基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)研究

陳淑春，劉大永，胡寶玲

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定，071001）

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其架構(gòu)主要包括三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。在該系統(tǒng)中，感知層會(huì)利用傳感器來對(duì)溫度、濕度等信息進(jìn)行檢測(cè)，然后將這些檢測(cè)到的信息發(fā)送至單片機(jī)處理，單片機(jī)則會(huì)利用通信模塊把處理后的變壓器狀態(tài)信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)層中，從而使供電企業(yè)能夠利用計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備來實(shí)時(shí)查看這些變壓器狀態(tài)信息。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 感知層中的硬件設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)便是感知層，為了確保能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)與傳輸，需要在感知層中應(yīng)用到傳感器、通信模塊與單片機(jī)。

2.1.1 單片機(jī)型號(hào)選擇

對(duì)于單片機(jī)來說，其功能在于信息處理，單片機(jī)中包含有時(shí)鐘電路、中斷電路、定時(shí)電路、網(wǎng)絡(luò)接口、處理器、ROM、電源、RAM等。單片機(jī)在檢測(cè)變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)需要確保其檢測(cè)穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，并且還要滿足低功耗性、經(jīng)濟(jì)性等要求。考慮到采用51系統(tǒng)單片機(jī)時(shí)，其運(yùn)行速度并不高，而且容易造成芯片燒毀，如果采用STM32芯片，該芯片成本低、功耗低，芯片性能也較好，不過其缺點(diǎn)是不能對(duì)敏捷開發(fā)進(jìn)行支持。為此，在該系統(tǒng)中需要采用phyCORE-AM57x處理器芯片，該芯片集成了 C66 DSP 內(nèi)核與ARM Cortex A15 內(nèi)核，在AM57x中內(nèi)置的多種加速單元，這能夠使其具備敏捷開發(fā)功能，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，在本系統(tǒng)中應(yīng)用了phyCORE-AM57x處理器芯片。

2.1.2 傳感器型號(hào)選擇及電路設(shè)計(jì)

(1)傳感器型號(hào)選擇

在對(duì)變壓器健康狀態(tài)進(jìn)行診斷時(shí)，需要分析其中一個(gè)重要的參數(shù)，即油溫，而這便需要應(yīng)用到溫度傳感器，在對(duì)溫度傳感器進(jìn)行選型時(shí)，需要確保采用的油浸自冷式或油浸風(fēng)冷式變壓器，其上層油溫需要控制在85℃以內(nèi)。在該系統(tǒng)中應(yīng)用了BWY-803A（TH）溫度傳感器，該傳感器的測(cè)溫范圍在0℃至120℃之間，以此滿足油溫測(cè)量要求。為了防止變壓器有人靠近，需要安裝接近傳感器，這樣當(dāng)有人或小動(dòng)物接近變壓器時(shí)，接近傳感器便會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，考慮到普通的接近傳感器容易出現(xiàn)誤報(bào)，所以選擇的接近傳感器應(yīng)采用紅外線檢測(cè)方式，型號(hào)為ADIS16209CCCZ，該型號(hào)紅外接近傳感器能夠在-40℃至125℃的溫度范圍下正常工作，而且檢測(cè)距離可達(dá)到7m，檢測(cè)錐角在180度左右，更重要的是其具備良好的防電磁干擾性能與感知性能，這樣便可滿足系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)要求。

(2)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

在對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還要設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路，以確保采集的數(shù)據(jù)能夠精確、可靠，該電路需要利用外部電源來進(jìn)行供電，電路中的GND、OUT、VCC引腳則和phyCORE-AM57x處理器的GND.6號(hào)數(shù)字引腳以及5V電源接口分別連接。在對(duì)接近感應(yīng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其GND、OUT以及VCC三個(gè)引腳則分別連接至phyCOREAM57x處理器中的GND接口、7號(hào)數(shù)字引腳以及5 V電源接口，如果電路感應(yīng)到有人體接近，則會(huì)輸出1來表示有人接近，如果沒有檢測(cè)到人體接近，則會(huì)輸出0來表示無人接近。

2.1.3 通訊模塊及其電路設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，選擇SIMCom企業(yè)所研發(fā)的SIM900A模塊作為系統(tǒng)通訊模塊，該模塊不僅穩(wěn)定性好，而且在功耗及成本方面也有良好的優(yōu)越性。通信模塊利用5V電源來進(jìn)行供電，在phyCOREAM57x處理器中，其TX和RX引腳分別連接至SIM900A模塊內(nèi)的RX與TX引腳。此外，系統(tǒng)還將SIM卡插入到SIM900A模塊內(nèi)，以確保數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正常連接，AT指令則由phyCOREAM57x處理器來執(zhí)行，以確保服務(wù)器和SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)無線化的數(shù)據(jù)連接。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層中的硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層和感知層是利用網(wǎng)絡(luò)層來進(jìn)行連接的，網(wǎng)絡(luò)層由服務(wù)器與通訊基站所構(gòu)成，這樣便可通過終端設(shè)備來進(jìn)行參數(shù)采集與傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層中采用的服務(wù)器為阿里云服務(wù)器，并應(yīng)用了Windows Server操作系統(tǒng)。

2.3 應(yīng)用層中的硬件設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，需要將相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件安裝到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)分為手機(jī)端系統(tǒng)與PC端系統(tǒng)兩種，其中PC端系統(tǒng)采用Windows 10，而手機(jī)端系統(tǒng)則采用Android 9.0，這樣工作人員便可利用PC端或手機(jī)中安裝的軟件來實(shí)時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)變化情況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 感知層中的軟件設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，Arduino IDE軟件采用C語(yǔ)言來進(jìn)行集成化開發(fā)，結(jié)合變壓器遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)工作需要，確保系統(tǒng)軟件能夠?qū)崟r(shí)采集與上傳變壓器監(jiān)測(cè)信息。在對(duì)感知層中的Arduino IDE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，具體包括以下流程，分別是初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合及傳輸。

3.1.1 初始化及數(shù)據(jù)采集

在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電以后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行初始化操作，以確保AT指令在被執(zhí)行后，系統(tǒng)能夠和服務(wù)器進(jìn)行TCP/IP連接，這樣系統(tǒng)便可對(duì)紅外傳感器以及溫度傳感器所檢測(cè)到的變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后使其成為具體的數(shù)值。

3.1.2 數(shù)據(jù)整合及傳輸

數(shù)據(jù)整合及傳輸實(shí)質(zhì)上是匯總傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸至相應(yīng)的服務(wù)器端，系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，還要制定相應(yīng)的通信協(xié)議，以確保感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層得以連接起來。在通信協(xié)議中，其包括三個(gè)組成部分，即包體、包頭與檢驗(yàn)位，其中設(shè)備識(shí)別信息是通過包頭部分來完成的，各個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包內(nèi)的包頭長(zhǎng)度和格式都是固定的，包頭指的便是標(biāo)志位。在包體中則含有不同傳感器所檢測(cè)的各類數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行程序，能夠使這些數(shù)據(jù)被統(tǒng)一封裝至包體內(nèi)。檢驗(yàn)位則能夠校驗(yàn)包體中含有的數(shù)據(jù)，其是采用奇校驗(yàn)方法來完成的。系統(tǒng)在整合數(shù)據(jù)及傳送過程中，需要對(duì)設(shè)備的ID進(jìn)行獲取，然后依據(jù)通信協(xié)議來整合傳感器數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)被打包以后能夠通過AT指令傳輸至服務(wù)器中。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層中的軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要將Visual Studio 2019作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的開發(fā)環(huán)境，并利用C#語(yǔ)言來進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)層能夠?qū)崟r(shí)采集感知層信息，并對(duì)應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)及處理。

3.3 應(yīng)用層中的軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 手機(jī)端設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其手機(jī)端系統(tǒng)采用Android 9.0，并通過Java語(yǔ)言來進(jìn)行軟件開發(fā)，服務(wù)器端口所收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)及請(qǐng)求連接等指令則是利用TCP/IP協(xié)議來完成的，系統(tǒng)會(huì)在連接至服務(wù)器后對(duì)手機(jī)終端設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

3.3.2 PC端設(shè)計(jì)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)中，其PC端系統(tǒng)采用Windows 10，并利用Visual Studio 2019作為軟件開發(fā)環(huán)境，通過C#語(yǔ)言來作為軟件程序開發(fā)語(yǔ)言。PC端和手機(jī)端的連接方式是相同的，PC端軟件不僅能夠?qū)ψ儔浩鞴收线M(jìn)行報(bào)警，還能對(duì)變壓器的健康狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可離線存儲(chǔ)變壓器的歷史健康數(shù)據(jù)。當(dāng)服務(wù)器將數(shù)據(jù)包發(fā)送至PC端系統(tǒng)軟件后，PC端會(huì)自動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)包實(shí)施拆包處理，然后從包體中提取其中的紅外傳感器數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變壓器故障預(yù)警及健康診斷系統(tǒng)，能夠使供電企業(yè)利用移動(dòng)端和PC端來診斷變壓器的健康狀況數(shù)據(jù)，并且當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，這勢(shì)必能夠幫助相關(guān)人員更加全面、實(shí)時(shí)的掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，這不僅大幅縮短了變壓器的巡檢時(shí)間，而且也能使供電企業(yè)對(duì)變壓器的巡檢效率得到顯著提高，