基于STM32單片機(jī)的變電站輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王漢林，鐘建偉，吳穎穎，李禎維，吳建軍，李家俊

（1.湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院,湖北恩施,445000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司,湖北恩施,445000）

0 引言

隨著各行各業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及自動化水平的逐漸提升，各產(chǎn)業(yè)對電能需求增大的同時也促進(jìn)電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，并且衍生出對電網(wǎng)供電安全性及可靠性的更高要求[1]。變電站作為電網(wǎng)不可分割且極其重要的一部分，確保變電站能夠長時間運(yùn)行在穩(wěn)定、安全的狀態(tài)下，無疑可以極大保證電網(wǎng)的安全可靠。而國內(nèi)目前對一、二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和檢修的研究較多，對與之配套的輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少，因此，為提高變電站自動化水平，同時為了保證變電站可靠性的需求，需要設(shè)計一套變電站輔助設(shè)備實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，這對減少事故發(fā)生、提離設(shè)備運(yùn)行可靠性具有重要意義[2～ 3]。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)的輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用DHT11溫濕度傳感器、BMP180壓力傳感器，MQ-2煙霧傳感器對溫濕度數(shù)據(jù)，氣壓數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)、煙霧濃度進(jìn)行高速測量，并把測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)，并把數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，同時通過ESP8266發(fā)送這些數(shù)據(jù)到上位機(jī)并顯示，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 STM32F407ZGT6芯片

STM32F4 是意法半導(dǎo)體（ST）公司在2011年推出的一種高性能微控制器系列[4]。STM32F407ZGT6采用Cortex M4作為內(nèi)核，其頻率高達(dá)168MHZ，可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算以及可執(zhí)行全套DSP指令，擁有192KB隨機(jī)存取存儲器，1024KB閃存。它一共擁有14個定時器，支持串行（SWD）、JTAG調(diào)試等[5]。

1.2 DTH11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的工作電壓為3.3V-5.5V，其能夠測量的濕度范圍是20-90%相對濕度（Relative Humidity,RH），溫度范圍是0-50℃，滿足應(yīng)用于變電站輔助設(shè)備監(jiān)控的要求。

DHT11連接電路圖如圖2所示，VCC接入5V工作電壓，DATA接STM32單片機(jī)中的PG9引腳，傳感器檢測到的溫、濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過PG9傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，NC置空，GND接地。

圖2 DHT11電路圖

1.3 BMP180壓力傳感器

BMP180是一種高精度數(shù)字壓阻式壓力傳感器，具有高精確度、超低功耗以及長期穩(wěn)定性，低電壓電子元件經(jīng)過優(yōu)化，能夠正常工作在絕大部分環(huán)境下[6～ 7]。

BMP180連接電路圖如圖3所示，VIN接入5V工作電壓，GND接地，SCL接STM32單片機(jī)中的PB8引腳，SDA接STM32單片機(jī)中的PB9引腳，SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)，SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

圖3 BMP180電路圖

1.4 MQ-2煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器工作在5V電壓下，其采用雙路信號輸出，包括模擬量輸出以及TTL電平輸出，TTL輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機(jī)，模擬量輸出0-5V電壓，濃度越高電壓越高。MQ-2煙霧傳感器對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度，并且具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，還擁有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性[8]。

BMP180連接電路圖如圖4所示，VCC接入5V工作電壓，GND接地，AO置空，DO接STM32單片機(jī)中的PC1引腳，傳感器檢測到的煙霧濃度據(jù)經(jīng)過PC1傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)。

圖4 MQ-2電路圖

1.5 ESP8266WIFI模塊

ATK-ESP8266是ALIENTEK推出的一款高性能的UARTWiFi（串口-無線）模塊，其采用串口與微控制單元通信，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧可實(shí)現(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA、串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，可快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)[9～ 10]。

ATK-ESP8266連接電路圖如圖5所示，VCC接入5V工作電壓，GND接地，TXD接STM32單片機(jī)中的TXD引腳，TXD是模塊串口接受腳，RXD接STM32單片機(jī)中的RXD引腳，RXD是模塊串口發(fā)送腳，RST接STM32單片機(jī)中的KEY引腳，其起到復(fù)位的作用，IO_0接STM32單片機(jī)中的LED引腳，用于進(jìn)入固件燒寫模式，低電平是燒寫模式，高電平是運(yùn)行模式。

圖5 ATK-ESP8266電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先初始化串口、延時函數(shù)、LCD、ATK-ESP8266、DHT11溫濕度傳感器、BMP180壓力傳感器、MQ-2煙霧傳感器，接著采集氣壓數(shù)據(jù)并計算海拔，采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，采集煙霧濃度，然后經(jīng)TFTLCD顯示屏顯示當(dāng)前氣壓值、海拔高度、當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度以及當(dāng)前煙霧濃度，并且這些數(shù)據(jù)通過ATKESP8266發(fā)送到上位機(jī)，圖6為系統(tǒng)流程圖。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試

在Keil uVision5軟件上編寫程序，并通過ST-LINK將程序燒入單片機(jī)，將DHT11溫濕度傳感器傳感器、BMP180壓力傳感器、MQ-2煙霧傳感器連接到單片機(jī)上，打開電源開關(guān)后，點(diǎn)擊串口調(diào)試助手的“打開串口”，通過串口調(diào)試助手XCOM可以在電腦上實(shí)時監(jiān)控串口傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)、氣壓海拔數(shù)據(jù)以及煙霧濃度數(shù)據(jù)，將電腦和ATK-ESP8266同時連接到同一無線網(wǎng)內(nèi)，打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手可以接收到ATK-ESP8266發(fā)送到上位機(jī)的溫濕度數(shù)據(jù)、氣壓海拔數(shù)據(jù)以及煙霧濃度數(shù)據(jù)，并可以通過界面直觀的觀測到在不同時間段獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)。如圖7所示。

圖7 串口數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)助手采集的數(shù)據(jù)

為測試本文所設(shè)計的系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在恩施某變電站內(nèi)使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測量，表1為系統(tǒng)實(shí)時采集到部分?jǐn)?shù)據(jù)，每隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

表1 系統(tǒng)采集的部分時段溫濕度數(shù)據(jù)

9 18 54 97044 389.25 11.357213 10 18 54 97043 389.25 10.654983 11 18 54 97040 389.25 11.093482 12 17 55 97037 389.25 10.829386 13 18 54 97042 389.25 11.192837 14 18 54 97047 389.25 10.932692 15 19 55 97046 389.25 11.297843

為測試DHT11溫濕度傳感器靈敏度，記錄下測試前溫濕度傳感器讀取到的溫濕度數(shù)據(jù)，如圖8左側(cè)所示，對著溫濕度傳感器長哈一口氣，如圖8右側(cè)所示，我們可以清晰的觀察到讀取到的溫濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)生了明顯的變化，溫度從24℃上升到了28℃，濕度從64%RH上升到95%RH。

圖8 溫濕度傳感器測試前、后數(shù)據(jù)

為測試MQ-2煙霧傳感器靈敏度，記錄下測試前煙霧傳感器讀取到的煙霧濃度數(shù)據(jù)，如圖9左側(cè)所示，使用打火機(jī)對煙霧傳感器噴可燃性氣體，得到圖9右側(cè)所示煙霧濃度數(shù)據(jù)，可以觀察到讀取到的煙霧濃度數(shù)據(jù)發(fā)生了很大幅度的變化，煙霧濃度從10.506213ppm上升到2268.210534ppm。

圖9 煙霧傳感器測試前、后數(shù)據(jù)

為測試BMP180壓力傳感器靈敏度，記錄下測試前壓力傳感器讀取到的氣壓數(shù)據(jù)和根據(jù)氣壓計算得到的海拔數(shù)據(jù)，如圖10左側(cè)所示，從三樓將設(shè)備移到1樓可以得到圖10右側(cè)所示數(shù)據(jù)，從圖10右側(cè)中，觀察到大氣壓數(shù)據(jù)從95028Pa上升到95099Pa，海拔數(shù)據(jù)從537米左右下降到531米左右。

圖10 壓力傳感器測試前、后數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本系統(tǒng)是利用STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計的變電站輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站內(nèi)輔助設(shè)備溫、濕度數(shù)據(jù)，氣壓數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)以及煙霧濃度數(shù)據(jù)的有效采集，具有功耗低、體積小、實(shí)時性、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，采用的硬件具有較好的可靠性，可工作在大部分變電站內(nèi)，有較高的實(shí)用性，下一步擬采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。