[RISC-V MCU 创新应用比赛]

基于热成像的巡检小车

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THzzzz|  楼主 | 2023-2-24 22:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 THzzzz 于 2023-2-27 23:26 编辑

0 引言
   随着人们生活水平的日益提高,电力的需求越来越大,对电力系统稳定性也会变得更加严格,变电运维是电力系统稳定性中重要的一环,而变压器的温度检测也是变电运维的重要指标之一。由于变压器的温度检测受传统测温技术和主变本体结构的制约,热电阻温度传感器只能安装在变压器本体的特定部位,并且当变压器处于某些特殊状态下运行时,检测人员仍然需要到现场进行手动测温。在当前疫情防控常态化的大环境下,面临着人力资源十分紧缺的情况,如果变电站用传统的方式来对多个变压器及其工作环境进行温湿度检测,不仅容易造成人力资源浪费,安装固定的检测设备也会导致成本过高等问题。
针对上述存在的问题,设计了基于MLX90640红外热成像测温技术的巡检小车。红外热成像测温技术是一种二维的热图像成像和温度测温技术,通过目标设备温度与周围环境温度进行比较,探测出目标设备的辐射能量高低与密度分布,经系统处理转变为目标设备的热图像,以灰度级显示出来,便可得到目标设备的红外辐射能量密度分布和温度,是一种非接触式测温技术。红外热成像测温技术可实现目标设备运行状态时远距离、不停电、不接触、不解体的情况下,检测出目标设备的红外辐射能量密度分布和温度。
        WiFi作为一种无线局域网络技术,是当前主流的远程控制方式,相对其他控制方式优势明显,有着传输速度非常快、支持大量数据的传输和不受布线条件的限制等优点。有人云物联网监控平台采用的ModbusRTU通信协议,以标准、开放、简单的特点广受开发者的青睐,有效缩短研发周期的同时也能保障用户传输数据的安全性
  本文的巡检小车系统将WiFi模块和红外热成像模块运用在一起,将采集到的温湿度实时数据上传至PC端或者微信小程序的有人云物联网平台上,用户可以随时随地查阅数据情况。也可以在有人云物联网监控平台下发指令,控制小车到用户指定的位置进行检测,做到简洁、高效的完成变压器及其工作环境温湿度检测。
1 系统硬件组成
  热成像测温巡检小车的硬件结构框架如图1所示。系统由CH32V307单片机作为核心控制器,硬件主要分为两部分:一是小车自动巡线系统,由8V锂电池、降压模块、L2980N电机驱动模块和四路巡线模块组成,以此实现小车能全自动巡线行驶;二是温湿度检测系统,由MLX90640热成像模块、DHT11温湿度模块、有人云WiFi模块和0.96寸OLED显示屏所组成,热成像模块和温湿度模块会将采集到的实时数据在OLED显示屏上显示以及通过有人云WiFi模块上传至有人云平台。
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图1 热成像测温巡检小车硬件结构框图
1.1 CH32V307主控芯片
  CH32V307是基于RISC-V开源指令集的设计芯片,集成了时钟安全机制、多级电源管理、通用DMA控制器;具有1路以太网接口、2USB2.0主机/设备接口、多通道12ADC/DAC转换模块、多通道TouchKey、多组定时器、多路I2C/U(S)ART/SPI/CAN接口等丰富的外设资源。
CH32V307主控芯片主要负责三种任务,一是控制小车自动巡线行驶,通过检测巡线模块的输出端口电平变化,判断巡线数据;通过单片机专用PWM输出端口输出信号给电机驱动模块,实现对小车的启动/停止、运行速度。二是对红外热成像模块和温湿度模块进行下发指令和接收数据,再将采集到的实时数据处理计算通过SPI通信方式驱动OLED显示屏刷新显示数据。三是与有人云物联网监控平台进行数据交互,将采集到的实时数据上传至有人云物联网监控平台,同时接收有人云物联网监控平台上下发的控制指令,进而控制巡检小车的行驶状态。
1.2 MLX90640热成像模块
  MLX90640红外热成像模块是一款非接触红外点阵测温模块,工作电压在3.3-5V。此模块有串口通信、USB接口和I2C通信三种方式读取数据,串口的波特率有115200bps460800bps,有连续输出与询问输出两种方式,可适应不同的工作环境。CH32V307主控芯片通过115200bps的串行口UART和连续输出的方式与该红外热成像模块进行通信。设置接收数据包包头,用数组接收数据。判断热成像模块发送数据帧头,开始接收数据包,放入数组,最后对数组进行计算处理得到温度值。MLX90640红外热成像模块实拍效果如图2所示。
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2 MLX90640红外热成像模块实拍效果图
1.3 DHT11温湿度模块
  DHT11温湿度模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,工作电压在3.3-5.5V。该模块功率低、响应快,引脚结构也十分简易快捷,利用单总线协议与单片机的一个I/O口相接,便能CH32V307主控芯片进行串行通信。由于DHT11温湿度模块无法测量远距离物体的表面温度,所以DHT11温湿度模块在巡检小车上主要用于环境的温湿度检测。
1.4  有人云WiFi模块
  有人云USR-C216模块是一款低成本、低功耗的WiFi模块,支持Wi-Fi协议以及TCP/IP协议,用户仅需简单配置即可实现UART设备的联网功能,从而实现物联网的控制与管理。单片机利用串口与WiFi模块通信,将采集到的数据以数据包形式上传至有人云物联网监控平台,通过有人云物联网监控平台的数据计算和整合,用户便能在监控界面上查阅数据信息。同时,用户也可以通过数据包的形式给单片机下发指令,以此来操控巡检小车的行驶状态,实现巡检小车与有人云物联网监控平台之间的数据互通。
2 系统软件设计
  系统软件设计主要分为两部分:第一部分是终端设备程序设计,第二部分是有人云物联网平台的搭建。二部分共同完成巡检小车的自动循迹、温度检测和数据的接收与显示功能。
2.1 终端设备程序设计
  巡检小车程序流程图如图3所示。小车出发后由四路巡线模块接收路线数据,并且通过PWM控制小车速度令小车保持在预先规划好的路线上。当小车没有收到有人云平台下发的指令时,将对检测点进行逐个检测,小车到达检测点时,会在检查点停下,开始对目标点位进行温度和湿度检测,接收热成像模块以及温湿度模块的数据包;当小车收到有人云平台下发的指令时,会跳过其他检测点,行驶到指定的检测点进行检测,在没有收到其他指令时,小车会继续在预先规划的路线行驶并将剩下的检测点逐个巡检。到达终点后,停止行驶,小车巡检完毕。对数据进行处理后,小车会将最大温度以及环境湿度通过模拟SPI显示在OLED屏幕上,并打包数据通过有人云WiFi模块传送至网络上,在有人云平台的监控大屏上显示。
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图3 巡检小车程序流程图
  单片机在接收红外热成像模块的数据时,利用串行口中断来接收该块发送过来的数据包,通过对包含正确包头的数据包进行甄别出来并存储有效的温度数据,再通过最大值查找算法方式获取到最高温度值数据。而温湿度模块则利用单总线协议,通过输出单片机I/O高低电平来接收有效数据,再将数据储存到数组中。
  热成像模块以及温湿度模块的采集数据以字符型的十六位进制数据存储到数组中,采用ModbusRTU协议加入包头,再利用CRC校验码函数计算出两位校验码作为数据包的尾部,将打包完成的数组通过串行口发送至有人云WiFi模块上。单片机在接收有人云平台的下发指令时,也是通过解析数据包的形式,将数据包中有效数组提取出来,再从数组中获取指定检测点的位置信息,从而使单片机能控制小车完成定点检测。如图4 为数据传送网络原理图。
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图4 数据传送网络原理图
2.2 有人云物联网平台的搭建
  进入有人云平台首页后,首先在设备管理中添加联网设备,由于有人云已将一些终端设备入驻产品库,所以选择ModbusRTU协议和云端采集方式,新建一个适用于有人云WiFi模块的设备模板。在对联网设备的自定义添加之后,下一步就是在变量模板中配置从机和变量,将从机名称自定义并填写从机地址,接着将热成像模块和温湿度模块各8个采集数据进行变量添加,变量名称自定义,寄存器地址=功能码+起始地址(十六进制->十进制)+1,数据格式根据终端设备上报的数据选择,采集频率自定义,创建设备模板就完成了。
  创建完联网设备之后,会自动生成SN和通信密码,可在设备列表中查看。将有人云WiFi模块的引脚通过USB转TTL串口模块接入电脑进行通电,电脑连接有人云WiFi模块的初始化无线局域网,进入有人云内置网页,将有人云WiFi模块所有需要设置的参数和需要连接的无线局域网进行配置,配置完保存并重启设备。打开有人云平台后在云端可以看见设备在线,有人云WiFi模块成功接入有人云平台。有人云内置网页如图5所示。
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图5 有人云平台监控大屏展示图
  在有人云平台的设备管理中,可以配置变量模板的组态设计显示在监控大屏上。自行添加所需要显示的变量和文本,以及基本的控制和图表元件,个性化的设计监控页面,让数据显示和控制变得方便清晰。当所有组态设计完成之后,点击保存就能在监控大屏上看见自己设计的监控页面,所有采集到的数据都会在监控大屏上一同呈现。
3  系统功能测试
3.1      巡检小车行驶测试
(1)巡检小车自动巡迹行驶测试
    测试将会以地面上的黑色轨迹路线作为预先规划好的路线,以黑色十字交叉点作为检测点。打开总开关,待小车上电后,原地等待WiFi模块与预先设定好的WLAN进行连接。连上网络后,小车以预先规划好的路线进行巡迹,到达第一个检测点时立即停下;等待两秒后,小车继续巡迹,并在到达后续检测点时都会立即停下,直到行驶至终点,小车停止行驶,证明小车自动巡迹行驶测试成功。
(2)巡检小车接收下发指令的定点行驶测试
    当巡检小车成功连接网络后,有人云物联网监控平台上会显示设备上线,在监控大屏上点击发送任意一个相对靠后的检测点位置,观察到小车跳过前面其他检测点,到达指定检测点时立即停下;等待两秒后,小车继续巡迹,并在到达后续检测点时都会立即停下,直到行驶至终点,小车停止行驶,证明小车接收有人云下发指令的定点行驶测试成功。
3.2 数据显示测试
有人云物联网监控平台监控大屏数据显示如图7所示。确认有人云物联网监控平台上已成功显示设备上线,打开监控大屏页面,当巡检小车每次到达检测点时,在设备组态中可以查看到对应位置检测点的目标温度和环境温湿度数据,右边状态栏不断滚动更新巡检小车上传的实时数据。通过对比,观察到有人云物联网监控平台上接收显示的数据与OLED显示屏上显示的数据一致,证明有人云物联网监控平台数据显示测试成功。打开微信有人云小程序查看数据,如图所示,微信小程序上也能显示并更新实时数据,且与pc端上的数据一致,证明微信有人云小程序数据显示测试成功。
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图6  OLED显示屏显示图
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图7  有人云物联网监控平台监控大屏数据显示图
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图8 微信小程序显示页面图
4  巡检小车视频演示
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32DHT11.zip

1.31 MB

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1988020566| | 2023-3-5 12:11 | 显示全部楼层
MLX90640的价格太贵了。              

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uptown| | 2023-3-5 12:34 | 显示全部楼层
MLX90640最大的测温距离是多少?

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lzbf| | 2023-3-7 13:39 | 显示全部楼层
MLX90640的有效探测距离大约多少?

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jtracy3| | 2023-3-7 13:45 | 显示全部楼层
mlx90640, 价格并不便宜

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timfordlare| | 2023-3-7 14:09 | 显示全部楼层
MLX90640怎么开发成为测温传感器?

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alvpeg| | 2023-3-7 19:54 | 显示全部楼层
用MLX90640做过项目,效果还可以。

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kmzuaz| | 2023-3-7 20:03 | 显示全部楼层
这个MLX90640怎么跟摄像头结合起来?

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olivem55arlowe| | 2023-3-7 20:12 | 显示全部楼层
可以像热力图一样显示图像?              

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mickit| | 2023-3-7 20:19 | 显示全部楼层
现在这种巡检小车都有成品的。              

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pixhw| | 2023-3-7 20:29 | 显示全部楼层
如何判断一个人的体温是否正常?              

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mattlincoln| | 2023-4-7 23:56 | 显示全部楼层
MLX90640的价格挺贵的。              

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