摘 要： 随着小型分布式发电机的广泛应用，发电机的稳定运行和便捷维护的重要性日益突出，设计一个对分布式发电机的远程监测系统具有相当的实用价值。针对发电机的特殊使用环境和应用背景，提出了一种新型的低成本的基于Wi-Fi的发电机远程监测系统，探讨了系统的基本原理和实现方法，并给出了系统的部分软硬件设计方案及硬件电路图。
关键词： 远程监控；Wi-Fi；单片机；过零点检测；同步发电机；传感器
0 引言
现代社会人们对电能的依赖越发明显，发电机作为电能的产生装置，在系统中有着举足轻重的地位。对发电机工作状态的监视与诊断，对于整个电站的维护、故障诊断与维修起着基础性作用[1]。在人们的生活中，小型分布式发电机的应用场景越来越多，医院、矿井等越来越多的场合使用小型分布式发电机，越来越分散的发电机应用场所给其使用和维护带来诸多不便。基于嵌入式技术的远程监控系统能够很好地解决现场的生产和远程监控之间的矛盾。
1 系统设计方案
基于Wi-Fi的发电机远程监测系统是根据使用环境和应用设计的由数据采集、数据分析处理、数据传输组成的一个有机整体。现代社会中使用的交流电能几乎全由同步发电机产生[2]，故本方案的监测对象为单相交流同步电机，监测的主要参数主要包括：发电机的温升、发电机的输出电流电压和电压相位等。图1是系统框图，系统主要由单片机、信号采集模块和数据传输模块等部分组成。信号采集模块主要实现交流电信号的调理，工频电压电流经过霍尔传感器转为较低的交流电压电流信号，再通过调理电路将电压电流调理到单片机AD采集的电压范围；同时经过霍尔传感器的工频电压信号经过过零点检测电路监测电压信号频率，同步发电机的温度信号由温度传感器转换后送至单片机采集，发电机的实时电压电流信号和发电机的温升经由单片机采集后，在单片机中对数据分析处理并打包，最后将经过处理后的数据通过数据传输模块上传至上位机，由上位机实时显示发电机的运行参数和运行状态。
2 系统硬件设计
2.1 传感器的选型
系统使用了电压电流传感器和温度传感器，其中电压电流传感器采用的是霍尔传感器，温度传感器采用的是PT100热电阻温度传感器。
2.1.1 电压电流传感器
发电机输出的电压、电流信号需要通过电压、电流传感器将大信号转换为适当的信号之后进行调理，而电压、电流传感器的转换精度将直接影响检测结果，因此需要选用转换精度较高的传感器。
电压、电流传感器的具体选型和详细参数如表1所示。
2.1.2 温度传感器
温度传感器是一种将温度变量转换为可测量的电信号的传感器。温度传感器主要分为热电阻式和热电偶式，本系统采用的PT100为热电阻式的温度传感器。其电阻值随温度的升高而增大，在电路中与恒值电阻串接在电路回路中，通过采集其上电压值即可计算得到其电阻值。其电阻与温度的关系如下：
Rt=Ro（1+A×T+B×T2）（1）
其中，Ro、A、B为常数。
2.2 调理电路的设计
2.2.1 电流电压采样调理电路
发电机输出的电压电流不可以直接送至单片机采集，解决的办法主要分为两步：第一步是对模拟量同比例缩小，第二步是对模拟量进行调理。第一步主要是采用霍尔电压、电流传感器将交流电压、电流信号转化为-4 V~+4 V的隔离弱电模拟信号。对于调理电路，则是将-4 V~+4 V的隔离弱电模拟信号转换成适合A/D采样的0~3 V信号。图2所示为电压调理电路。
图2中采用的是双输入双输出的运算放大器LM358，为了防止输入信号过大，通过二极管D3、D4设计了电压钳位电路，将电压控制在0~3.3 V之间。由电压信号调理电路图不难求得输入输出信号之间的关系，即：
ADC5=1.5+0.15AC_Ug（2）
其中，AC_Ug为霍尔电压传感器到的交流电压量，ADC5为单片机的AD采集输入端口。
与电压采集类似，发电机的输出电流也不能直接送至控制器采集，其调理电路与电压调理电路类似，这里不再详尽叙述。
2.2.2 电压过零检测电路
为实时监测发电机的输出电压频率，需要加入过零检测电路即方波电路，如图3所示。该电路的原理主要是使用LM339比较器将霍尔电压传感器的输出电平与零电平进行比较，将高于零的电压信号在LM339输出端置为高电平，若发电机的输出为正常正弦电压，则通过过零点检测电路得到与其同频的方波信号。图4为利用过零点检测电路得到的示波器波形。转换后的方波再由单片机通过外部中断捕获其上升沿，从而可以实时地跟踪发电机的频率变化。
2.3 MSP430单片机
单片机是系统的控制中心，协调着整个系统的运作，所以必须要有较高的响应速度和丰富的外设资源[3]。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（TI）近年开发的新一代单片机，是一种超低功耗、具有精简指令集的16位混合型单片机，它具有方便灵活的开发手段和丰富的片内外设[4]。本系统中使用的MSP430F149单片机其价格低廉且功耗极低，同时还具有丰富的片上资源，另外还有60 KB的系统内可编程Flash，1 KB用户可编程内部修改空间，2 KB的内部RAM，开发简单，易于使用。
2.4 无线传输模块
本系统中无线传输是联系发电机现场监控和远程监控平台的纽带。Wi-Fi是一种目前得到广泛应用的短距离无线通信协议，具有成本低、部署方便等优势[5]。本系统设计使用的无线传输模块为RAK410模块，该模块是一款Wi-Fi串口透传模块，可以方便、快速地使用实现组网及数据收发等。它通过串口与单片机控制器相连接，支持AT命令及数据透明传输模式，由单片机控制其实现数据传输。其内嵌完整的TCP/IP协议栈，可以配置为AP工作模式及Ad-Hoc工作模式。RAK410在UART接口模式下模块的最大传输速率可达640 kb/s，满足系统数据传输的要求。
2.5 单片机与无线传输模块及调理电路的连接
单片机与无线传输模块、电流电压调理电路、温度传感器等部分硬件连接如图5所示。其中MSP430F149单片机与RAK410Wi-Fi透传模块的硬件连接引脚定义如表2所示。
3 控制器软件程序设计
3.1 控制器主程序设计
控制器程序设计主要包括RAK410配置部分、配置信息存储部分、数据采集部分、数据打包部分以及数据传输部分。其流程图如图6所示。为考虑低功耗运行，系统在没有数据采集或者没有数据传输的任务时进入低功耗睡眠状态，等待有任务到达时，再从中断唤醒，进入激活工作状态。
3.2 RAK410模块配置程序
单片机通过串口发送AT指令配置RAK410模块的工作模式并控制其传输数据，同时单片机保存了模块的配置信息，首次开机完成配置后，再次启动时无需再配置模块即可加入网络传输数据。为保证配置和传输信息的可靠性，RAK410通过创建Ad-Hoc网络与上位机通信进行模块参数的配置；传输数据时，RAK410以客户端的方式加入AP网络。
MSP430F149片上Flash程序存储器中有1 KB的用户数据空间，此部分空间可以通过编程实现内部修改，本系统利用这部分存储空间存储RAK410的配置参数，存储的配置参数主要包括：待加入的无线网络的SSID、密钥，待连接的服务器的域名、端口号等。
3.3 数据采集部分程序
根据香农采样定理，采样频率要高于最高频率的2倍[6]。工频电压的频率为50 Hz，不难得出本系统中每隔5 ms采样一次电压电流满足采样定理。系统主程序在完成定时器和ADC转换器等的初始化后，执行_BIS_SR（LPM3_bits+GIE）函数，进入低功耗睡眠等待状态，此时除ACLK时钟（可选作外设时钟）激活外，CPU等其他时钟信号均关闭；当5 ms采样定时时间到后进入ADC采样中断激活CPU，并触发AD数据采集、数据打包发送等一系列的操作。
当过零检测电路输出上升沿时，触发单片机的外部中断，唤醒CPU，从第一次进入外部中断后开始计时，到下一次进入外部中断停止计时，两次中断的间隔时间刚好为交流电压的一个周期。再经过计算得到其实际的频率并将其保存，待完成一次数据采集后一起发送至上位机。
4 系统调试结果
为了验证设计的可行性，编写了一个基于LabVIEW的上位机监视平台，该上位机用于接收下位机上传的数据并将其显示出来。实验在电力综合实验室进行，实验以实验室的一台三相同步发电机作为监测对象，三相同步发电机由一台直流电机拖动，将发电机的输出接到三相对称160 Ω的负载电阻上，并引出其中一相接到监测系统上，同时引出发电机的温度传感器的接线。
实验结果调试图如图7所示。上位机上主要显示了下位机的IP地址和上位机的采集数据，其中采集数据包括发电机的电压电流、发电机输出电压频率以及发电机温度等，其中信号均以波形图的形式显示。由图7可以看出，下位机采集的动态IP获取的地址为192.168.1.106，且发电机的输出接在阻性负载上，故输出同频同相。图中显示的发电机输出频率基本稳定，发电机内部电枢温度随着开机时间的增加而缓慢升高。
5 结论
本文介绍了一种基于Wi-Fi的发电机远程监控系统的设计，与其他监控系统相比，该系统具有3点优势：（1）价格低廉，具有较强的市场竞争优势；（2）方法新颖，提出了一种采用过零点检测电路与单片机外部中断相结合的方式检测交流电压的频率方法，通过实验取得了很好的效果；（3）系统功耗低，结构简单，系统理论上能够以几十微安的功耗待机，在发电机发生紧急停机后能够支持更长的待机时间。本设计能够以非常低的成本和非常小的空间附加到发电机上，更大程度地方便用户的使用和技术人员的管理。
参考文献
[1] 陈长水，谢桂海，章曙，等.基于实时数据采集的发电机故障诊断专家系统[J].军械工程学院学报，2000，12（4）：14-19.
[2] 李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2007.
[3] 董大波，王湘云，赵柏秦，等.基于单片机的低成本CMOS图像采集系统[J].仪表技术与传感器，2014，17（2）：45-49.
[4] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[5] 杜毓聪，金连文.通过WiFi移动IP网络操控家用机器人方案在PDA上的实现[J].计算机应用，2009（7）：1865-1867.
[6] 刘军.同步发电机参数微机测试仪研制[D].重庆：重庆大学，2002.