基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)研究

陳淑春，劉大永，胡寶玲

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定，071001）

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其架構(gòu)主要包括三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。在該系統(tǒng)中，感知層會利用傳感器來對溫度、濕度等信息進行檢測，然后將這些檢測到的信息發(fā)送至單片機處理，單片機則會利用通信模塊把處理后的變壓器狀態(tài)信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)層中，從而使供電企業(yè)能夠利用計算機等終端設(shè)備來實時查看這些變壓器狀態(tài)信息。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 感知層中的硬件設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)便是感知層，為了確保能夠進行數(shù)據(jù)檢測與傳輸，需要在感知層中應(yīng)用到傳感器、通信模塊與單片機。

2.1.1 單片機型號選擇

對于單片機來說，其功能在于信息處理，單片機中包含有時鐘電路、中斷電路、定時電路、網(wǎng)絡(luò)接口、處理器、ROM、電源、RAM等。單片機在檢測變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)時需要確保其檢測穩(wěn)定性與實時性，并且還要滿足低功耗性、經(jīng)濟性等要求。考慮到采用51系統(tǒng)單片機時，其運行速度并不高，而且容易造成芯片燒毀，如果采用STM32芯片，該芯片成本低、功耗低，芯片性能也較好，不過其缺點是不能對敏捷開發(fā)進行支持。為此，在該系統(tǒng)中需要采用phyCORE-AM57x處理器芯片，該芯片集成了 C66 DSP 內(nèi)核與ARM Cortex A15 內(nèi)核，在AM57x中內(nèi)置的多種加速單元，這能夠使其具備敏捷開發(fā)功能，具有很強的應(yīng)用性，在本系統(tǒng)中應(yīng)用了phyCORE-AM57x處理器芯片。

2.1.2 傳感器型號選擇及電路設(shè)計

(1)傳感器型號選擇

在對變壓器健康狀態(tài)進行診斷時，需要分析其中一個重要的參數(shù)，即油溫，而這便需要應(yīng)用到溫度傳感器，在對溫度傳感器進行選型時，需要確保采用的油浸自冷式或油浸風(fēng)冷式變壓器，其上層油溫需要控制在85℃以內(nèi)。在該系統(tǒng)中應(yīng)用了BWY-803A（TH）溫度傳感器，該傳感器的測溫范圍在0℃至120℃之間，以此滿足油溫測量要求。為了防止變壓器有人靠近，需要安裝接近傳感器，這樣當(dāng)有人或小動物接近變壓器時，接近傳感器便會自動發(fā)出警報，考慮到普通的接近傳感器容易出現(xiàn)誤報，所以選擇的接近傳感器應(yīng)采用紅外線檢測方式，型號為ADIS16209CCCZ，該型號紅外接近傳感器能夠在-40℃至125℃的溫度范圍下正常工作，而且檢測距離可達到7m，檢測錐角在180度左右，更重要的是其具備良好的防電磁干擾性能與感知性能，這樣便可滿足系統(tǒng)的遠程監(jiān)測要求。

(2)信號采集電路設(shè)計

在對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)進行設(shè)計時，還要設(shè)計信號采集電路，以確保采集的數(shù)據(jù)能夠精確、可靠，該電路需要利用外部電源來進行供電，電路中的GND、OUT、VCC引腳則和phyCORE-AM57x處理器的GND.6號數(shù)字引腳以及5V電源接口分別連接。在對接近感應(yīng)電路進行設(shè)計時，其GND、OUT以及VCC三個引腳則分別連接至phyCOREAM57x處理器中的GND接口、7號數(shù)字引腳以及5 V電源接口，如果電路感應(yīng)到有人體接近，則會輸出1來表示有人接近，如果沒有檢測到人體接近，則會輸出0來表示無人接近。

2.1.3 通訊模塊及其電路設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，選擇SIMCom企業(yè)所研發(fā)的SIM900A模塊作為系統(tǒng)通訊模塊，該模塊不僅穩(wěn)定性好，而且在功耗及成本方面也有良好的優(yōu)越性。通信模塊利用5V電源來進行供電，在phyCOREAM57x處理器中，其TX和RX引腳分別連接至SIM900A模塊內(nèi)的RX與TX引腳。此外，系統(tǒng)還將SIM卡插入到SIM900A模塊內(nèi)，以確保數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正常連接，AT指令則由phyCOREAM57x處理器來執(zhí)行，以確保服務(wù)器和SIM900A模塊實現(xiàn)無線化的數(shù)據(jù)連接。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層中的硬件設(shè)計

應(yīng)用層和感知層是利用網(wǎng)絡(luò)層來進行連接的，網(wǎng)絡(luò)層由服務(wù)器與通訊基站所構(gòu)成，這樣便可通過終端設(shè)備來進行參數(shù)采集與傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層中采用的服務(wù)器為阿里云服務(wù)器，并應(yīng)用了Windows Server操作系統(tǒng)。

2.3 應(yīng)用層中的硬件設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，需要將相應(yīng)的監(jiān)測軟件安裝到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)分為手機端系統(tǒng)與PC端系統(tǒng)兩種，其中PC端系統(tǒng)采用Windows 10，而手機端系統(tǒng)則采用Android 9.0，這樣工作人員便可利用PC端或手機中安裝的軟件來實時掌握變壓器的運行數(shù)據(jù)變化情況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

3.1 感知層中的軟件設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，Arduino IDE軟件采用C語言來進行集成化開發(fā)，結(jié)合變壓器遠端監(jiān)測工作需要，確保系統(tǒng)軟件能夠?qū)崟r采集與上傳變壓器監(jiān)測信息。在對感知層中的Arduino IDE軟件進行設(shè)計時，具體包括以下流程，分別是初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合及傳輸。

3.1.1 初始化及數(shù)據(jù)采集

在對單片機進行供電以后，系統(tǒng)會進行初始化操作，以確保AT指令在被執(zhí)行后，系統(tǒng)能夠和服務(wù)器進行TCP/IP連接，這樣系統(tǒng)便可對紅外傳感器以及溫度傳感器所檢測到的變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，然后對這些數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換后使其成為具體的數(shù)值。

3.1.2 數(shù)據(jù)整合及傳輸

數(shù)據(jù)整合及傳輸實質(zhì)上是匯總傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸至相應(yīng)的服務(wù)器端，系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，還要制定相應(yīng)的通信協(xié)議，以確保感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層得以連接起來。在通信協(xié)議中，其包括三個組成部分，即包體、包頭與檢驗位，其中設(shè)備識別信息是通過包頭部分來完成的，各個請求數(shù)據(jù)包內(nèi)的包頭長度和格式都是固定的，包頭指的便是標(biāo)志位。在包體中則含有不同傳感器所檢測的各類數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行程序，能夠使這些數(shù)據(jù)被統(tǒng)一封裝至包體內(nèi)。檢驗位則能夠校驗包體中含有的數(shù)據(jù)，其是采用奇校驗方法來完成的。系統(tǒng)在整合數(shù)據(jù)及傳送過程中，需要對設(shè)備的ID進行獲取，然后依據(jù)通信協(xié)議來整合傳感器數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)被打包以后能夠通過AT指令傳輸至服務(wù)器中。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層中的軟件設(shè)計

在對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)進行設(shè)計時，需要將Visual Studio 2019作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的開發(fā)環(huán)境，并利用C#語言來進行系統(tǒng)開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)層能夠?qū)崟r采集感知層信息，并對應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)請求進行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及處理。

3.3 應(yīng)用層中的軟件設(shè)計

3.3.1 手機端設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其手機端系統(tǒng)采用Android 9.0，并通過Java語言來進行軟件開發(fā)，服務(wù)器端口所收到的請求數(shù)據(jù)及請求連接等指令則是利用TCP/IP協(xié)議來完成的，系統(tǒng)會在連接至服務(wù)器后對手機終端設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)進行接收。

3.3.2 PC端設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其PC端系統(tǒng)采用Windows 10，并利用Visual Studio 2019作為軟件開發(fā)環(huán)境，通過C#語言來作為軟件程序開發(fā)語言。PC端和手機端的連接方式是相同的，PC端軟件不僅能夠?qū)ψ儔浩鞴收线M行報警，還能對變壓器的健康狀況數(shù)據(jù)進行分析，并可離線存儲變壓器的歷史健康數(shù)據(jù)。當(dāng)服務(wù)器將數(shù)據(jù)包發(fā)送至PC端系統(tǒng)軟件后，PC端會自動對這些數(shù)據(jù)包實施拆包處理，然后從包體中提取其中的紅外傳感器數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

通過設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)，能夠使供電企業(yè)利用移動端和PC端來診斷變壓器的健康狀況數(shù)據(jù)，并且當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時還能實現(xiàn)自動預(yù)警，這勢必能夠幫助相關(guān)人員更加全面、實時的掌握變壓器的運行狀態(tài)，這不僅大幅縮短了變壓器的巡檢時間，而且也能使供電企業(yè)對變壓器的巡檢效率得到顯著提高，