基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左乾坤，李江全，劉育辰

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832000）

變壓器是電廠、輸變電網(wǎng)、變電所、企業(yè)內(nèi)部輸變電系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換裝置，是重要的電氣設(shè)備，其狀態(tài)好壞直接影響著電網(wǎng)的安全進(jìn)行[1]。

傳統(tǒng)變壓器監(jiān)測(cè)主要依靠人工巡檢方式，耗時(shí)長(zhǎng)，過(guò)程繁瑣，供電企業(yè)難以實(shí)時(shí)掌握變壓器運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)[2]。為此，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線方式對(duì)分布零散的變壓器設(shè)備進(jìn)行集中管理，對(duì)變壓器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)體系經(jīng)典3 層架構(gòu)，依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Transformer remote monitoring IoT system

變壓器通過(guò)感知層的傳感器檢測(cè)溫度、物體接近等信息，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，通信模塊再將處理后的變壓器狀態(tài)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)器，供電企業(yè)通過(guò)應(yīng)用層PC 或手機(jī)瀏覽變壓器運(yùn)行參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 感知層硬件

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，包括通信模塊、單片機(jī)和傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 感知層節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of perception layer nodes

2.1.1 單片機(jī)選型

單片機(jī)負(fù)責(zé)信息處理，主要包括處理器、電源管理、網(wǎng)絡(luò)接口、ROM、RAM 輸入輸出、定時(shí)、中斷和時(shí)鐘電路。單片機(jī)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)架構(gòu)Fig.3 SCM architecture

在變壓器中檢測(cè)數(shù)據(jù)需要單片機(jī)滿足實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、低成本、低功耗和支持敏捷開發(fā)等要求。基于51 系列的單片機(jī)雖能直接操作位進(jìn)行邏輯運(yùn)算，但運(yùn)行速度較慢，保護(hù)能力差，易燒壞芯片。基于STM32 芯片的單片機(jī)滿足高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，但不支持敏捷開發(fā)，開發(fā)環(huán)境并未集成可直接調(diào)用庫(kù)文件或接口文件等。Arduino 單片機(jī)基于ATmega328P 微控制器穩(wěn)定性好，功耗低，且支持敏捷開發(fā)，應(yīng)用性強(qiáng)。故選擇Arduino 單片機(jī)進(jìn)行信息的處理。

2.1.2 傳感器選型與電路設(shè)計(jì)

（1）傳感器選型

1）溫度傳感器選型 變壓器油溫是判斷變壓器是否處于正常工作狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式變壓器的上層油溫不得超過(guò)85 ℃，最高不得超過(guò)95 ℃[5]。基于此，變壓器溫度測(cè)量采用DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，符合在變壓器中測(cè)量油溫范圍的要求。

2）接近傳感器選型 變壓器內(nèi)部元件制造費(fèi)用昂貴，為防止不法分子盜取變壓器內(nèi)部元件，需要對(duì)變壓器進(jìn)行防盜報(bào)警保護(hù)。普通的接近傳感器只要有物體或小動(dòng)物接近就會(huì)發(fā)出警報(bào)，容易造成誤報(bào)。采用HC-SR501 型紅外接近傳感器，其被動(dòng)式紅外探頭根據(jù)探測(cè)人體發(fā)射10 μm 左右的紅外線進(jìn)行工作，減少誤報(bào)，提高了警報(bào)準(zhǔn)確性。該傳感器工作溫度為-15～70 ℃，在錐角小于120°時(shí)，感知距離為7 m，感知性能和防電磁干擾性較好，符合該系統(tǒng)對(duì)變壓器的監(jiān)測(cè)要求。

（2）信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

1）溫度采集電路設(shè)計(jì) 為保證數(shù)據(jù)精確度，采用外部電源供電方式接線。DS18B20 的GND，OUT和VCC 引腳分別與Arduino 的GND，6 號(hào)數(shù)字引腳和5 V 電源接口連接，DS18B20 的GND 引腳不懸空。其與Arduino 設(shè)備的連接如圖4所示。

2）物體接近感應(yīng)電路設(shè)計(jì) HC-SR501 的GND，OUT和VCC 分別與Arduino 的GND 接 口、7 號(hào) 數(shù)字引腳和5 V 電源接口連接，當(dāng)有檢測(cè)到人體運(yùn)動(dòng)，輸出1，否則輸出0。其與Arduino 設(shè)備的連接如圖5所示。

2.1.3 通信模塊選型與電路設(shè)計(jì)

（1）通信模塊選型

在組網(wǎng)中，通訊方式的選擇需考慮被監(jiān)測(cè)對(duì)象所處的位置和傳輸數(shù)據(jù)量大小等特點(diǎn)。各種組網(wǎng)方式和特點(diǎn)見表1。

圖4 溫度傳感器與Arduino 的連接電路Fig.4 Connection circuit between temperature sensor and Arduino

表1 組網(wǎng)方式對(duì)比Tab.1 Comparison of networking modes

在市區(qū)變壓器分布較廣，變壓器與變壓器之間距離相隔較遠(yuǎn)，不適宜采用藍(lán)牙、WiFi和ZigBee 組網(wǎng)方式，故選擇GPRS 組網(wǎng)方式。SIMCom 公司的SIM900A 通訊模塊具有穩(wěn)定性好、成本低、功耗低等特點(diǎn)，符合本系統(tǒng)的通訊要求。

圖5 紅外傳感器與Arduino 的連接電路Fig.5 Connection circuit betweeninfrared sensor and Arduino

（2）通信模塊電路設(shè)計(jì)

選擇5 V 電源供電，SIM900A 模塊的RX和TX引腳分別與Arduino 設(shè)備的TX，RX 引腳連接，在SIM900A 模塊中插入具有數(shù)據(jù)連接業(yè)務(wù)的SIM 卡后，Arduino 設(shè)備即可執(zhí)行AT 指令，完成SIM900A模塊與服務(wù)器的無(wú)線數(shù)據(jù)連接。其與Arduino 設(shè)備連接如圖6所示。

圖6 SIM900A 與Arduino 的連接電路Fig.6 Connection circuit between SIM900A and Arduino

2.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件

網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層與應(yīng)用層的關(guān)鍵。該層包括通信基站和服務(wù)器，兩者共同完成終端采集參數(shù)信息傳輸。服務(wù)器使用阿里云服務(wù)器，運(yùn)行環(huán)境為Windows Server 系統(tǒng)。

2.3 應(yīng)用層硬件

應(yīng)用層為運(yùn)行在PC 中和手機(jī)中的變壓器信息監(jiān)測(cè)軟件，PC 端系統(tǒng)要求為Windows 7 系統(tǒng)或更高版本，手機(jī)系統(tǒng)要求為Android 5.0 系統(tǒng)或更高版本。供電企業(yè)人員可通過(guò)該軟件實(shí)時(shí)查看變壓器運(yùn)行參數(shù)信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 感知層軟件設(shè)計(jì)

Arduino IDE 軟件為感知層的集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語(yǔ)言為C 語(yǔ)言。根據(jù)變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需求，感知層應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集和信息實(shí)時(shí)上傳功能。

感知層軟件設(shè)計(jì)步驟為初始化、采集信息、打包和發(fā)送信息。其流程如圖7所示。

圖7 Arduino 程序流程Fig.7 Arduino program flow chart

3.1.1 初始化和采集信息

單片機(jī)系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，執(zhí)行AT指令與服務(wù)器建立TCP/IP 連接，然后收集溫度傳感器和紅外傳感器的數(shù)據(jù)信息[6]，最后通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前溫度數(shù)值和有無(wú)物體接近信息。

3.1.2 打包和發(fā)送信息

打包過(guò)程就是將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，統(tǒng)一有序地發(fā)送到服務(wù)器端。信息發(fā)送前，需要制定感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的通信協(xié)議。

（1）通信協(xié)議設(shè)計(jì)

遵循的信息發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議格式見表2。

表2 信息發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議格式Tab.2 Message sending and forwarding protocol format

協(xié)議將通信包體分為3 個(gè)部分，包頭、包體和檢驗(yàn)位。①包頭部分完成設(shè)備識(shí)別信息，在每個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包中，包頭長(zhǎng)度以及格式固定，標(biāo)志位即為包頭。②包體包含各個(gè)傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)，且各個(gè)數(shù)據(jù)已被正確轉(zhuǎn)換，由程序執(zhí)行后，統(tǒng)一將采集的數(shù)據(jù)封裝到包體當(dāng)中[7]。③使用奇校驗(yàn)方式對(duì)包體數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。通信協(xié)議包體如圖8所示。

圖8 通信協(xié)議包體Fig.8 Communication protocol package

（2）數(shù)據(jù)打包和發(fā)送

Arduino 程序命令打包過(guò)程如圖9所示。獲取設(shè)備ID，按照通信協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)打包，執(zhí)行AT指令即可向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖9 數(shù)據(jù)打包流程Fig.9 Data packaging flow chart

3.2 網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，開發(fā)語(yǔ)言為C#。網(wǎng)絡(luò)層具備感知層信息實(shí)時(shí)收取、應(yīng)用層數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)功能。網(wǎng)絡(luò)層軟件處理過(guò)程如圖10所示。

3.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 手機(jī)端功能設(shè)計(jì)

手機(jī)端運(yùn)行軟件基于Android 5.0 操作系統(tǒng)，采用Java 語(yǔ)言開發(fā)。通過(guò)TCP/IP 協(xié)議向服務(wù)器端口發(fā)送正確的請(qǐng)求連接指令和請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令，與服務(wù)器建立連接后獲取終端采集的數(shù)據(jù)[8]。

圖10 網(wǎng)絡(luò)層處理數(shù)據(jù)流程Fig.10 Network layer processing data flow chart

3.3.2 PC 端功能設(shè)計(jì)

PC 端軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，開發(fā)語(yǔ)言為C#。PC 端采用與手機(jī)端同樣的連接方式。具有歷史數(shù)據(jù)離線保存、數(shù)據(jù)分析和變壓器異常報(bào)警等功能[9]。PC 端接收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后對(duì)其進(jìn)行拆包工作，將溫度和紅外傳感器數(shù)據(jù)從包體中提取出來(lái)，PC 端拆包過(guò)程如圖11所示。

圖11 客戶端拆包流程Fig.11 Client unpacking flow chart

客戶端拆包過(guò)程如下：調(diào)用函數(shù)獲取包體的長(zhǎng)度，并創(chuàng)建數(shù)組存儲(chǔ)解析出來(lái)的數(shù)據(jù)，識(shí)別包體中標(biāo)識(shí)符在包體中的位置，將包體中標(biāo)識(shí)符前后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建的數(shù)組中，輸入數(shù)組中的下標(biāo)就可以讀取該數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)搭建后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試以檢驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

4.1 測(cè)試條件

所用測(cè)試設(shè)備包括PT100 溫度傳感器、華控興業(yè)CH6 溫度顯示器、深達(dá)威SW-X5 激光測(cè)距設(shè)備、2 臺(tái)筆記本電腦、阿里云服務(wù)器、變壓器、5 V 直流電源。

4.2 測(cè)試項(xiàng)目

本地測(cè)試中，對(duì)系統(tǒng)溫度數(shù)值和物體接近傳感器準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包率進(jìn)行測(cè)試。

本地測(cè)試中，將PT100 溫度傳感器與華控興業(yè)CH6 溫度顯示器連接，用以顯示溫度數(shù)據(jù)。深達(dá)威SW-X5 激光測(cè)距設(shè)備可直接顯示物體接近的距離。以3 m 的物體接近距離為界限，對(duì)比系統(tǒng)物體接近傳感器的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中將1 臺(tái)安裝有GPRS 模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端和1 臺(tái)未安裝GPRS 模塊的單片機(jī)，同時(shí)安裝在校區(qū)變壓器中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其中，安裝有GPRS 模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器存儲(chǔ)，并使用1 臺(tái)安裝有PC 端軟件的聯(lián)網(wǎng)電腦查看數(shù)據(jù)；未安裝GPRS 模塊的單片機(jī)與1 臺(tái)離線電腦通過(guò)USB 接口連接供電，將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)诫娔X中存儲(chǔ)。

4.3 測(cè)試結(jié)果

本地測(cè)試結(jié)果中溫度數(shù)據(jù)對(duì)比見表3，物體接近數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表3 溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Temperature data comparison

表4 物體接近信息對(duì)比Tab.4 Comparison of object proximity information

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果中，將離線與云端兩者數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件進(jìn)行分析。離線數(shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12所示。

圖12 離線端與云端數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Comparison of off-line and cloud data

4.4 結(jié)果分析

由表3 可知，系統(tǒng)溫度傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)與PT100 溫度傳感器數(shù)據(jù)保持一致，系統(tǒng)測(cè)量溫度與實(shí)際溫度誤差較小，測(cè)量精度較高，故滿足監(jiān)測(cè)要求。

由表4 可知，在距離2．745 m和2．861 m 時(shí)，系統(tǒng)物體接近信息顯示為0；距離2．984 m和超出3 m時(shí)物體接近信息顯示為1。說(shuō)明系統(tǒng)物體接近測(cè)量信息準(zhǔn)確，滿足監(jiān)測(cè)要求。

在圖12 中，圖12a 為離線數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，兩者曲線不重合是由于網(wǎng)絡(luò)延遲造成的。因此，需對(duì)比兩曲線數(shù)據(jù)是否一致，若一致就說(shuō)明采集數(shù)據(jù)相同且未丟失；若不一致則說(shuō)明采集數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤。圖12b 為圖12a 數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，對(duì)比值為1 表示數(shù)據(jù)相同，未發(fā)生丟失現(xiàn)象。由圖12b 可見，對(duì)比值全部為1，表明在該時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)丟包率為0，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定可靠。圖12c 為離線數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)在發(fā)送相同數(shù)據(jù)時(shí)的日志時(shí)間對(duì)比，圖12d 為圖12c 中兩者耗時(shí)的時(shí)間差。由圖12d 可見，差值穩(wěn)定在1．1 s 左右，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)延遲低。

綜上所述，采用GPRS 模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合監(jiān)測(cè)要求，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可使供電企業(yè)通過(guò)PC和移動(dòng)手機(jī)終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看變壓器運(yùn)行參數(shù)信息，掌握變壓器運(yùn)行狀態(tài)，縮短變壓器巡檢時(shí)間，提高巡檢效率。