鐵路配電所斷路器狀態遠程監測系統

王亞鵬，劉亞輝

（鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州，450000）

0 引言

隨著人工智能、計算機及其相關技術的飛速發展，世界各國都開展了利用高新技術改造傳統鐵路運輸的研究，目的在于提高鐵路運輸效率、增強鐵路運營安全、提高服務質量、減少環境污染[1]。然而，在鐵路電力系統中，依然存在很多老舊設備，通過人工去檢測記錄不僅容易產生錯誤，而且在此之中使用了大量的人力物力資源，造成資源的浪費。不利于發展鐵路提質增效的新形勢。

在這樣的背景下，鐵路電力系統運行質量逐漸成為影響鐵路交通運輸事業發展的關鍵[2]，提高鐵路電力作業人員的生產效率就能間接提高鐵路的生產運輸效率。本文通過STM32設計一款斷路器狀態遠程監測系統，方便人員遠程監測電壓電流值，無需每小時去一趟配電所，大大節省了人力物力。

STM32是一款高性能、實時性、數字信號處理的處理器，正因為如此，很多電子設計都使用其作為處理器。栗克國使用STM32F103C8T6為芯片設計了自容 式無線波高傳感器[3]。王云飛以STM32F103VCT6為控制核心通過各種傳感器可以自動測量液體的參數，判斷液體的種類[4]。史利通過STM32對網球在被發射前和旋轉飛行在空中的受力情況進行了研究[5]。

1 系統總體方案設計

本系統以STM32F103RCT6作為處理器，電流互感器、電壓互感器、電流整流模塊，電壓整流模塊，ASM穩壓模塊，溫度傳感器模塊組成電壓電流檢測部分，蜂鳴器模塊和LED顯示模塊作為測試結果顯示和報警部分。由電壓互感器采集電壓并由整流模塊輸送給單片機，由電流互感器采集電流并由整流模塊輸送給單片機，溫度傳感器采集斷路器溫度。再通過STM32自帶的ADC將模擬量轉換為數字量，并通過液晶屏進行在線顯示。對采集的信息進行處理，與行規規定的范圍值進行比較，控制蜂鳴器進行報警。在手機端也設計開發出一款APP，通過安裝路由器可遠程監測該斷路器的電壓電流值。系統的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 電流電壓整流電路

從電流互感器，電壓互感器直接引入STM32，STM32無法識別，必須將交流電流電壓整流成直流電流電壓，STM32的GPIO設置為電壓模式。STM32才能識別互感器輸入的信號。并通過ADC將電壓轉換為STM32可識別的數字信號，進行處理。

圖2為電流電壓整流電路，使用4個IN4148二極管進行橋式整流，并通過電容進行濾波，D35為回饋二極管，當輸入電壓過大時，其導通，電流就給STM32供電。從而防止燒壞板子。

圖2 電流電壓整流電路

2.2 WiFi模塊

ESP8266可以用來做串口透傳，PWM調控，遠程控制開關：控制插座、開關、電器等。該模塊有三種工作模式。

表1 ESP8266 WiFi模塊工作模式

本次調試鑒于只是試用階段，因此只使用AP模式，將ESP8266模塊作為熱點，手機或電腦直接與模塊連接，實現局域網無線控制。

根據圖3將ESP8266的引腳接入STM32的VCC、RST、USART3 RX，USART3 TX引腳。并通過USB-TLL下載器與該模塊連接到電腦，進行AT指令通信，進行調試。

圖3 WiFi模塊管腳連接圖

2.3 主控電路

傳感器采用STM32F103RCT6作為主控芯片，芯體位寬32位，主頻最高可達72 MHz，閃存大小為256k，RAM大 小 為48k。通 訊 方 式 有CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB方式。具有性能高、成本低、功耗低等優點。外部擴展W25Q64 Flash存儲器、SPI接口OLED顯示模塊、啟用外部晶振、和高精度時鐘晶振，啟用ADC、設計2路串口通信，設計二個key按鍵復合接口，實現對外圍電路和總體管理控制。

2.4 顯示電路

傳感器使用1.3寸SPI接口OLED液晶屏IIC顯示屏12864作為顯示器件，其支持SPI總線，支持3.3V供電，功耗低，使用方便。僅需要4根線即可實現控制，分別為GND、VCC、SCL、SDA可方便集成到電路板中。本設計中，使用MCU的PC10、PC11腳作 為SPI總線的SDA和SCL腳，采用軟件模擬方式進行數據通信和顯示控制。

2.5 USB電路

STM32采用USB供電，通過接入CH340芯片為單片機提供5V的直流電。其中USB的VCC接CH340芯片的16引腳，為其供電。2，3引腳為數據線接CH340的5、6引腳。V3引腳在5V電源電壓時外接容量為0.01μF的退耦電容。另外，使用ASM1117-3.3V穩壓芯片為處理器提供3.3V電源。

程序下載支持仿真器和串口下載，串口下載時，DTR和RTS引腳在一般情況下是高電平，低電平有效。因為STM32的RESET引腳，也是一般情況下是高電平，低電平復位，所以DTR可以與RESET直接連接。但是BOOT0是高電平下載程序，低電平運行程序，正好與RTS相反，所以我們需要把它反相，加一個NPN三極管即可。

3 系統軟件設計

系統軟件使用Keil uVision5集成開發環境使用C語言開發，采用模塊化設計方法設計，主要包括系統初始化、人機交互、數據通信、數據采集存儲等功能模塊。

3.1 總體軟件流程

軟件主流程如圖5所示，系統上電后，首先進行系統自檢和初始化，從Flash讀取儀器配置參數，并根據參數設置儀器狀態，初始化完成后進入While（1）循環程序，循環處理鍵盤響應、狀態維護、數據傳輸工作。使用OLED液晶顯示屏12864作為人機交互顯示屏，使用蜂鳴器作為報警信號。電壓互感器使用DL-PT202H1電流型精密電壓互感器，電流互感器采用南京向上公司的OPCT10AL，變比為1000:1，輸入0～60A，輸出0～60mA。開口型電流互感器方便接入到斷路器輸出導線中。溫度探頭DS18820可伸入到斷路器內部檢查其溫度，防止其溫度過高發生粘連，造成過流無法動作。根據國鐵集團發布的《鐵路電力管理規則》，10kV及以下三相供電線路，供電電壓允許偏差為額定值得+7%～-7%。對于380V三相電，供電電壓為353V～406V。因此程序中，當電壓大于406V，小于353V，電流大于60A（整定值），溫度大于80oC時，單片機應該報警，蜂鳴器發聲，液晶屏閃爍。同時如果連接手機，就能將數據發送至手機APP端。

圖4 USB轉串口原理圖

圖5 軟件設計流程圖

3.2 核心代碼

本項目通過keil 5作為軟件開發平臺，通過圖6代碼對計算結果進行處理，因為ADC采集電壓時若使用外部參考電壓，如果外部電壓變化，且低于正常LDO工作電壓時，輸出的電壓將發生改變，導致基準電壓改變而導致ADC電壓出現偏差，因此本文利用內部參考的校準電壓值和實際讀取的內部參考電壓值作一個線性關系，將這個斜率對應到需要測量的通道值。

圖6 核心代碼

先將測量的模擬值通過STM32內部參考的校準電壓值和實際讀取值進行對比，消除電壓波動造成的干擾。再將校準后模擬值乘以標定電壓值，再除以標定模擬值，就能得到相對精確的實際電壓值，轉換成數組的形式，通過液晶屏顯示出來。

4 APP設計

本項目使用易安卓平臺開發APP，易安卓是一個基于谷歌Simple語言的編程工具，旨在實現通過類似易語言的Basic語法輕松編寫Android應用程序。E4A擁有和易語言一樣的可視化開發環境，以及強大的智能語法提示功能。純中文編寫代碼，比英文更具親和力，E4A已經內置了Android1.5開發包SDK，只需額外下載安裝Java1.6開發包JDK即可。

該APP由主窗口和顯示窗口組成，主窗口主要用來掃描WiFi模塊發出的信號，并進行連接。連接成功后，可進入顯示窗口查看由STM32檢測出的電壓電流溫度值。便于作業人員足不出戶監測斷路器的狀態。通過顯示窗口，還可設置RCT時鐘的時間，用來記錄當前時間的電壓電流溫度值。

如圖7所示，進入APP后選擇HC-05進行連接。連接成功后就進入顯示窗口界面（見圖8），就可查看STM32顯示的日期時間、AB電壓、BC電壓、CA電壓、A相電流、B相電流、C相電流、溫度等示數。與實際萬用表的測量數值很接近，可以視為斷路器的實際電壓電流值。

圖7 WiFi連接界面

圖8 斷路器狀態顯示界面

5 結語

提高鐵路生產運輸效率是在鐵路提質增效的新形勢下，更好地為旅客提供優質運輸服務，助力我國經濟平穩向好發展的重要舉措[6]。本文通過軟硬件設計，設計并實現了一種基于STM32的斷路器狀態遠程監測系統，提高了鐵路電力作業人員的生產效率。通過電流互感器、電壓互感器、溫度傳感器檢測斷路器的狀態，并通過顯示屏12864顯示對應的電流值，電壓值，溫度值。當電壓、電流、溫度不符合要求時，進行報警，提醒作業人員進行處理。通過WiFi可以遠程傳輸數據，通過手機APP可查看當前斷路器的狀態。

由于本系統的配電所條件限制，目前WiFi只能點對點通信，未來將加入4G功能，實現作業人員在工區遠程監測斷路器狀態。

本系統沒有加入數據存儲功能，未來將進行升級，每分鐘記錄一次斷路器狀態，通過計算機可繪制負荷波形。