輸變電工程水土保持在線監測系統關鍵技術研究

朱明星

（國網蚌埠供電公司，安徽 蚌埠233000）

水土環境信息是輸變電工程水土保持管理工作開展的重要參考依據，要求環境監測數據具有較高的準確性和實時性[1]。因此，開發一套環境在線監測系統顯得尤為重要。雖然中國在數據信息傳輸方式和信息采集設備控制兩個方面研究取得了一些成果，但是缺少信息傳輸方式和設備集成控制的有效結合研究[2-3]。本文將選取STM32F103C8T6 單片機作為核心控制器，提出在線監測系統關鍵技術研究。

1 基于傳感器技術的在線監測系統設計

1.1 系統總體框架結構設計

本文針對輸變電工程水土保持監測問題，引入雙通信建設模式，采用無線傳輸模式傳送水土環境信息。系統總體框架結構設計方案如圖1 所示。

本系統主要由信息采集終端、遠程監控中心、用戶手機以及無線傳輸模塊四部分構成。其中，信息采集終端是水土環境信息采集模塊，在單片機控制下，利用傳感器分別采集數據信息，通過GPRS DTU 模塊將采集到的信息發送遠程監測中心，由太陽能供電系統向信息采集終端各個設備提供電能。

圖1 系統總體框架結構設計方案

1.2 系統硬件設計

1.2.1 傳感器選型

本設計方案根據傳感器測量精準度指標信息，結合成本控制要求，合理選取監測系統傳感器型號。傳感器型號選取方案如表1 所示。

表1 傳感器型號選取方案

1.2.2 工程環境信息采集

工程環境信息采集模塊是系統硬件設計的核心，選取STM32 系列單片機作為核心控制器，分別對各類傳感器、液晶顯示屏、外部存儲器、實時時鐘芯片、GPRS DTU 模塊進行控制，形成完善的工程環境信息采集框架結構。

1.2.2.1 單片機最小單元

本研究以STM32F103C8T6 型號單片機為核心，開發了一套監測系統。

該單片機具有較強的抗干擾能力，運行速度較快，功耗較低，內部含有DMA 控制器、定時器、看門狗、多通信接口、Flash 存儲器、SRAM 存儲器等外內外設，滿足在線監測系統開發需求，工作電壓范圍為2.0～3.6 V。

1.2.2.2 外部存儲器

本系統選取M25 P128 芯片作為外部存儲器控制器件，作為單片機外部信息存儲單元，用來存儲工程現場水土環境數據信息。

1.2.2.3 GPRS DTU 模塊

該模塊是信息采集終端數據信息傳輸設備，通過RS-485接口連接到單片機上建立通信連接，串口波特率范圍300～115200 bps，工作電壓范圍5～18 V，電流范圍50～200 mA，可以在-40～80 ℃環境下正常作業。考慮到本系統數據采集周期較長，所以設置模塊作業頻率為9600 bps。

1.2.2.4 系統供電模塊

由于本系統需要長期在外部環境下連續作業，所以對供電要求較高。為了滿足此供電需求，本系統設計方案選取了節能環保供電方法，選取太陽能電池板作為電能獲取裝置，將多余電量存儲至蓄電池中，利用蓄電池充放電控制器調節蓄電池作業模式，從而為系統連續供電。其中，蓄電池存儲電量可以在雨天為系統連續供電5 d。

1.3 系統軟件設計

1.3.1 信息采集

本系統利用C 語言作為程序開發工具，編寫系統軟件運行程序。由于信息數據類型較多，采集時間不同，所以需要分別設置各類傳感器信息采集時間間隔。其中，土壤水分數據、風向數據、風速數據、空氣濕度數據、空氣溫度數據5項指標采集時間間隔均為1 min，雨量數據信息采集時間間隔為1 h。

1.3.2 數據通信

本系統數據通信分為GPRS DTU 無線通信、GSM 無線通信、RS-485 總線通信3 部分，其中，GPRS DTU 無線通信與RS-485 總線通信兩個模塊軟件開發較為成熟，此處著重介紹GSM 無線通信。該通信模塊以SIM900A 芯片為核心控制器，通過發送AT 指令，實現手機短消息發送。借助遠程監測服務器，按照文本格式編輯工程水土環境數據信息，發送至用戶手機。

1.3.3 數據分析終端

本系統數據分析終端主要是讀取數據，將經過CRC 校驗的數據作為監測結果。

分析過程：通過對數據分析模塊進行初始化處理，而后讀取各類傳感器數據，判斷傳感器數據是否讀取完畢，如果讀取完畢，則采取CRC 校驗，剔除錯誤數據，從而提高數據采集精準率，如果還存在沒有讀取的數據，則繼續讀取數據。經過CRC 校驗后的數據將存儲至數據包中，生成工程水土環境監測數據表。

2 系統測試分析

本測試項目利用環境監測系統采集數據，觀察監測中心計算機操作界面數據顯示情況，與現場實地勘察獲取數據進行對比分析。如果各類監測數據精準度超過97%，則認為本系統開發方案滿足工程水土環境監測需求，監測結果可以作為水土保持管理參考依據。監測中心計算機工程水土環境監測界面如圖2 所示，工程水土環境監測數據精準度測試結果如表2 所示。

圖2 監測中心計算機工程水土環境監測界面

表2 工程水土環境監測數據精準度測試結果

通過觀察圖2 中監測界面可知，本系統可以監測工程水土環境信息。表2 中數據監測精準度統計結果表明，本系統信息采集精準度在98%以上，并且監測數據實時性較強，符合系統開發要求。

3 總結

本文圍繞輸變電工程水土保持問題展開研究，為了實時獲取工程水土環境信息，選取STM32 系列單片機作為核心處理器，提出在線監測系統設計研究。該系統支持遠程監測、手機用戶監測兩種工程現場信息獲取方式，為工程水土保持防治工作開展提供了便利條件。系統測試結果表明，本系統可以準確采集工程環境信息，準確率在98%以上，滿足系統開發要求。