結(jié)合紅外傳感器的室內(nèi)輸電線路老化監(jiān)測系統(tǒng)①

房體強(qiáng),熊衛(wèi)華,黃為民,季瑞松,姜 明,呂銀華

1(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院,杭州 310018)

2(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,杭州 310012)

3(杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,杭州 310018)

4(浙江中辰城市應(yīng)急服務(wù)管理有限公司,湖州 313008)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展,人們的生活水平顯著改善,電氣化程度越來越高,電氣設(shè)備的使用范圍不斷擴(kuò)大[1],家里用上了空調(diào)、熱水器等大功率用電器,但是由于老舊房屋建成使用年份較早,線路老化十分嚴(yán)重,而且線纜一般埋藏在墻體內(nèi)部,人們無法通過肉眼直接觀察到線纜老化情況.大功率用電器長時(shí)間運(yùn)行,容易導(dǎo)致線纜過熱,燒壞導(dǎo)線絕緣層,從而引發(fā)電氣火災(zāi)[1],嚴(yán)重威脅了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全.因此,為了避免因線路老化引發(fā)電氣火災(zāi),設(shè)計(jì)一款室內(nèi)輸電線路老化監(jiān)測系統(tǒng)顯得極為迫切.

許多國內(nèi)外學(xué)者對線路老化檢測方面進(jìn)行了研究與分析.遲嘉等實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)輸電線路熱老化預(yù)測研究,通過在輸電線路周圍部署溫度傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)采集溫度數(shù)據(jù),并使用斷裂伸長率法預(yù)測輸電線路絕緣老化程度,解決了傳統(tǒng)預(yù)測方法無法連續(xù)測量溫度的問題[2],但是斷裂伸長率法具有較大的破壞性,無法實(shí)際應(yīng)用于室內(nèi)完整輸電線路的絕緣檢測.朱斌等提出了基于力傳感器的核電廠電纜絕緣老化檢測分析,采用力傳感器測量絕緣材料的力與壓痕深度來評估線纜絕緣老化狀態(tài),該檢測方法對待測線纜無損傷,同時(shí)具有攜帶方便和測量時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)[3],但是該方法只能檢測裸露在外的導(dǎo)線,無法檢測埋藏在墻體內(nèi)部線纜的絕緣老化情況.鄧桂芳提出漏電電流的大小可以反映導(dǎo)線絕緣的熱老化情況,通過檢測用電系統(tǒng)的漏電電流來掌握電氣線路的絕緣狀態(tài),發(fā)生漏電及時(shí)報(bào)警,并指示漏電方位[4].這種裝置無需人工干預(yù),可長時(shí)間不間斷的監(jiān)測電氣線路中的漏電電流,但是很難根據(jù)漏電方位找到線路老化發(fā)生的具體位置.陸斌提出了基于紅外熱成像技術(shù)的輸電線路關(guān)鍵部位溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),可在不停電、不接觸的情況下準(zhǔn)確監(jiān)測輸電線路運(yùn)行狀態(tài)[5],但是無法準(zhǔn)確定位墻體內(nèi)部線纜的位置.

考慮到這些還沒解決的問題,本文提出了一種結(jié)合紅外傳感器的室內(nèi)輸電線路老化監(jiān)測系統(tǒng),通過霍爾電磁傳感器和紅外傳感器的結(jié)合,準(zhǔn)確定位墻體內(nèi)或配電箱內(nèi)導(dǎo)線的位置,檢測導(dǎo)線溫度,判斷線路老化情況,避免墻體內(nèi)其他熱源的干擾,同時(shí)通過可見光傳感器對待測線纜實(shí)時(shí)監(jiān)控,并對溫度異常部位拍攝照片.本系統(tǒng)可檢測線路老化隱患,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出報(bào)警和相應(yīng)處理,用戶可通過手機(jī)APP 客戶端或PC 客戶端查看線路老化發(fā)生的具體位置,及時(shí)處理老化線纜,避免因線路老化引發(fā)電氣火災(zāi).

1 系統(tǒng)整體方案

室內(nèi)輸電線路熱老化監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F765 為系統(tǒng)架構(gòu)中心,通過紅外傳感器[2]、可見光傳感器和霍爾電磁傳感器分別采集待測線纜的紅外熱成像、可見光成像和電磁力數(shù)據(jù),并根據(jù)采集到的紅外熱成像數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的溫度值,然后通過以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至用戶終端.用戶終端包括PC 端和手機(jī)APP 端,接收設(shè)備發(fā)送的可見光成像數(shù)據(jù)、電磁力數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù).用戶可通過手機(jī)APP 端或PC端進(jìn)行電磁力閾值和溫度閾值的設(shè)置,當(dāng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時(shí),手機(jī)APP 和PC 端程序?qū)⑦M(jìn)行報(bào)警推送,提醒用戶及時(shí)處理老化的線纜.用戶根據(jù)可見光攝像頭拍攝的線路異常部位照片確定線路老化位置,及時(shí)更換老化線纜,避免因線路老化引發(fā)電氣火災(zāi).

2 硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)輸電線路熱老化監(jiān)測系統(tǒng)由7 個(gè)部分構(gòu)成,包括MCU 控制模塊、可見光傳感器、紅外傳感器、霍爾電磁傳感器、以太網(wǎng)通信模塊、POE 電源模塊和用戶終端.室內(nèi)輸電線路熱老化監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 MCU 控制模塊

本系統(tǒng)的主控芯片采用的是ST (意法半導(dǎo)體)公司的STM32F765 芯片.它是一款基于ARM Cortex-M7內(nèi)核的32 位微處理器,內(nèi)部集成512 KB SRAM,主時(shí)鐘頻率最高可達(dá)216 MHz,具有雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元DPFPU,其處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的8、16 位機(jī),而且它還具有與攝像頭通訊的專用DCMI 接口,滿足本系統(tǒng)視頻圖像數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和電磁力數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)男枰?

2.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)由3 種傳感器組成,分別為：紅外傳感器、可見光傳感器和霍爾電磁傳感器.

2.2.1 紅外傳感器

為了實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)輸電線路溫度數(shù)據(jù)的采集,本系統(tǒng)選用邁來芯MLX90621 紅外傳感器模塊[5].MLX90621憑借有效像素16×4 的焦平面陣列,能夠捕獲每張圖像中每一個(gè)像素的精確的、經(jīng)校準(zhǔn)、非接觸式的溫度數(shù)據(jù)[5],并通過I2C 接口與MCU 進(jìn)行通信[6].

2.2.2 可見光傳感器

為了實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和拍攝線纜異常部位圖片的需要,本系統(tǒng)選用OV2640 高清攝像頭模塊.OV2640 支持200 萬像素UXGA 1622×1200 分辨率30 fps 的視頻輸出,并且可直接輸出JPEG 格式的圖像[7].OV2640 通過DCMI 總線與MCU 傳輸圖像數(shù)據(jù).DCMI 總線采用并行傳輸?shù)姆绞?最高可接收54 MB/s 的數(shù)據(jù)流,適合用于本系統(tǒng)異常部位圖片采集和視頻監(jiān)控的需要.

2.2.3 霍爾電磁傳感器

為了定位墻體內(nèi)導(dǎo)線的位置,對墻體內(nèi)電纜與其他熱源進(jìn)行區(qū)分,本系統(tǒng)采用YS-27/3144E 霍爾傳感器模塊檢測墻體內(nèi)導(dǎo)線的磁感應(yīng)強(qiáng)度,它會輸出一個(gè)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比例的數(shù)字電壓信號,送入MCU 中進(jìn)行處理[8].

2.3 通信模塊

本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式進(jìn)行設(shè)備與上位機(jī)之間的通信.以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)芯片W5500、網(wǎng)絡(luò)變壓器HY601680 和RJ45 模塊組成[9].W5500 通過SPI(外設(shè)串行接口)方式與MCU 進(jìn)行通訊,實(shí)時(shí)接收傳感器和視頻數(shù)據(jù).W5500 通過網(wǎng)絡(luò)變壓器HY601680與RJ45 模塊相連,將從MCU 接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)接脩艚K端.

2.4 電源模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分之一,電源模塊的好壞直接決定系統(tǒng)能否正常工作.為了簡化布線,節(jié)約人工成本,本系統(tǒng)采用POE 供電模式,選用士蘭微電子股份有限公司的SD4952B 芯片[6],該芯片支持IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn),用于將48 V 的POE 供電電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流電壓,同時(shí)通過DC-DC 芯片SY8120 將12 V 電壓降壓至5 V,再經(jīng)由LDO (低壓差線性穩(wěn)壓器)電路降壓至3.3 V,為主控制器和其他芯片提供穩(wěn)定的工作電壓.

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由以下4 個(gè)部分組成：溫度數(shù)據(jù)采集、可見光圖像采集、電磁場強(qiáng)度采集和網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì).

3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

MLX90621 紅外傳感器通過探測被測線纜的紅外輻射強(qiáng)度,得到被測線纜的紅外熱圖像,并在內(nèi)部集成了一個(gè)PATA 傳感器用來測量環(huán)境溫度[10],紅外傳感器和PATA 傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲在芯片內(nèi)置RAM中,通過讀取RAM 中相應(yīng)的數(shù)據(jù)以及存儲在EEPROM中的校準(zhǔn)常數(shù)來計(jì)算紅外熱圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的溫度值,并通過I2C 總線將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和紅外輻射溫度數(shù)據(jù)傳輸至MCU,經(jīng)過環(huán)境溫度補(bǔ)償后得到待測線纜絕緣層實(shí)際溫度數(shù)據(jù).

3.2 可見光圖像采集

本系統(tǒng)采用CMOS 圖像傳感器OV2640 拍攝線路異常部位照片及視頻監(jiān)控,通過SCCB 總線傳輸MCU對OV2640 寄存器的配置參數(shù).由于SCCB 總線和I2C總線十分類似,因此MCU 直接通過I2C 總線與OV2640進(jìn)行通訊.為了減少數(shù)據(jù)量,方便網(wǎng)絡(luò)傳輸,本程序直接配置OV2640 輸出壓縮圖像文件格式JPEG.MCU控制器通過DCMI 數(shù)字?jǐn)z像頭接口獲取圖像數(shù)據(jù)流,根據(jù)攝像頭的時(shí)序和硬件連接的要求,配置DCMI 的工作模式為：使用硬件同步,連續(xù)采集所有幀數(shù)據(jù),PIXCLK被設(shè)置為上升沿有效,VSYNC 和HSYNC被設(shè)置為低電平有效,然后通過DMA 傳輸方式進(jìn)行傳輸.DMA傳輸數(shù)據(jù)時(shí)無需占用CPU,傳輸速度快,適合用于傳輸數(shù)據(jù)量很大的圖像數(shù)據(jù).OV2640 輸出圖像時(shí),一幀一幀地輸出,在幀內(nèi)的數(shù)據(jù)按照矩陣的方式逐行輸出每個(gè)像素.MCU 通過連續(xù)接收圖像數(shù)據(jù)就完成了視頻數(shù)據(jù)的采集.

3.3 電磁場強(qiáng)度采集

本系統(tǒng)采用霍爾電磁傳感器采集輸電線路通電時(shí)的電磁場強(qiáng)度,確定線路位置.通常,霍爾元件的輸出電壓與半導(dǎo)體材料的磁場強(qiáng)度成正比,但由于輸出電壓很小,所以一般霍爾電磁器件內(nèi)置差分放大器.因此,MCU 通過檢測傳感器經(jīng)放大后的輸出電壓就可以計(jì)算出被測導(dǎo)線的磁場強(qiáng)度.一般墻體導(dǎo)線距離墻面較遠(yuǎn),因此還需調(diào)節(jié)霍爾電磁傳感器的靈敏度.

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備和上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交互,包括設(shè)備將溫度數(shù)據(jù)、可見光圖像數(shù)據(jù)、電磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸至用戶終端以及用戶終端對設(shè)備發(fā)送的控制指令.本系統(tǒng)通過W5500 模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備與上位機(jī)間的UDP 通信,程序采用輪詢UDP 端口的Sn_IR寄存器方式檢測是否收到上位機(jī)的發(fā)送命令請求,如果接收到請求命令時(shí),首先判斷是否接收到了完整的一幀可見光圖像、溫度數(shù)據(jù)和當(dāng)前區(qū)域的電磁場強(qiáng)度.當(dāng)數(shù)據(jù)全部采集完畢后,MCU 將數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)通過SPI 總線發(fā)送到W5500 模塊的UDP 發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送,一旦接收到發(fā)送指令后,便將溫度數(shù)據(jù)、可見光圖像數(shù)據(jù)和電磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端.系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

4.1 霍爾電磁傳感器測試

為了檢測本系統(tǒng)霍爾電磁傳感器檢測電磁場強(qiáng)度的準(zhǔn)確性,將設(shè)備放入通電載流直螺線管中心位置,霍爾傳感器輸入電壓兩端接5 V 直流電源,調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路中的可調(diào)電阻,使霍爾傳感器補(bǔ)償電路的輸出電壓為0 V.將螺線管兩端通過可調(diào)電阻與5 V 直流電源相連,逐漸增大線圈的勵磁電流,并使用電流表測量線圈的勵磁電流IM,使用電壓表測量霍爾傳感器的輸出電壓U,同時(shí)計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度B,得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用Matlab 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后,如圖3所示：霍爾傳感器的輸出電壓基本上與傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度線性相關(guān),該傳感器工作正常.

圖3 霍爾傳感器輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,本系統(tǒng)霍爾電磁傳感器工作正常,可用于檢測墻體內(nèi)部線纜的電磁場強(qiáng)度,確定線纜位置.

4.2 紅外傳感器和可見光傳感器融合

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)紅外傳感器和可見光傳感器能否正常工作,使用本設(shè)備監(jiān)測室內(nèi)輸電線路的老化情況,并通過手機(jī)APP 和PC 客戶端實(shí)時(shí)呈現(xiàn)待測線纜的可見光圖像和溫度數(shù)據(jù),圖4為手機(jī)APP 的屏幕截圖,圖5為PC 客戶端截圖.其中圖4(a)和圖5(a)為待測線纜的可見光圖像,圖4(b)和圖5(b)為可見光與溫度融合后的圖像,可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的溫度數(shù)值.由圖4和圖5可知,通過可見光傳感器拍攝的線纜未發(fā)現(xiàn)異常,但是通過紅外傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)右側(cè)黑色線纜區(qū)域溫度較高,在50 ℃左右,可能線纜絕緣層發(fā)生了老化,需要及時(shí)更換線纜.通過以上實(shí)驗(yàn)可知,本系統(tǒng)紅外傳感器和可見光傳感器均工作正常,可實(shí)時(shí)監(jiān)控待測線纜的溫度情況,滿足室內(nèi)輸電線路實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和熱老化監(jiān)測的需要.

圖4 手機(jī)APP 屏幕截圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

使用不同線路老化檢測方法對多種材質(zhì)的電纜進(jìn)行線路熱老化檢測速度和準(zhǔn)確率的測試,測試結(jié)果如表2所示.

可以看出本文提出的線路老化檢測方法,相比其他3 種線路老化檢測方法,檢測速度和準(zhǔn)確率較高,而且本裝置無需手動操作,可檢測墻體內(nèi)部導(dǎo)線的老化情況,通過客戶端程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控線纜溫度,相比其他檢測方法更加直觀和便捷.本系統(tǒng)可以預(yù)警線路老化隱患,不僅不會破壞導(dǎo)線,實(shí)際線路還能再利用,可以更好地節(jié)約成本.

圖5 PC 客戶端截圖

表2 不同線路老化檢測方法對比測試結(jié)果

4.4 配電箱驗(yàn)證效果

硬件設(shè)備完好且系統(tǒng)運(yùn)行正常,本裝置可用于監(jiān)測配電箱內(nèi)的線路老化情況,由圖6可知,配電箱內(nèi)兩根紅色導(dǎo)線溫度較高,溫度達(dá)到了40 ℃,線路絕緣層可能發(fā)生了老化.系統(tǒng)將記錄該溫度數(shù)據(jù),當(dāng)該監(jiān)測點(diǎn)溫度連續(xù)10 s 達(dá)到40 ℃以上時(shí),發(fā)出線路老化預(yù)警,提醒工作人員及時(shí)處理.

圖6 配電箱內(nèi)線路老化監(jiān)測

5 結(jié)束語

結(jié)合紅外傳感器的室內(nèi)輸電線路老化監(jiān)測系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測待測線纜的溫度,對墻體內(nèi)線纜和其他熱源進(jìn)行區(qū)分,并對線纜異常部位拍攝照片.用戶可通過手機(jī)APP 或PC 客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控待測線纜狀態(tài)和線纜各部分的溫度情況,發(fā)生隱患及時(shí)報(bào)警,提醒用戶及時(shí)更換老化線纜.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本系統(tǒng)傳感器工作正常,用戶終端界面友好,滿足室內(nèi)輸電線路熱老化監(jiān)測的需要,這給預(yù)防因線路老化引發(fā)電氣火災(zāi)提供了一種切實(shí)可行的解決方案.