基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計

左乾坤，李江全，劉育辰

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子832000）

變壓器是電廠、輸變電網(wǎng)、變電所、企業(yè)內(nèi)部輸變電系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換裝置，是重要的電氣設備，其狀態(tài)好壞直接影響著電網(wǎng)的安全進行[1]。

傳統(tǒng)變壓器監(jiān)測主要依靠人工巡檢方式，耗時長，過程繁瑣，供電企業(yè)難以實時掌握變壓器運行參數(shù)和狀態(tài)[2]。為此，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線方式對分布零散的變壓器設備進行集中管理，對變壓器運行參數(shù)進行實時監(jiān)測。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)體系經(jīng)典3 層架構，依次為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。系統(tǒng)的整體結(jié)構如圖1所示[3]。

圖1 變壓器遠程監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Transformer remote monitoring IoT system

變壓器通過感知層的傳感器檢測溫度、物體接近等信息，傳輸給單片機進行處理，通信模塊再將處理后的變壓器狀態(tài)信息發(fā)送到網(wǎng)絡層服務器，供電企業(yè)通過應用層PC 或手機瀏覽變壓器運行參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 感知層硬件

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎，包括通信模塊、單片機和傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸。其結(jié)構如圖2所示[4]。

圖2 感知層節(jié)點硬件結(jié)構Fig.2 Hardware architecture of perception layer nodes

2.1.1 單片機選型

單片機負責信息處理，主要包括處理器、電源管理、網(wǎng)絡接口、ROM、RAM 輸入輸出、定時、中斷和時鐘電路。單片機總體架構如圖3所示。

圖3 單片機架構Fig.3 SCM architecture

在變壓器中檢測數(shù)據(jù)需要單片機滿足實時性、穩(wěn)定性、低成本、低功耗和支持敏捷開發(fā)等要求。基于51 系列的單片機雖能直接操作位進行邏輯運算，但運行速度較慢，保護能力差，易燒壞芯片?；赟TM32 芯片的單片機滿足高性能、低成本、低功耗等特點，但不支持敏捷開發(fā)，開發(fā)環(huán)境并未集成可直接調(diào)用庫文件或接口文件等。Arduino 單片機基于ATmega328P 微控制器穩(wěn)定性好，功耗低，且支持敏捷開發(fā)，應用性強。故選擇Arduino 單片機進行信息的處理。

2.1.2 傳感器選型與電路設計

（1）傳感器選型

1）溫度傳感器選型 變壓器油溫是判斷變壓器是否處于正常工作狀態(tài)的一個重要參數(shù)。油浸自冷式、油浸風冷式變壓器的上層油溫不得超過85 ℃，最高不得超過95 ℃[5]?；诖?，變壓器溫度測量采用DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125 ℃，符合在變壓器中測量油溫范圍的要求。

2）接近傳感器選型 變壓器內(nèi)部元件制造費用昂貴，為防止不法分子盜取變壓器內(nèi)部元件，需要對變壓器進行防盜報警保護。普通的接近傳感器只要有物體或小動物接近就會發(fā)出警報，容易造成誤報。采用HC-SR501 型紅外接近傳感器，其被動式紅外探頭根據(jù)探測人體發(fā)射10 μm 左右的紅外線進行工作，減少誤報，提高了警報準確性。該傳感器工作溫度為-15～70 ℃，在錐角小于120°時，感知距離為7 m，感知性能和防電磁干擾性較好，符合該系統(tǒng)對變壓器的監(jiān)測要求。

（2）信號采集電路設計

1）溫度采集電路設計 為保證數(shù)據(jù)精確度，采用外部電源供電方式接線。DS18B20 的GND，OUT和VCC 引腳分別與Arduino 的GND，6 號數(shù)字引腳和5 V 電源接口連接，DS18B20 的GND 引腳不懸空。其與Arduino 設備的連接如圖4所示。

2）物體接近感應電路設計 HC-SR501 的GND，OUT和VCC 分別與Arduino 的GND 接 口、7 號 數(shù)字引腳和5 V 電源接口連接，當有檢測到人體運動，輸出1，否則輸出0。其與Arduino 設備的連接如圖5所示。

2.1.3 通信模塊選型與電路設計

（1）通信模塊選型

在組網(wǎng)中，通訊方式的選擇需考慮被監(jiān)測對象所處的位置和傳輸數(shù)據(jù)量大小等特點。各種組網(wǎng)方式和特點見表1。

圖4 溫度傳感器與Arduino 的連接電路Fig.4 Connection circuit between temperature sensor and Arduino

表1 組網(wǎng)方式對比Tab.1 Comparison of networking modes

在市區(qū)變壓器分布較廣，變壓器與變壓器之間距離相隔較遠，不適宜采用藍牙、WiFi和ZigBee 組網(wǎng)方式，故選擇GPRS 組網(wǎng)方式。SIMCom 公司的SIM900A 通訊模塊具有穩(wěn)定性好、成本低、功耗低等特點，符合本系統(tǒng)的通訊要求。

圖5 紅外傳感器與Arduino 的連接電路Fig.5 Connection circuit betweeninfrared sensor and Arduino

（2）通信模塊電路設計

選擇5 V 電源供電，SIM900A 模塊的RX和TX引腳分別與Arduino 設備的TX，RX 引腳連接，在SIM900A 模塊中插入具有數(shù)據(jù)連接業(yè)務的SIM 卡后，Arduino 設備即可執(zhí)行AT 指令，完成SIM900A模塊與服務器的無線數(shù)據(jù)連接。其與Arduino 設備連接如圖6所示。

圖6 SIM900A 與Arduino 的連接電路Fig.6 Connection circuit between SIM900A and Arduino

2.2 網(wǎng)絡層硬件

網(wǎng)絡層是連接感知層與應用層的關鍵。該層包括通信基站和服務器，兩者共同完成終端采集參數(shù)信息傳輸。服務器使用阿里云服務器，運行環(huán)境為Windows Server 系統(tǒng)。

2.3 應用層硬件

應用層為運行在PC 中和手機中的變壓器信息監(jiān)測軟件，PC 端系統(tǒng)要求為Windows 7 系統(tǒng)或更高版本，手機系統(tǒng)要求為Android 5.0 系統(tǒng)或更高版本。供電企業(yè)人員可通過該軟件實時查看變壓器運行參數(shù)信息。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 感知層軟件設計

Arduino IDE 軟件為感知層的集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言為C 語言。根據(jù)變壓器遠程監(jiān)測的需求，感知層應具備數(shù)據(jù)采集和信息實時上傳功能。

感知層軟件設計步驟為初始化、采集信息、打包和發(fā)送信息。其流程如圖7所示。

圖7 Arduino 程序流程Fig.7 Arduino program flow chart

3.1.1 初始化和采集信息

單片機系統(tǒng)上電后，進行系統(tǒng)初始化，執(zhí)行AT指令與服務器建立TCP/IP 連接，然后收集溫度傳感器和紅外傳感器的數(shù)據(jù)信息[6]，最后通過對該數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換得到當前溫度數(shù)值和有無物體接近信息。

3.1.2 打包和發(fā)送信息

打包過程就是將傳感器數(shù)據(jù)進行匯總，統(tǒng)一有序地發(fā)送到服務器端。信息發(fā)送前，需要制定感知層、網(wǎng)絡層與應用層之間的通信協(xié)議。

（1）通信協(xié)議設計

遵循的信息發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議格式見表2。

表2 信息發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議格式Tab.2 Message sending and forwarding protocol format

協(xié)議將通信包體分為3 個部分，包頭、包體和檢驗位。①包頭部分完成設備識別信息，在每個請求的數(shù)據(jù)包中，包頭長度以及格式固定，標志位即為包頭。②包體包含各個傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)，且各個數(shù)據(jù)已被正確轉(zhuǎn)換，由程序執(zhí)行后，統(tǒng)一將采集的數(shù)據(jù)封裝到包體當中[7]。③使用奇校驗方式對包體數(shù)據(jù)進行校驗。通信協(xié)議包體如圖8所示。

圖8 通信協(xié)議包體Fig.8 Communication protocol package

（2）數(shù)據(jù)打包和發(fā)送

Arduino 程序命令打包過程如圖9所示。獲取設備ID，按照通信協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)打包，執(zhí)行AT指令即可向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖9 數(shù)據(jù)打包流程Fig.9 Data packaging flow chart

3.2 網(wǎng)絡層軟件設計

網(wǎng)絡層開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，開發(fā)語言為C#。網(wǎng)絡層具備感知層信息實時收取、應用層數(shù)據(jù)請求處理、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲功能。網(wǎng)絡層軟件處理過程如圖10所示。

3.3 應用層軟件設計

3.3.1 手機端功能設計

手機端運行軟件基于Android 5.0 操作系統(tǒng)，采用Java 語言開發(fā)。通過TCP/IP 協(xié)議向服務器端口發(fā)送正確的請求連接指令和請求數(shù)據(jù)指令，與服務器建立連接后獲取終端采集的數(shù)據(jù)[8]。

圖10 網(wǎng)絡層處理數(shù)據(jù)流程Fig.10 Network layer processing data flow chart

3.3.2 PC 端功能設計

PC 端軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，開發(fā)語言為C#。PC 端采用與手機端同樣的連接方式。具有歷史數(shù)據(jù)離線保存、數(shù)據(jù)分析和變壓器異常報警等功能[9]。PC 端接收到服務器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后對其進行拆包工作，將溫度和紅外傳感器數(shù)據(jù)從包體中提取出來，PC 端拆包過程如圖11所示。

圖11 客戶端拆包流程Fig.11 Client unpacking flow chart

客戶端拆包過程如下：調(diào)用函數(shù)獲取包體的長度，并創(chuàng)建數(shù)組存儲解析出來的數(shù)據(jù)，識別包體中標識符在包體中的位置，將包體中標識符前后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建的數(shù)組中，輸入數(shù)組中的下標就可以讀取該數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)搭建后，需要對系統(tǒng)進行測試以檢驗系統(tǒng)準確性和實時性。

4.1 測試條件

所用測試設備包括PT100 溫度傳感器、華控興業(yè)CH6 溫度顯示器、深達威SW-X5 激光測距設備、2 臺筆記本電腦、阿里云服務器、變壓器、5 V 直流電源。

4.2 測試項目

本地測試中，對系統(tǒng)溫度數(shù)值和物體接近傳感器準確性進行測試；網(wǎng)絡測試中，對監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡延遲和丟包率進行測試。

本地測試中，將PT100 溫度傳感器與華控興業(yè)CH6 溫度顯示器連接，用以顯示溫度數(shù)據(jù)。深達威SW-X5 激光測距設備可直接顯示物體接近的距離。以3 m 的物體接近距離為界限，對比系統(tǒng)物體接近傳感器的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡測試中將1 臺安裝有GPRS 模塊的遠程監(jiān)測終端和1 臺未安裝GPRS 模塊的單片機，同時安裝在校區(qū)變壓器中進行對比試驗。其中，安裝有GPRS 模塊的遠程監(jiān)測終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器存儲，并使用1 臺安裝有PC 端軟件的聯(lián)網(wǎng)電腦查看數(shù)據(jù)；未安裝GPRS 模塊的單片機與1 臺離線電腦通過USB 接口連接供電，將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)诫娔X中存儲。

4.3 測試結(jié)果

本地測試結(jié)果中溫度數(shù)據(jù)對比見表3，物體接近數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表3 溫度數(shù)據(jù)對比Tab.3 Temperature data comparison

表4 物體接近信息對比Tab.4 Comparison of object proximity information

網(wǎng)絡測試結(jié)果中，將離線與云端兩者數(shù)據(jù)導入到軟件進行分析。離線數(shù)據(jù)與服務器數(shù)據(jù)對比如圖12所示。

圖12 離線端與云端數(shù)據(jù)對比Fig.12 Comparison of off-line and cloud data

4.4 結(jié)果分析

由表3 可知，系統(tǒng)溫度傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)與PT100 溫度傳感器數(shù)據(jù)保持一致，系統(tǒng)測量溫度與實際溫度誤差較小，測量精度較高，故滿足監(jiān)測要求。

由表4 可知，在距離2．745 m和2．861 m 時，系統(tǒng)物體接近信息顯示為0；距離2．984 m和超出3 m時物體接近信息顯示為1。說明系統(tǒng)物體接近測量信息準確，滿足監(jiān)測要求。

在圖12 中，圖12a 為離線數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的對比圖，兩者曲線不重合是由于網(wǎng)絡延遲造成的。因此，需對比兩曲線數(shù)據(jù)是否一致，若一致就說明采集數(shù)據(jù)相同且未丟失；若不一致則說明采集數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸中發(fā)生錯誤。圖12b 為圖12a 數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，對比值為1 表示數(shù)據(jù)相同，未發(fā)生丟失現(xiàn)象。由圖12b 可見，對比值全部為1，表明在該時間段內(nèi)網(wǎng)絡丟包率為0，說明網(wǎng)絡連接穩(wěn)定可靠。圖12c 為離線數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)在發(fā)送相同數(shù)據(jù)時的日志時間對比，圖12d 為圖12c 中兩者耗時的時間差。由圖12d 可見，差值穩(wěn)定在1．1 s 左右，說明網(wǎng)絡延遲低。

綜上所述，采用GPRS 模塊的遠程監(jiān)測系統(tǒng)符合監(jiān)測要求，可以實時準確上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)可使供電企業(yè)通過PC和移動手機終端遠程實時查看變壓器運行參數(shù)信息，掌握變壓器運行狀態(tài)，縮短變壓器巡檢時間，提高巡檢效率。