но и расстояние при этом, на которое датчик может быть удалён, сокращается примерно до 100-300 метров.
Приемо-передатчик
В процессе изучения рынка устройств беспроводной передачи данных были найдены однокристальные трансиверы, работающие на пока что нераспространённом протоколе. Это сравнительно новая разработка компании Nordic Semiconductor. Принципиальной особенностью этих трансиверов является наличие полностью интегрированного протокола передачи данных, не требующего никаких внешних ресурсов. Этот протокол передачи данных, называемый ANT, был разработан компанией Dynastream Innovations. Он вполне способен конкурировать с такими популярными интерфейсами, как ZigBee и Bluetooth (табл.4.6), работающими по протоколу 802.15.
Таблица1. — Сравнение беспроводных стандартов.
| Параметры | ANT | Bluetooth | ZigBee Alliance |
| Несущая частота, ГГц | 2,4 | 2,4 | 2,4 |
| Модуляция | GFSK | GFSK | QPSK |
| Скорость передачи данных, Кбит/с | |||
| Частотных каналов |
| Таблица 2. | |||
| Внешние системные ресурсы, Кб | нет | ||
| Поддерживаемые типы сетей | «Звезда», «точка-точка» | «точка-точка» | «Звезда», «точка-точка» |
| Минимальная конфигурация | Передатчик или приёмник | Передатчик | Передатчик |
В первую очередь данный протокол разработан для компактных устройств с автономным питанием (трансиверы, использующие этот протокол, отличаются исключительно малым током потребления) для передачи относительно малых пакетов данных. Протокол позволяет организовывать открытые и частные типы беспроводных сетей, в том числе сложного типа с динамической конфигурацией; он создан на основе технологии PAN (Personal Area Network) и поддерживает слои 1 – 4 стека OSI (Open Systems Interconnection network model). Типичное применение такого протокола – беспроводные датчики. Несущая частота протокола ANT – 2,4 ГГц, количество частотных каналов при этом равно 125 (шаг 1 МГц в диапазоне 2400...2524 МГц). Скорость передачи данных по радиоканалу (включая протокол) может составлять до 1 Мбит/с. Примерами трансиверов, работающих на данном протоколе, являются nRF24AP1, NRF24L01 и NRF24L01+.
В однокристальный трансивер nRF24AP1 интегрирован полностью аппаратно реализованный протокол ANT, синтезатор частоты, усилитель мощности, модулятор и кварцевый генератор для цифрового интерфейса (рис.4.10). Трансивер имеет цифровой последовательный интерфейс, имеющий возможность работать в синхронном и асинхронном режиме для подключения к управляющему микроконтроллеру.
Микроконтроллер
Не имея большого опыта в разработке электронных устройств и в программировании, было принято решение использовать такие платформы, отличающиеся наибольшей простотой в использовании. Одной из таких является платформа Arduino.
Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования (C/C++), а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Информация об устройстве платы находится в открытом доступе и может быть использована теми, кто предпочитает собирать платы самостоятельно.
Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (ATmega328P и ATmega168 в новых версиях и ATmega8 в старых), а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5В или +3,3В. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором (в некоторых версиях керамическим резонатором). В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен.
Источник питания
Изначально планировалось в качестве источника питания применить тороидальный трансформатор тока, но, учитывая такое низкое потребление элементов автономного устройства, имеется реальная возможность использовать более простые и дешёвые источники питания, например, солнечные элементы. К тому же найти трансформатор тока с подобными параметрами намного труднее.
Составная часть солнечной батареи - это фотоэлементы, внешне выглядят как полоски или квадратики. Солнечная батарея позволяет преобразовывать радиацию солнца в полезный для человека вид энергии – электричество.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Промэлектроника [Электронный ресурс]: Преимущества тороидальных трансформаторов перед обычными трансформаторами с шихтованными сердечниками - Лента новостей. - Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: http://www.promelec.ru/company/news/280/, свободный.
2. НИКС [Электронный ресурс]: WiFi: беспроводные сети. - Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: http://www.nix.ru/support/faq/show_articles.php?number=596&faq_topics=WiFi-802.11, свободный.
3. Nordic Semicondacer. Single chip 2.4 GHz Transceiver with Embedded ANT protocol. nRF24AP1 product specification [Текст]. September 2006. 25 с.
4. Nordic Semicondacer. Single chip 2.4 GHz Transceiver with Embedded ANT protocol. nRF24L01 product specification [Текст]. July 2007. 74 с.
5. Nordic Semicondacer. Single chip 2.4 GHz Transceiver with Embedded ANT protocol. nRF24L01+ product specification [Текст]. September 2008. – 78 с.