基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法及其装置

摘要

本发明公开了一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法及其装置，属于电能表检测技术领域，其通过电能表检验装置对电能表提供标准电压电流，然后通过无线温度传感节点测试电能表表面温升检测区域的温度，并将该温升信息通过无线网传输给上位机；最后再通过上位机接收无线温度传感节点发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值25℃进行作差值比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的电能表表面温度检测区域为存疑区域，本发明不仅能够快捷、检测电能表表面温升数据，而且能够精确定位电能表表面温升位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够通过无线传感网精确检测定位电能表温升方法及其装置，属于电能表检测技术领域。 

背景技术

智能电能表温升检测项目按照国家标准GB/T 17215.211-2006（等同国际标准IEC 62052-11-2003）中7.2条，具体要求为“仪表每一电流线路通以额定最大电流，每一电压线路（以及那些通电周期比其热时间常数长的辅助电压线路）加载1.15倍参比电压，外表面的温升在环境温度为40℃时应不超过25K。在2h的试验期间，仪表不应受到风吹或直接的阳光照射。” 

目前测量智能电能表温升有2种基本方法。一种是通过平面红外热像仪测量，但平面热像仪是非接触式的，存在较大误差，且不能长期在40℃时，无法对多表位进行同时测量；另一种方法是通过接触式温度计（如温度巡检仪）等进行测量，将多条温度传感器与智能电能表表面粘贴连接，进行实时测量，这样带来的问题是对多表位多温度测量点测量，有很多的连线，测量过程十分繁琐。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够快捷、检测电能表外表面温升以及精确定位电能表表面温升位置的基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法及其装置。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法，包括以下步骤：步骤一，在恒温恒湿室内设置一个以上的电能表，并对电能表进行编号区分；对每个电能表的6个表面按各自面分成一个以上的温度检测区域，并将该温度检测区域进行编号区分；步骤二，通过电能表检验装置对电能表提供标准电压电流；步骤三，通过无线温度传感节点测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机；步骤四，上位机接收无线温度传感节点发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值进行作差值比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的温度检测区域为存疑区域。 

进一步地：对具有存疑区域的电能表进行1次以上更换无线温度传感节点检测，并对同一电能表的同一温度检测区域检测到的温度取算术平均值，将该平均值与温度阈值进行比较，当平均值大于阈值，判定该温度检测区域所在的电能表不合格。 

优选的：所述电能表检验装置给电能表提供标准电压电流为电能表最大额定电流和1.15倍电能表参比电压；所述恒温恒湿室内的环境温度为40℃，湿度为常态环境湿度；所述无线温度传感节点的每次采样周期不长于3秒，且整个检测时间为2小时。 

优选的：所述电能表的个数为50个；所述每个面相对应的温度检测区域的个数为50个，所述温度检测区域均匀分布于电能表表面；所述温度信息包括温度检测区相对应的温度、电能表的编号以及温度检测区域编号；所述温度阈值的大小为25℃；更换无线温度传感节点次数为3次。 

本发明的另一个目的，还提供一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位装置,包括内部设有电能表支架的恒温恒湿室，所述电能表支架用于安装电能表，且所述电能表的6个表面各分别均匀分布设置一个以上的温度检测区域，以及设置于所述恒温恒湿室外部的无线接收模块、上位机以及电能表检验装置，所述电能表检验装置的一端、无线接收模块均与上位机相连，且所述电能表检验装置的另一端与电能表相连，且所述上位机通过电能表检验装置给电能表提供标准电压电流；还包括无线温度传感节点，所述无线温度传感节点用于测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机；所述无线温度传感节点包括微控制单元，以及分别连接所述微控制单元的无线通讯模块、Flash存储模块、温度采集模块、电源模块；所述温度采集模块包括一个以上的温度传感器，且所述温度传感器设置于温度检测区域上；其中所述温度采集模块用于温度检测区域的温度检测，并将温度传送给微控制单元；所述Flash存储模块用于存储温度传感器的无线地址配置信息，所述无线地址配置信息为电能表的编号以及温度检测区域编号，并将该无线地址配置信息发送给微控制单元；所述微控制单元用于接收温度采集模传送的温度，用于接收Flash存储模块传送的无线地址配置信息，经过逻辑运算，将温度与无线地址配置信息对应起来形成温度信息，并将该温度信息发送给无线通讯模块；所述无线通讯模块用于将温度信息通过无线网络传递给无线接收模块；所述电源模块用于给微控制单元提供电源；所述无线接收模块用于接收无线通讯模块传送的温度信息，并将该温度信息传送给上位机；所述上位机用于接收无线接收模块发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值进行作差比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的温度检测区域为存疑区域。 

优选的：所述上位机对具有存疑区域的电能表进行1次以上更换无线温度传感节点检测，并对同一电能表的同一温度检测区域检测到的温度取算术平均值，将该平均值与温度阈值进行比较，当平均值大于阈值，判定该温度检测区域所在的电能表不合格。 

优选的：所述电源模块包括锂电池电源模块、电量采集模块、DC-DC模块、充电模块；所述锂电池电源模块均与充电模块、电量采集模块的一端、DC-DC模块的一端连接，同时所述电量采集模块、DC-DC模块的另一端与微控制单元连接；所述DC-DC模块用于给微控制单元提供直流稳压电流；所述电量采集模块用于测量锂电池电源模块的电量，并将该电量信息发给微控制单元，所述微控制单元将该电量信息通过无线网络传送给上位机显示出来；所述充电模块用于给锂电池电源模块充电。 

优选的：所述电能表检验装置给电能表提供标准电压电流为电能表最大额定电流和1.15倍电能表参比电压；所述恒温恒湿室内的环境温度为40℃，湿度为常态环境湿度；所述无线温度传感节点的每次采样周期不长于3秒，且整个检测时间为2小时；所述电能表的个数为50个；所述每个面相对应的温度检测区域的个数为50个，所述温度检测区域均匀分布于电能表表面；所述温度阈值的大小为25℃；更换无线温度传感节点次数为3次。 

优选的：所述温度传感器均通过不同的GPIO口与微控制单元连接。 

有益效果：本发明提供的一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法及其装置，相比现有技术，具有以下有益效果： 

1. 由于通过无线温度传感节点测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机，因此其能够对电能表的表面上的温度检测区域检测，因此测量通过接触式测量，因此其结果比平面热像仪是非接触式的测量结果精度可靠，同时其采用无线网络传输信息，因此其比接触式温度计测量方便，同时减少数据之间的实线传输，降低了结构的复杂度，因而结构简单。

2.由于通过无线温度传感节点测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机；然后通过上位机接收无线温度传感节点发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值进行作差比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的温度检测区域为存疑区域。因此其能够很快的确定出哪一个电能表以及该电能表的哪个面上的温度检测区域。 

3．由于每个电能表的6个表面按各自面分成一个以上的温度检测区域，所述无线温度传感节点检测温度检测区域的温度，因此其比通过在同一个平面不同的点（温度检测区域）同时测量，进一步的减少因为测量而造成的误差，因而其测量结果更精确。 

4. 由于所述上位机对具有存疑区域的电能表进行1次以上更换无线温度传感节点检测，并对同一电能表的同一温度检测区域检测到的温度取算术平均值，将该平均值与温度阈值进行比较，当平均值大于阈值，判定该温度检测区域所在的电能表不合格，因此其通过重复检测，剔除了存在因为传感器误差造成测量电能表结果出错的影响，因而其测量结果进一步的得到提高。 

5. 由于所述温度传感器均通过不同的GPIO口与微控制单元连接，因此每块无线温度传感节点检测中的50个温度传感器分别与微控制单元的50个GPIO口相连接，而不是将50个温度传感器挂在一根总线下连接到微控制单元；这是因为主在系统的实际使用过程中，如果50个温度传感器都使用同一个GPIO口进行控制，其中有一路传感器损坏，用户将无法辨别具体是哪一路传感器发生异常，因此50个温度传感器连接在一根总线上会增加传感器更换的难度，本发明的结构很好的解决了该问题。 

附图说明

图1为一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位装置的结构示意图； 

图2为无线温度传感装置结构示意图；

图3为温度测量电路设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

一种电能表温升精确检测定位方法，如图1-3所示，一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位方法，包括以下步骤：步骤一，在恒温恒湿室内设置一个以上的电能表，并对电能表进行编号区分；对每个电能表的6个表面按各自面分成一个以上的温度检测区域，并将该温度检测区域进行编号区分；步骤二，通过电能表检验装置对电能表提供标准电压电流；步骤三，通过无线温度传感节点测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机；步骤四，上位机接收无线温度传感节点发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值进行作差值比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的温度检测区域为存疑区域。 

对具有存疑区域的电能表进行1次以上更换无线温度传感节点检测，并对同一电能表的同一温度检测区域检测到的温度取算术平均值，将该平均值与温度阈值进行比较，当平均值大于阈值，判定该温度检测区域所在的电能表不合格。 

所述电能表检验装置给电能表提供标准电压电流为电能表最大额定电流和1.15倍电能表参比电压；所述恒温恒湿室内的环境温度为40℃，湿度为常态环境湿度；所述无线温度传感节点的每次采样周期不长于3秒，且整个检测时间为2小时。 

所述电能表的个数为50个；所述每个面相对应的温度检测区域的个数为50个，所述温度检测区域均匀分布于电能表表面；所述温度信息包括温度检测区相对应的温度、电能表的编号以及温度检测区域编号；所述温度阈值的大小为25℃；更换无线温度传感节点次数为3次。 

一种基于无线传感网的电能表温升精确检测定位装置，如图1所示,包括内部设有电能表支架的恒温恒湿室，所述电能表支架用于安装电能表，且所述电能表的6个表面各分别均匀分布设置一个以上的温度检测区域，以及设置于所述恒温恒湿室外部的无线接收模块、上位机以及电能表检验装置，所述电能表检验装置的一端、无线接收模块均与上位机相连，且所述电能表检验装置的另一端与电能表相连，且所述上位机通过电能表检验装置给电能表提供标准电压电流。 

如图2、3所示，还包括无线温度传感节点，所述无线温度传感节点用于测试温度检测区域的温度，并将该温度信息通过无线网传输给上位机；所述无线温度传感节点包括微控制单元，以及分别连接所述微控制单元的无线通讯模块、Flash存储模块、温度采集模块、电源模块；所述温度采集模块包括一个以上的温度传感器，且所述温度传感器设置于温度检测区域上；其中所述温度采集模块用于温度检测区域的温度检测，并将温度传送给微控制单元；所述Flash存储模块用于存储温度传感器的无线地址配置信息，所述无线地址配置信息为电能表的编号以及温度检测区域编号，并将该无线地址配置信息发送给微控制单元；所述微控制单元用于接收温度采集模传送的温度，用于接收Flash存储模块传送的无线地址配置信息，经过逻辑运算，将温度与无线地址配置信息对应起来形成温度信息，并将该温度信息发送给无线通讯模块；所述无线通讯模块用于将温度信息通过无线网络传递给无线接收模块；所述电源模块用于给微控制单元提供电源；所述无线接收模块用于接收无线通讯模块传送的温度信息，并将该温度信息传送给上位机；所述上位机用于接收无线接收模块发送的温度信息，并将其中的温度分别与温度阈值进行作差比较，当差值在-2℃至2℃之间时，判定该温度为存疑温度以及该温度所在的温度检测区域为存疑区域。 

所述上位机对具有存疑区域的电能表进行1次以上更换无线温度传感节点检测，并对同一电能表的同一温度检测区域检测到的温度取算术平均值，将该平均值与温度阈值进行比较，当平均值大于阈值，判定该温度检测区域所在的电能表不合格。 

所述电源模块包括锂电池电源模块、电量采集模块、DC-DC模块、充电模块；所述锂电池电源模块均与充电模块、电量采集模块的一端、DC-DC模块的一端连接，同时所述电量采集模块、DC-DC模块的另一端与微控制单元连接；所述DC-DC模块用于给微控制单元提供直流稳压电流；所述电量采集模块用于测量锂电池电源模块的电量，并将该电量信息发给微控制单元，所述微控制单元将该电量信息通过无线网络传送给上位机显示出来；所述充电模块用于给锂电池电源模块充电。 

所述电能表检验装置给电能表提供标准电压电流为电能表最大额定电流和1.15倍电能表参比电压；所述恒温恒湿室内的环境温度为40℃，湿度为常态环境湿度；所述无线温度传感节点的每次采样周期不长于3秒，且整个检测时间为2小时；所述电能表的个数为50个；所述每个面相对应的温度检测区域的个数为50个，所述温度检测区域均匀分布于电能表表面；所述温度阈值的大小为25℃；更换无线温度传感节点次数为3次。 

所述温度传感器均通过不同的GPIO口与微控制单元连接。 

实例

    为了便于说明本发明，本发明通过上述方法做了一个实例，在该实例中，每个面相对应的温度检测区域的个数只有1个，因此每个无线温度传感节点上的温度传感器为6个，分别对应于每个电能表的每个面。

节点总体设计

基于无线传感网的电能表温升精确检测定位装置主要是由带温度传感器的无线传感节点组成，是一种典型的无线传感网络在工业场合中的应用。本项目中的无线传感网络节点的设计需要满足以下要求：

(1)   温度测量范围(室温～+100)℃、测量精度±1℃；

(2)传感节点至少能够采集6路温度通道的信号，采样周期不长于3秒；

(3)无线传感节点需要在采集到数据后的1秒内将数据发送到中心节点；

(4)同时检测多（如50）块电能表的温升数据，无线数据的通讯需稳定可靠；

(5)无线传感终端节点由电池供电，无线通讯网络必须具有相对较低的功耗；

(6)在电池电量过低时，用户不需要取下电池可直接对电池进行充电； 

(7)当温度传感器损坏时，传感器的更换需简单方便。

 2节点结构设计

无线传感节点设计的要求之一就是在满足用户的需求同时具有良好的拓展性，终端节点的硬件结构如图2所示，终端节点的硬件电路由MCU、无线通讯模块、LCD显示模块、Flash存储模块、温度采集模块、电量采集模块、DC-DC模块、充电模块构成。MCU作为终端节点的核心，控制整个终端节点的正常运行；无线通讯模块作为终端节点和协调器节点之间通讯的桥梁，对整个无线网络的正常通讯运行提供了硬件支持。LCD显示单元用于显示终端节点的工作状态，如温度数据、锂电池电量、系统异常状态等，考虑终端节点的能量效率，系统正常运行时LCD处于关闭状态；Flash存储单元主要用于存储终端节点的地址配置，使得终端节点与对应电能表在逻辑上相绑定；温度采集模块主要用于采集电能表的温度；终端节点的能源都来源于锂电池，考虑到单节锂电池的电压一般在3.6V-4.2V，为了给电路提供一个稳定的电压，则需要一款低压降的DC-DC直流稳压模块；电量采集模块的主要功能是测量终端节点锂电池电量，方便用户对节点电池电量的观测；USB接口单元在终端节点中具有双重作用，对锂电池充电单元提供能量来源和为终端节点的配置提供接口。

终端节点的软件结构包括由中断程序组成的前台程序和由轮询系统组成的后台程序两部分组成。前台程序具体为无线射频（RF）接收中断程序、USB接收数据中断程序、定时器T3中断程序、P0口外部中断程序和P1口外部中断程序。在终端节点中，USB接口主要用于接收检测软件的地址配置；RF接收中断的主要作用为接收应答帧、数据帧和命令帧，并将RF接收的数据从寄存器读取到数据缓冲区中，供后台程序处理；定时器T3中断程序主要用于给温度的采集提供周期信号。前台程序通过掩码的方式提供相应的程序状态标志位供后台轮询系统查询，轮询系统通过判断程序状态标志位，进而执行相应的程序。 

关键技术

3.1 无线通讯电路设计

节点硬件平台的核心是一款带有MCU频段为2.4GHz的射频SOC芯片CC2531f256。MCU和射频电路设计原理图如图3所示，该电路的设计主要包括电源电路，射频电路和处理器接口电路三部分。

CC2531f256的能量来自于底板提供的3.3V电压，但需要对这一电压进行稳定性处理，首先电源经过一个值为1mH的电感，以减少交流、高频信号的干扰，同时CC2531f256的8个电源引脚分别连接了100nf的电容以保证电源电压稳定性。CC2531f256的射频信号采取差分信号，其最佳负载是69+j29Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行相应的调整，采用50Ω的单鞭天线，阻抗匹配电路采用的巴伦电路，巴伦电路是由成本较低的电容和电感组成。处理器接口电路给母板提供了USB接口和GPIO口，以完成USB通讯、温度采集和电池电量采集等功能，在USB接口电路中，通过驱动能力为20mA的GPIO口P1_0，驱动1.5K的上拉电阻，以通知上位机对USB设备的巡检和识别，同时在USB的USB_N与USB_P中都分别连接了47pF的电容和阻值为33Ω的电阻，以保USB信号的质量。 

在无线通讯模块的PCB绘制中，最大的困难来自于巴伦电路的绘制，巴伦电路PCB的设计，直接影响到无线通讯的性能。除了巴伦电路的设计对外，影响无线通讯模块射频性能另外一个重要因素就是PCB的电磁兼容性（EMC）设计。电能表温升检测系统无线通讯模块的EMC设计主要考虑了以下几个方面： 

1.保证地线的完整和均匀性。在布线时尽量将大块的地线区域进行分割从而使得地线在电路板上能够均匀分布，顶层板与底层的地线之间办采用大量过孔连接；

2.巴伦电路附近不布线，以减少普通信号与射频信号之间的相互干扰；并且构成巴伦电路的电容和电感都采用0402的封装，以较少封装尺寸对射频信号的影响；

3.采用的32MHZ的晶振下方有地线并且尽量接近射频芯片，以提高晶振的精度；

4.信号线和电源线都需进行处理，相邻信号线的粗细相同并且走线平行，电源线通过加粗处理并且与滤波电容和电感连接的方式以保证电源信号的质量。

3.2温度采集电路设计 

电能表温升检测系统中温度传感器采用的是数字芯片DS18B20，其测量范围、测量精度、测量速度和重复性都可以满足本系统的需求[³]。DS18B20虽为一款单总线设备，但是本系统中使用的6块DS18B20并没有挂在一根总线下，而是分别于MCU的6个GPIO口相连接，主要是考虑到在系统的实际使用过程中，传感器的损坏而导致的更换不方便的问题。如果6块DS18B20都使用同一个GPIO口进行控制，其中有一路传感器损坏，用户将无法辨别具体是哪一路传感器发生异常，因为6块DS18B20连接在一根总线上会增加传感器更换的难度。在硬件设计中，DS18B20与MCU连接，DS18B20采用标准的3 线式接法。在对DS18B20供电时，采用了一个MOSFET开关器件来控制DS18B20的供电，以降低DS18B20不工作时的能量损耗。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。