基于ARM的遠程環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

鄧猛，李倩

（安徽三人信息科技有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

高壓換流站是具有整流、逆變等多種功能的高壓直流電力設(shè)施，是直流輸電的基礎(chǔ)，對其進行合理化的設(shè)計和構(gòu)建，對于促進電力工程活動的有效進行具有重要作用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國建設(shè)特高壓工程等級不斷提高，對換流站建設(shè)的技術(shù)及安全等也提出了越來越高的要求[1]。GIS、換流閥等是特高壓換流站工程中的核心設(shè)備[2]，它的安全運行會受到溫度、濕度和粉塵度等環(huán)境因素的影響。為保障換流站設(shè)備的正確安裝和穩(wěn)定運行，因此，需要實時、準確地掌握特高壓換流站的環(huán)境因素[3-6]。

目前使用的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備有單套溫濕度測試儀、激光粉塵儀、圖像監(jiān)控系統(tǒng)等，主要對單一的某個環(huán)境參數(shù)或現(xiàn)場條件進行監(jiān)視和測量，并且實時性較差。電子與信息技術(shù)的發(fā)展為生活帶來更多便捷，也為實時掌握周圍環(huán)境變化提供了可能[7]。鄭龍等[8]以CC2530為傳感節(jié)點主控芯片[9]，將溫度、光照、空氣質(zhì)量等傳感器采集的信息進行數(shù)據(jù)融合并匯集到服務(wù)器平臺[10]，用戶通過移動終端登錄到服務(wù)器即可查看實時環(huán)境信息。周本立等[11]通過整合現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一 種集溫濕度、粉塵度、圖像監(jiān)控于一體的監(jiān)控設(shè)備，支持本地TFT顯示屏顯示[12]，通過云平臺系統(tǒng)軟件[13-14]可支持手機 APP 信號讀取和短信發(fā)送報警功能，在工程實踐中取得了良好的效果。陳錫磊等[15]針對±800 kV 特高壓直流換流站閥廳內(nèi)部有空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié),大氣密度、溫度、濕度等都不同于標準氣象條件的特點，采用g參數(shù)法對非標準氣象條件下空氣間隙的放電特性進行了修正。

本文基于32位的ARM微控制器STM32F103，通過集成濕度、濕度、壓力、空氣質(zhì)量（CO2、甲醛、VOC）等多種環(huán)境質(zhì)量參數(shù)采集模塊，并利用移動通信網(wǎng)絡(luò)和便攜式移動客戶終端傳送特高壓換流站的實時環(huán)境信息，設(shè)計了一款遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。使用表明，具有較好的效果。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)由STM32F103微控制器與智能空氣環(huán)境監(jiān)測、無線傳輸、時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤、顯示、報警、電源等模塊組成,如圖1所示。

圖1 遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成原理Fig.1 Composition principle of remote environmental monitoring system

系統(tǒng)開機通過自檢進入正常工作狀態(tài)后，在設(shè)定的時間間隔內(nèi)，空氣質(zhì)量變送器通過自帶的傳感器檢測出溫度、濕度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、氣壓、VOC、甲醛、CO2等環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，然后通過RS485總線傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器。在系統(tǒng)控制器的作用下，環(huán)境質(zhì)量參數(shù)實時顯示在顯示屏上，并立即進行存儲和通過無線路傳輸模塊發(fā)送到遠程移動終端。如果環(huán)境質(zhì)量參數(shù)超過相應(yīng)的閾值，聲光報警器同時會發(fā)出報警信息。

2 主要硬件模塊

2.1 系統(tǒng)控制器

本系統(tǒng)采用STM32F103為微控制器。STM32F103是具有ARM Cortex-M3核心、LQFP-144封裝的32位微控制器，內(nèi)含512K片內(nèi)FLASH、64K片內(nèi)RAM且片內(nèi)FLASH支持在線編程（IAP）。該微控制器頻率高達72MHz，片內(nèi)雙RC晶振提供8M和32K頻率，數(shù)據(jù)、指令多流水線操作，支持JTAG、SWD調(diào)試，可實現(xiàn)高速低成本開發(fā)。STM32F103微控制器系統(tǒng)內(nèi)有80個IO、4個通用定時器、2個高級定時順口、2個基本定時器、3個SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、1個USB從設(shè)備接口、1個CAN接口、1上SDIO接口、3路16通道12位AD輸入和2路2通道DA輸出，CPU操作電壓范圍2.0～3.6 V。

2.2 環(huán)境質(zhì)量變送器

本系統(tǒng)采用集成的AS02-K8-x智能空氣環(huán)境監(jiān)測變送器實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量參數(shù)的檢測。該變送器采用原裝進口紅外CO2、激光顆粒、電化學(xué)甲醛檢測單元，能夠檢測溫度、濕度、PM2.5、PM10、PM5、PM0.5、氣壓、VOC、甲醛、CO2等多個環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，測量精度高、抗干擾能力強。DC12～24 V供電，能夠?qū)崟r采集發(fā)送，并有可參考的小時平均值，同時配備的模擬4～20 mA輸出、0～10 V、RS485信號輸出，標準MODBUS-RTU通信協(xié)議，支持多臺組網(wǎng)式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)安裝，組網(wǎng)數(shù)量最大可達254個，分辨率可達到1 ppm，相對誤差可小于5%。

2.3 無線傳輸模塊

本系統(tǒng)采用龍尚U8300W作為無線通信模塊。該模塊是一款適用于FDD-LTE/TDD-LTE/TDSCDMA/UMTS/EVDO/ EDGE/GPRS/GSM/CDMA等多種網(wǎng)絡(luò)制式的無線終端，可支持多種頻段。U8300采用先進的高度集成設(shè)計方案，將射頻、基帶集成在一塊PCB上，完成無線接收、發(fā)射、基帶信號處理和間頻信號處理功能，雙面布局，結(jié)構(gòu)緊湊。該模塊支持AT命令擴展，具有USB接口、UART接口、USIM/SIM接口、PCM接口、RESET接口、電源接口和電壓輸出，可實現(xiàn)用戶個性化定制。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計。主要模塊有主模塊、系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RS485通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊、聲光報警模塊、鍵盤掃描模塊等,其中主模塊如圖 2所示。

4 結(jié)論

本文以STM32F103為微控制器，集成多種參數(shù)檢測的環(huán)境質(zhì)量變送器、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲與人機接口模塊，實現(xiàn)對濕度、濕度、壓力、空氣質(zhì)量（CO2、甲醛、VOC）等多種環(huán)境質(zhì)量參數(shù)的檢測，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和便攜式移動客戶終端傳送特高壓換流站的實時環(huán)境信息。

目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于內(nèi)蒙古錫林浩特錫盟換流站并為該換流站換流閥的安裝調(diào)試提供了全過程技術(shù)保障。結(jié)果表明, 該系統(tǒng)具有較好的使用效果，也可應(yīng)用于其他場所的環(huán)境參數(shù)檢測。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Master program flow chart