基于云平臺的配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

譚 睿，石壘壘，馮月芹，吳 楠

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

0 引 言

隨著城市的經(jīng)濟發(fā)展，10 kV電纜線路在城市配網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，環(huán)網(wǎng)柜和開閉所也隨之廣泛地應(yīng)用到配電網(wǎng)電纜線路中，其智能化水平是配電網(wǎng)絡(luò)自動化的基礎(chǔ)，是我國智能電網(wǎng)建設(shè)的重要一環(huán)[1]。這些基礎(chǔ)裝備的安全運行對我國電網(wǎng)具有重要意義，因此實時監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜和開閉所的工作環(huán)境和狀態(tài)，對于配電網(wǎng)實時運行狀態(tài)非常重要[2]。目前的環(huán)網(wǎng)柜數(shù)據(jù)采集單元大多只關(guān)注電壓、電流以及功率等電量數(shù)據(jù)的通信傳輸，缺少對工作環(huán)境和自身狀態(tài)的監(jiān)測，而且配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中也沒有對環(huán)網(wǎng)柜和開閉所等終端設(shè)備的環(huán)境與狀態(tài)信息整理管理機制。隨著傳感器與檢測技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，為開發(fā)構(gòu)建一套具有整體信息化思想的電力基礎(chǔ)裝備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐[3]。同時云平臺的發(fā)展，也推動了配電設(shè)備的智能化進程，它能夠快速綜合地處理大量的環(huán)境信息和狀態(tài)信息，使工作人員可以更加方便獲取設(shè)備的各種狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，并進行評估分析，有效規(guī)避各種安全事故。此外可以更加高效地制定工作計劃和檢修計劃，減少不必要的人力物力浪費，從而提高電力企業(yè)的勞動效率，節(jié)約設(shè)備的運行維護成本。因此提出并設(shè)計了一種基于云平臺的配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)控系統(tǒng)”）設(shè)計方案，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜的環(huán)境。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，設(shè)計一個環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其組成主要包括STM32單片機模塊、SHT30溫濕度傳感器模塊、冷凝片、以太網(wǎng)模塊以及數(shù)碼管顯示模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集與控制單元采用STM32F407微處理器，芯片內(nèi)部有以太網(wǎng)控制器，適合做以太網(wǎng)的開發(fā)應(yīng)用。終端及控制部分的主要工作包括以下4點，一是通過SHT30溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，二是根據(jù)設(shè)定的閾值及采集來的數(shù)據(jù)控制風(fēng)扇和冷凝片工作和停止，三是將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，四是通過以太網(wǎng)向服務(wù)器傳輸采集的溫濕度數(shù)據(jù)和本機的一些狀態(tài)等[4]。

通過SHT30溫濕度傳感器模塊測量溫濕度并顯示在數(shù)碼管上，并先設(shè)定一定濕度值作為冷凝片啟動的閾值，根據(jù)季節(jié)變化按鍵可以改變冷凝片啟動的閾值，通過GPRS模塊傳送給手機和以太網(wǎng)模塊最后傳送給服務(wù)器，實現(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)查詢和歷史故障記錄，也可以在服務(wù)器上修改終端溫濕度的閾值，此外還可以遠程控制冷凝片和風(fēng)扇以實現(xiàn)手動環(huán)境除濕操作。

2 終端數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計

2.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集

SHT30數(shù)字溫濕度傳感器是Sensirion盛世瑞恩公司生產(chǎn)的，具有成本低、電壓寬（2.4～5.5 V）、功耗低、精度高以及尺寸小等特點，采用IIC總線與CPU通信，最高支持1 000 kb/s的傳輸速率，通信時間較短。此外提供了一些新功能，如增強信號處理等。封裝采用DFN，占位面積小，有利于集成到多種應(yīng)用。

SHT30采用DFN 8腳封裝，其中SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，ADDR為地址輸入引腳，ALERT為報警輸出引腳，SCL為串行輸入輸出時鐘引腳，VDD為電源電壓輸入引腳，RST為復(fù)位引腳，R沒定義，使用時連接地，VSS為電源引腳。引腳SDA和SCL分別連接CPU的IO引腳即可，但由于SDA和SCL內(nèi)部是開漏，所以要接上拉電阻。復(fù)位引腳和報警引腳沒使用可以懸空，地址輸入引腳ADDR接地，芯片的地址為0x44，該引腳不能懸空[5]。硬件連接如圖2所示。

圖2 SHT30與CPU的硬件連接

2.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

數(shù)碼管MAX7219中，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端引腳，DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端引腳，用于級連擴展，LOAD為裝載數(shù)據(jù)輸入引腳，CLK為串行時鐘輸入引腳DIG0～DIG7為8位LED位選線，從共陰極LED中吸入電流，SEG A～SEG G為7段驅(qū)動引腳，SEG DP為小數(shù)點驅(qū)動引腳，ISET引腳通過一個10 k電阻和VCC相連，設(shè)置段電流[6]。MAX7219與LED屏硬件連接如圖3所示。

圖3 MAX7219與LED屏硬件連接圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

該測試系統(tǒng)的軟件分為數(shù)據(jù)采集和通信兩部分，利用Keil進行編程。Keil的開發(fā)平臺運用C語言編程生成的目標(biāo)代碼效率非常高，很多語句通過編譯環(huán)境生成的匯編代碼邏輯嚴(yán)密并且結(jié)構(gòu)簡單，容易理解，并且與匯編相比，C語言在很多方面有明顯優(yōu)勢，如具有可移植性，能夠結(jié)構(gòu)化編程，可讀性高，可以在不同微機平臺上移植，因此易學(xué)易用。為了日后的更新、維護與拓展，在設(shè)計過程中采用模塊化的思想。而上位機服務(wù)器模塊采用C++語言編寫。C++是C語言的擴充，它既可以進行C語言的過程化程序設(shè)計，又可以進行以抽象數(shù)據(jù)類型為特點的基于對象的程序設(shè)計和以繼承和多態(tài)為特點的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計[8,9]。環(huán)境采集模塊和通信模塊以RS485通信方式相連接，目的是減小大電壓情況下對數(shù)據(jù)的干擾，而通信板與上位機連接用WiFi模塊，可以傳遞多路信息。系統(tǒng)軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在軟件設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集模塊主要用來實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的采集，通信模塊通過以太網(wǎng)模塊定時的向上位機傳遞數(shù)據(jù)，面板顯示模塊由數(shù)碼管顯示和按鈕調(diào)節(jié)閾值。上位機界面由高級編程語言C++來設(shè)計，可以讓數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時傳輸讓使用者看到并且儲存，供使用者查詢，并且可以在上位機界面修改面板的閾值，檢查硬件，如溫濕度傳感器和風(fēng)扇等的運行狀況[10]。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計的流程圖

4 實驗應(yīng)用

該監(jiān)控系統(tǒng)用于配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境監(jiān)控。在進行測試時，首先運行該上位機軟件，初始化相關(guān)模塊后，完成上位機與目標(biāo)面板通信等相關(guān)設(shè)置，然后通過點擊主程序界面的相應(yīng)模塊測試按鈕，等待相應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)面板通上電后，SHT30將數(shù)據(jù)測量的得出給與數(shù)碼管顯示，并且通過以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳至上位機或者使用者的手機。程序面板的部分界面如圖6所示，通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定可靠。

圖6 測試界面圖

5 結(jié) 論

該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢的SHT30傳感器為硬件基礎(chǔ)，風(fēng)扇和冷凝片等可以解決當(dāng)網(wǎng)柜過濕的情況并且保證數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)時。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。該測試系統(tǒng)已用于南京工程學(xué)院多個網(wǎng)柜進行測試，實際應(yīng)用表明該監(jiān)控系統(tǒng)具有溫濕度信息準(zhǔn)確和通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等特點，達到了設(shè)計要求。