基于项目驱动的大学生创新创业训练计划项目实践探索

束一鸣　王凯饶　王俊杰　梅燚　常笑瑀　周欣欣

摘   要：结合大学生创新创业训练项目以及提高大学生创新能力，设计一种基于蓝牙技术的高压开关柜无线测温系统，检测到的温度信息采用蓝牙技术实现子节点信息向终端节点传送，解决了传统有线监测系统消耗大繁琐等问题。本系统实时监测性能良好、功耗低、具有良好的可靠性。

关键词：高压开关柜;单片机;无线测温;创新;低消耗

2016年的全国科技创新大会提出，中国要在2020年进入创新型国家的行列，并且在30年以后从创新国家走向创新强国。大学生创新创业项目是为国家培养创新型人才目标的关键环节，创新教育实践教学尤为重要[1]。

单片机课程是一门实践性很强的课，是面向应用的一门课程，对于学生深入理解、掌握并应用所学知识有很好的作用[2]。结合大学生创新项目以及单片机课程的应用，本文设计了一种基于蓝牙4.0技术的低功耗高压开关柜。

1    背景介绍

高压开关柜是电力系统中的重要设备，在长期运行过程中，由于部件老化、封闭运行热量集中、满负荷甚至超负荷运行、触头氧化或松动等，会导致触头电阻增大而发热，如不及时发现并做出处理，可能会引发火灾、停电、爆炸等严重事故。高压开关柜在运行过程中禁止打开，且发热点在密封柜内或者电缆沟内，因此，高压开关柜内各触头处实时温度监测问题已经成为电力系统中亟待解决的实际问题，对电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义[3]。

现有的高压开关柜温度采集装置主要存在以下问题。

（1）由于高压开关柜运行时是全封闭的，内部空间狭小、布线困难，且处于高压状态下，传统的人工巡视方法很难了解高压开关柜内情况。

（2）已有的高压开关柜无线测温装置功耗大，需要经常更换电池，系统维护成高。

因此，如何设计一种结构简单、安装方便、功耗低、数据传输效率高的高压开关柜测温装置亟待解决。

2    系统总体设计

高压开关柜是电池供电，节能对该系统至关重要。因此，本系统采用低功耗蓝牙4.0技术进行开发设计。系统包括温度采集器、数据控制器、网关设备、中心服务器等。温度采集器将采集到的温度发送给系统控制器，一个系统控制器可控制6个温度采集器。系统控制器接收到温度后将数据发送给网关设备，网关设备进行数据处理发送给中心服务器，最后由中心服务器作出响应。

3    系统硬件设计

3.1  温度采集器设计

温度采集器单元用于开关柜内触头结点的测温，并将测得的温度发送给系统控制器。采集器由数字温度传感器、蓝牙发送模块以及电源组成;其中，电源模块与蓝牙连接模块连接，并且为温度采集器供电，从而降低更换电池所带来的系统维护成本，电源采用3.3 V纽扣电池，数字温度传感器与蓝牙发送模块连接，接收并显示蓝牙模块发送的温度数据。

3.2  系统控制器设计

系统控制器由微处理器、触摸显示屏、语音报警器、蓝牙接收模块、传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）模块以及电源组成。触摸显示屏用于对采集到的温度数据进行实时显示，同时，允许工作人员对其他相关信息以触摸方式进行查询和数据的输入。语音报警器用于温度超过安全阈值后的语音报警。蓝牙接收模块采取监听工作方式，接收来自温度采集器中蓝牙发送模块发送的高压开关柜内各触点温度数据，并将收到的信息传给微处理器进行处理。微处理器选用的是STM32单片机，TCP模块与单片机中的串口相连，并用于将数据上传系统服务器提供接口。

4    軟件设计

无线测温系统程序主要包括：主程序、检测节点子程序、蓝牙子程序等。采用模块化编程思想，C51语言进行程序编写。

4.1  主程序设计

通电运行后，进入初始化子程序，通过键盘功能键进入中心设置界面。设置完成后，每隔3 min，系统采集一次数据。为减少功耗，设置系统工作在低功耗模式。中心设置对网关服务器发送指令，网关服务器再同时向多个系统控制发送指令，系统控制器采集数据并进行分析。

4.2  蓝牙子程序设计

初始化阶段，单片机先发送主机控制接口（Host Controller Interface，HCI）命令，蓝牙设备先复位再启动，然后进行查询地址、自动巡检和跳频算法等初始化步骤，最后与上位机建立连接。蓝牙设备之间的无线数据通信通过HCI分组（包括数据分组、命令分组和事件分组）实现。通过系统的MCU给蓝牙设备发送命令进行分组。单片机在发送 HCI命令分组后，接收从蓝牙设备返回的判断命令、分析命令执行情况、事件分组，直到蓝牙模块完成初始化操作。在蓝牙手机助手软件中，若手机与单片机配对完成，向单片机发送不同的指令，会收到不同数据反馈。

4.3  温度采集器模块子程序设计

检测模块完成开关柜内温度的采集。温度检测命令发出后，单片机要等待数据采集完成，才能执行下一条程序。这个过程大约需要20/80/320 ms，分别对应8/12/14 bit测量。实际时间随单片机时钟不同会有一些变化。检测获得的数据先存储在STM32单片机内部ROM中，以便单片机能够继续处理其他任务，在需要的时候取出数据。

5    实验测试与分析

为验证系统正确性，选取学校实验室内温度完成实验测试。根据系统设计指标要求，搭建系统实验测试平台。一天中选取8个时间段对实验室内的温度进行测试。将高精度温度计测试数据作为参考值。经过多次反复测量，与标准测量仪测得值进行对比，测得温度误差范围约为（±0.2）℃。

6    结语

结合单片机技术，设计了一款基于蓝牙技术的低功耗开关柜无线测温检测系统，该系统可以完成开关柜内温度等环境信息的采集，并借助蓝牙模块完成检测信息的无线传输及控制，解决了传统有线网络布局的弊端，具有较大的实际应用价值。通过研究可以提高大学生的创新创业的能力以及对单片机技术的掌握，培养了学生的创新思维和协作能力，对于同学们以后步入工作实习岗位有很大的帮助。

[参考文献]

[1]仲宇璐.基于51单片机的高压开关柜无线温度监测系统研究[J].淮北职业技术学院学报，2012，11（6）：135-137.

[2]屈   丹，任国臣，陈晓英.单片机原理及应用课程实践性教学环节的改革[J].教育现代化，2016，3（8）：8-9.

[3]雷   光.电力高压开关柜温度在线监测系统的开发和应用[D].北京：華北电力大学，2016.

Research on the project practice of the project-driven college students’

innovation and entrepreneurship training plan

Shu Yiming， Wang Kairao， Wang Junjie， Mei Yan， Chang Xiaoyu， Zhou Xinxin

（School of Computer Science， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract：The wireless temperature measurement system of the high-voltage switch cabinet based on the Bluetooth technology is designed in combination with the college student’s innovative start-up training program and the improvement of the university student’s innovative ability. The detected temperature information is transmitted by the terminal node of the sub-node information by using the Bluetooth technology， and solves the problems of large consumption of the traditional wired monitoring system. The system has good real-time monitoring performance， low power consumption and good reliability.

Key words： high-voltage switch cabinet; single-chip computer; wireless temperature measurement; innovation; low consumption