摘 要： 隨著小型分布式發電機的廣泛應用，發電機的穩定運行和便捷維護的重要性日益突出，設計一個對分布式發電機的遠程監測系統具有相當的實用價值。針對發電機的特殊使用環境和應用背景，提出了一種新型的低成本的基于Wi-Fi的發電機遠程監測系統，探討了系統的基本原理和實現方法，并給出了系統的部分軟硬件設計方案及硬件電路圖。
關鍵詞： 遠程監控；Wi-Fi；單片機；過零點檢測；同步發電機；傳感器
0 引言
現代社會人們對電能的依賴越發明顯，發電機作為電能的產生裝置，在系統中有著舉足輕重的地位。對發電機工作狀態的監視與診斷，對于整個電站的維護、故障診斷與維修起著基礎性作用[1]。在人們的生活中，小型分布式發電機的應用場景越來越多，醫院、礦井等越來越多的場合使用小型分布式發電機，越來越分散的發電機應用場所給其使用和維護帶來諸多不便。基于嵌入式技術的遠程監控系統能夠很好地解決現場的生產和遠程監控之間的矛盾。
1 系統設計方案
基于Wi-Fi的發電機遠程監測系統是根據使用環境和應用設計的由數據采集、數據分析處理、數據傳輸組成的一個有機整體。現代社會中使用的交流電能幾乎全由同步發電機產生[2]，故本方案的監測對象為單相交流同步電機，監測的主要參數主要包括：發電機的溫升、發電機的輸出電流電壓和電壓相位等。圖1是系統框圖，系統主要由單片機、信號采集模塊和數據傳輸模塊等部分組成。信號采集模塊主要實現交流電信號的調理，工頻電壓電流經過霍爾傳感器轉為較低的交流電壓電流信號，再通過調理電路將電壓電流調理到單片機AD采集的電壓范圍；同時經過霍爾傳感器的工頻電壓信號經過過零點檢測電路監測電壓信號頻率，同步發電機的溫度信號由溫度傳感器轉換后送至單片機采集，發電機的實時電壓電流信號和發電機的溫升經由單片機采集后，在單片機中對數據分析處理并打包，最后將經過處理后的數據通過數據傳輸模塊上傳至上位機，由上位機實時顯示發電機的運行參數和運行狀態。
2 系統硬件設計
2.1 傳感器的選型
系統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
發電機輸出的電壓、電流信號需要通過電壓、電流傳感器將大信號轉換為適當的信號之后進行調理，而電壓、電流傳感器的轉換精度將直接影響檢測結果，因此需要選用轉換精度較高的傳感器。
電壓、電流傳感器的具體選型和詳細參數如表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算得到其電阻值。其電阻與溫度的關系如下：
Rt=Ro（1+A×T+B×T2）（1）
其中，Ro、A、B為常數。
2.2 調理電路的設計
2.2.1 電流電壓采樣調理電路
發電機輸出的電壓電流不可以直接送至單片機采集，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行調理。第一步主要是采用霍爾電壓、電流傳感器將交流電壓、電流信號轉化為-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號。對于調理電路，則是將-4 V~+4 V的隔離弱電模擬信號轉換成適合A/D采樣的0~3 V信號。圖2所示為電壓調理電路。
圖2中采用的是雙輸入雙輸出的運算放大器LM358，為了防止輸入信號過大，通過二極管D3、D4設計了電壓鉗位電路，將電壓控制在0~3.3 V之間。由電壓信號調理電路圖不難求得輸入輸出信號之間的關系，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為單片機的AD采集輸入端口。
與電壓采集類似，發電機的輸出電流也不能直接送至控制器采集，其調理電路與電壓調理電路類似，這里不再詳盡敘述。
2.2.2 電壓過零檢測電路
為實時監測發電機的輸出電壓頻率，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行比較，將高于零的電壓信號在LM339輸出端置為高電平，若發電機的輸出為正常正弦電壓，則通過過零點檢測電路得到與其同頻的方波信號。圖4為利用過零點檢測電路得到的示波器波形。轉換后的方波再由單片機通過外部中斷捕獲其上升沿，從而可以實時地跟蹤發電機的頻率變化。
2.3 MSP430單片機
單片機是系統的控制中心，協調著整個系統的運作，所以必須要有較高的響應速度和豐富的外設資源[3]。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司（TI）近年開發的新一代單片機，是一種超低功耗、具有精簡指令集的16位混合型單片機，它具有方便靈活的開發手段和豐富的片內外設[4]。本系統中使用的MSP430F149單片機其價格低廉且功耗極低，同時還具有豐富的片上資源，另外還有60 KB的系統內可編程Flash，1 KB用戶可編程內部修改空間，2 KB的內部RAM，開發簡單，易于使用。
2.4 無線傳輸模塊
本系統中無線傳輸是聯系發電機現場監控和遠程監控平臺的紐帶。Wi-Fi是一種目前得到廣泛應用的短距離無線通信協議，具有成本低、部署方便等優勢[5]。本系統設計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、快速地使用實現組網及數據收發等。它通過串口與單片機控制器相連接，支持AT命令及數據透明傳輸模式，由單片機控制其實現數據傳輸。其內嵌完整的TCP/IP協議棧，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640 kb/s，滿足系統數據傳輸的要求。
2.5 單片機與無線傳輸模塊及調理電路的連接
單片機與無線傳輸模塊、電流電壓調理電路、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 控制器軟件程序設計
3.1 控制器主程序設計
控制器程序設計主要包括RAK410配置部分、配置信息存儲部分、數據采集部分、數據打包部分以及數據傳輸部分。其流程圖如圖6所示。為考慮低功耗運行，系統在沒有數據采集或者沒有數據傳輸的任務時進入低功耗睡眠狀態，等待有任務到達時，再從中斷喚醒，進入激活工作狀態。
3.2 RAK410模塊配置程序
單片機通過串口發送AT指令配置RAK410模塊的工作模式并控制其傳輸數據，同時單片機保存了模塊的配置信息，首次開機完成配置后，再次啟動時無需再配置模塊即可加入網絡傳輸數據。為保證配置和傳輸信息的可靠性，RAK410通過創建Ad-Hoc網絡與上位機通信進行模塊參數的配置；傳輸數據時，RAK410以客戶端的方式加入AP網絡。
MSP430F149片上Flash程序存儲器中有1 KB的用戶數據空間，此部分空間可以通過編程實現內部修改，本系統利用這部分存儲空間存儲RAK410的配置參數，存儲的配置參數主要包括：待加入的無線網絡的SSID、密鑰，待連接的服務器的域名、端口號等。
3.3 數據采集部分程序
根據香農采樣定理，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，不難得出本系統中每隔5 ms采樣一次電壓電流滿足采樣定理。系統主程序在完成定時器和ADC轉換器等的初始化后，執行_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）函數，進入低功耗睡眠等待狀態，此時除ACLK時鐘（可選作外設時鐘）激活外，CPU等其他時鐘信號均關閉；當5 ms采樣定時時間到后進入ADC采樣中斷激活CPU，并觸發AD數據采集、數據打包發送等一系列的操作。
當過零檢測電路輸出上升沿時，觸發單片機的外部中斷，喚醒CPU，從第一次進入外部中斷后開始計時，到下一次進入外部中斷停止計時，兩次中斷的間隔時間剛好為交流電壓的一個周期。再經過計算得到其實際的頻率并將其保存，待完成一次數據采集后一起發送至上位機。
4 系統調試結果
為了驗證設計的可行性，編寫了一個基于LabVIEW的上位機監視平臺，該上位機用于接收下位機上傳的數據并將其顯示出來。實驗在電力綜合實驗室進行，實驗以實驗室的一臺三相同步發電機作為監測對象，三相同步發電機由一臺直流電機拖動，將發電機的輸出接到三相對稱160 Ω的負載電阻上，并引出其中一相接到監測系統上，同時引出發電機的溫度傳感器的接線。
實驗結果調試圖如圖7所示。上位機上主要顯示了下位機的IP地址和上位機的采集數據，其中采集數據包括發電機的電壓電流、發電機輸出電壓頻率以及發電機溫度等，其中信號均以波形圖的形式顯示。由圖7可以看出，下位機采集的動態IP獲取的地址為192.168.1.106，且發電機的輸出接在阻性負載上，故輸出同頻同相。圖中顯示的發電機輸出頻率基本穩定，發電機內部電樞溫度隨著開機時間的增加而緩慢升高。
5 結論
本文介紹了一種基于Wi-Fi的發電機遠程監控系統的設計，與其他監控系統相比，該系統具有3點優勢：（1）價格低廉，具有較強的市場競爭優勢；（2）方法新穎，提出了一種采用過零點檢測電路與單片機外部中斷相結合的方式檢測交流電壓的頻率方法，通過實驗取得了很好的效果；（3）系統功耗低，結構簡單，系統理論上能夠以幾十微安的功耗待機，在發電機發生緊急停機后能夠支持更長的待機時間。本設計能夠以非常低的成本和非常小的空間附加到發電機上，更大程度地方便用戶的使用和技術人員的管理。
參考文獻
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