基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備站所水位自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭應(yīng)豪 蔡圣本 金葉歡

摘?要：在電力設(shè)備站所的運(yùn)行過程中，水位的監(jiān)測(cè)是保障站所安全運(yùn)行的重要工作。傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)主要采用人工抄表、簡(jiǎn)易的水位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，這種方式不僅效率低下，而且可靠性差。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們開始意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力設(shè)備站所水位監(jiān)測(cè)方面具有很大的應(yīng)用潛力。本文針對(duì)電力設(shè)備站所水位監(jiān)測(cè)的需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備站所水位自動(dòng)檢測(cè)裝置，該裝置采用GPRS通信方式將采集到的水位信息發(fā)送到指定服務(wù)器。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；電力設(shè)備；水位檢測(cè)；GPRS通信

1?物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1?物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是為了解決信息孤島問題。在過去幾年中，從PC到智能手機(jī)，人們逐漸建立了龐大的信息孤島，但是物聯(lián)網(wǎng)打破了這些信息孤島。物聯(lián)網(wǎng)是可以把分散在世界各地的各類傳感器組成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和控制。物聯(lián)網(wǎng)不是簡(jiǎn)單地把傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接起來，而是要通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把各種數(shù)據(jù)和信息全部整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

1.2?物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎涵蓋了所有的行業(yè)。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到城市管理，從公共安全到環(huán)境保護(hù)，從社會(huì)服務(wù)到醫(yī)療衛(wèi)生，從生產(chǎn)制造到商業(yè)貿(mào)易，無一不與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密相連。未來的物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)、智能交通、智慧物流、智能醫(yī)療、智能家居、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和推廣，其在工業(yè)制造、能源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。電力設(shè)備站所水位自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用就是一個(gè)典型的例子。

2?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本裝置主要包括水位傳感器、GPRS模塊和上位機(jī)軟件。水位傳感器主要用來監(jiān)測(cè)水位，單片機(jī)通過對(duì)水位數(shù)據(jù)的分析來判斷是否需要報(bào)警。GPRS模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)軟件通信，可以將警報(bào)信息發(fā)送到指定的服務(wù)器。上位機(jī)軟件可以設(shè)置報(bào)警閾值和報(bào)警模式，對(duì)采集到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷是否需要報(bào)警以及是否需要遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

當(dāng)水位傳感器監(jiān)測(cè)到水位高于設(shè)定閾值時(shí)或低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)信息；當(dāng)電力設(shè)備站所的控制終端監(jiān)測(cè)到通信基站中的通信線路斷開時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)信息。上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)到有多個(gè)控制終端同時(shí)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)的重要程度，對(duì)于重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)于不重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)處理。

2.1?水位傳感器

在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般采用兩種方式來實(shí)現(xiàn)水位傳感器的功能，一種是機(jī)械式水位傳感器，另一種是電容式水位傳感器。機(jī)械式水位傳感器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是其測(cè)量精度不高，受環(huán)境干擾大；電容式水位傳感器具有精度高、抗干擾素力強(qiáng)、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是其需要定期校驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。為了提高測(cè)量精度，本文采用的水位檢測(cè)裝置主要包含投入式靜壓液位變送器，基于所測(cè)液體靜壓與該液體液位高度成比例的原理，采用國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（一般為4～20mA），實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)，并通過移動(dòng)通信技術(shù)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)管平臺(tái)。

2.2?GPRS模塊

GPRS模塊用于與服務(wù)器通信，它的功能主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)、短消息服務(wù)以及流量管理。本裝置使用的GPRS模塊是北京天融信科技有限公司生產(chǎn)的JXGSM無線數(shù)傳模塊。JXGSM無線數(shù)傳模塊是一種基于CDMA技術(shù)的無線分組交換（GPRS）數(shù)據(jù)傳輸模塊，是專門為中國(guó)電信推出的新一代數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。JXGSM無線數(shù)傳模塊采用了先進(jìn)的CDMA技術(shù)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。它支持實(shí)時(shí)在線的網(wǎng)絡(luò)連接，支持基于TCP/IP協(xié)議棧的TCP/IP連接，能夠滿足不同行業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景要求。JXGSM無線數(shù)傳模塊具有多信道傳輸能力，提供4個(gè)信道，每個(gè)信道可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包或短消息。它提供了完善的數(shù)據(jù)服務(wù)功能，能夠支持語音、視頻、數(shù)據(jù)、傳真等業(yè)務(wù)。同時(shí)JXGSM無線數(shù)傳模塊具有較高的容量，能夠滿足短消息服務(wù)的要求。

2.3?上位機(jī)軟件

本裝置采用Visual?C++6.0開發(fā)，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警及控制、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能模塊組成。該軟件具有良好的人機(jī)交互界面，可以方便地設(shè)置報(bào)警閾值和報(bào)警模式。在數(shù)據(jù)采集模塊中，由于水位傳感器的測(cè)量范圍是0～1m，為了防止誤報(bào)，本裝置采用了定時(shí)采集的方式。當(dāng)水位傳感器監(jiān)測(cè)到水位低于設(shè)定值時(shí)，將會(huì)發(fā)出報(bào)警信息。同時(shí)，通過GPRS模塊將警報(bào)信息發(fā)送到指定的服務(wù)器。在報(bào)警模式中，用戶可以選擇是實(shí)時(shí)報(bào)警還是定時(shí)報(bào)警，根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行判斷。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊負(fù)責(zé)查詢歷史數(shù)據(jù)信息，并通過Excel表格等方式展示歷史數(shù)據(jù)信息。當(dāng)用戶打開歷史數(shù)據(jù)查詢模塊時(shí)，將會(huì)在主界面中顯示出實(shí)時(shí)水位、歷史水位、報(bào)警閾值以及歷史記錄信息等內(nèi)容。

2.4?水位數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的水位檢測(cè)裝置終端由水位傳感器、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GPRS通信模塊、電源模塊和觸摸屏組成。水位傳感器由電容式水位傳感器和數(shù)字壓力傳感器組成，電容式水位傳感器采用C8051F040芯片，數(shù)字壓力傳感器采用ADN8151芯片。電容式水位傳感器是一種具有可編程特性的高精度壓力變送器，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同需求選擇不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)水位的高精度測(cè)量。本系統(tǒng)中的水位信號(hào)采集模塊采用C8051F040單片機(jī)，其內(nèi)部包含一個(gè)CAN總線控制器、一個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器、一個(gè)16位ADC轉(zhuǎn)換器、一個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)電路以及一個(gè)串行通信接口。

2.5?CAN總線控制器

CAN總線控制器采用C8051F040單片機(jī)，該單片機(jī)支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它集成了CAN控制器、收發(fā)器、邏輯電平轉(zhuǎn)換和功率驅(qū)動(dòng)電路等。它的外部擴(kuò)展元件較少，內(nèi)部集成了一個(gè)CAN接口，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單。CAN總線控制器在C8051F040中主要負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行解析，并通過判斷接收信號(hào)是否滿足要求來控制內(nèi)部的收發(fā)器以及驅(qū)動(dòng)電路工作。C8051F040內(nèi)部集成了CAN控制器，通過外部擴(kuò)展元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的控制和連接。在C8051F040中，內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)CAN接收緩沖器，它是一種多功能的CAN控制器。通過它可以連接到多個(gè)CAN總線收發(fā)器。在C8051F040內(nèi)部，將發(fā)送和接收緩沖器進(jìn)行了組合，形成了一個(gè)可以連接到多個(gè)CAN總線收發(fā)器的通用模塊。該模塊不但可以用來連接CAN總線收發(fā)器，還可以用來連接外部設(shè)備（如繼電器、開關(guān)等）。

2.6?AD轉(zhuǎn)換器和ADC轉(zhuǎn)換器

ADN8151是一款具有高精度、低功耗的12位AD轉(zhuǎn)換芯片，具有4通道、8位的ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)16位（0.00016），支持多路輸出，最高分辨率為8位，可用于高精度測(cè)量。ADN8151內(nèi)部包含一個(gè)由5個(gè)12位ADC組成的轉(zhuǎn)換模塊，可以將12位分辨率的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號(hào)。在本系統(tǒng)中ADN8151主要用于模擬壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。由于水位傳感器輸入信號(hào)為模擬信號(hào)，因此需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中采用12位AD轉(zhuǎn)換器ADN8151和16位ADC轉(zhuǎn)換器ADS1252實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ADS1252內(nèi)部包含一個(gè)由12個(gè)模擬輸入通道組成的AD轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)12位分辨率的模擬輸入信號(hào)到16位分辨率的數(shù)字輸出，到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線。

2.7?PWM驅(qū)動(dòng)電路

PWM驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為PWM波的電壓，當(dāng)C8051F040內(nèi)部的PWM電路處于打開狀態(tài)時(shí)，由控制芯片AD8237產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）對(duì)C8051F040內(nèi)部的TLC2543和TLC2544兩個(gè)驅(qū)動(dòng)腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)C8051F040內(nèi)部的TLC2543和TLC2544兩個(gè)驅(qū)動(dòng)腳輸出PWM波時(shí)，控制芯片AD8237會(huì)將其輸出的信號(hào)與內(nèi)部TLC2543和TLC2544兩個(gè)驅(qū)動(dòng)腳的PWM信號(hào)進(jìn)行比較，從而控制輸出PWM波的電壓值。

2.8?GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

GPRS通信模塊是在傳統(tǒng)GSM模塊基礎(chǔ)上，增加了GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，將傳統(tǒng)的GPRS通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和處理。該模塊采用SIM900A芯片作為核心芯片，該芯片內(nèi)置了AT指令集和GPRS/CDMA功能模塊，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)通信模塊的要求。

SIM900A是一款集成了微控制器（MCU）、射頻（RF）、基帶處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器于一體的通信芯片。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、低功耗、低成本等特點(diǎn)，特別適用于對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場(chǎng)合。該芯片還支持?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)重發(fā)和數(shù)據(jù)自動(dòng)回復(fù)等功能。它支持UART協(xié)議和通用串行總線（USB），這是一種新型的串行接口，可以與現(xiàn)有的各類微處理器連接使用。此外，SIM900A還具備許多其他功能，比如，能夠方便地支持多種通信協(xié)議，支持2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式；支持豐富的串行通信接口；能夠直接與MODBUS和UART等協(xié)議連接；支持多種應(yīng)用層協(xié)議。

GPRS數(shù)據(jù)通信模塊采用SIM900A芯片作為核心芯片，并將其與單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。SIM900A是一種具有集成CPU和基帶處理器的系統(tǒng)芯片。它可以使用UART、SPI、I2C和串行通信接口，與傳統(tǒng)的串口通信相比，它具有更好的靈活性和可靠性。SIM900A包含了許多模塊和外圍電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大。

3?數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)

在上位機(jī)軟件開發(fā)過程中，由于數(shù)據(jù)采集量大，采用串口通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)，由于所使用的傳感器多數(shù)為模擬量，采用GPRS通信方式具有抗干擾素力強(qiáng)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文所設(shè)計(jì)的水位自動(dòng)檢測(cè)裝置采用GPRS通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS通信采用Socket編程方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，Socket編程是一種通過發(fā)送和接收消息來進(jìn)行應(yīng)用程序間的通信，特點(diǎn)是靈活、高效、簡(jiǎn)單易用。軟件設(shè)計(jì)的核心是定義Socket對(duì)象，編寫相應(yīng)的Socket函數(shù)，將數(shù)據(jù)幀傳遞給服務(wù)器。上位機(jī)軟件通過定義Socket對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的監(jiān)控，以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀。

在水位自動(dòng)檢測(cè)裝置中，各個(gè)模塊均需要與服務(wù)器進(jìn)行通信以獲取水位數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)服務(wù)器的監(jiān)控，以及發(fā)送和接收水位信息。軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)各模塊通信協(xié)議來確定各個(gè)模塊的接口函數(shù)。軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）使用Visual?C++編寫上位機(jī)軟件程序；

（2）利用MFC編寫服務(wù)器程序；

（3）調(diào)用API函數(shù)接收并解析服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；

（4）發(fā)送接收得到的水位數(shù)據(jù)幀；

（5）上位機(jī)軟件接收并解析水位數(shù)據(jù)幀。

在上、下位機(jī)軟件中均采用Socket編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，該方法具有通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，能夠較好地滿足電力設(shè)備站所水位自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)需求。

4?項(xiàng)目設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)

4.1?設(shè)計(jì)重點(diǎn)

自動(dòng)排水裝置與預(yù)警規(guī)則需智能聯(lián)動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)預(yù)警時(shí)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟、關(guān)閉排水裝置，實(shí)現(xiàn)智能控制，為站所少人值守、集中監(jiān)控提供了技術(shù)支撐。

警示燈需考慮連續(xù)使用時(shí)間，在有限的錐桶空間內(nèi)最大限度地增加警示燈連續(xù)使用時(shí)間。

4.2?設(shè)計(jì)難點(diǎn)

水位檢測(cè)裝置是項(xiàng)目的主要部分，為滿足各應(yīng)用場(chǎng)景需要滿足簡(jiǎn)捷、易維護(hù)、抗干擾性、采集模式多樣性、數(shù)據(jù)交互靈活性等要求。同時(shí)還需在不進(jìn)行大規(guī)模施工和高成本投入前提下，滿足水災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)的可靠性、通用性、智能化要求。圍欄的折疊結(jié)構(gòu)不僅需要發(fā)揮原有的隔離作用，還需考慮使用的便捷性，方便組裝提高現(xiàn)場(chǎng)安全圍欄使用效率。

結(jié)語

該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用后，在采集現(xiàn)場(chǎng)水位信息時(shí)，由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多、分布廣，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，故采用GPRS通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定服務(wù)器。此外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，為了使服務(wù)器可以準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)水位信息，通過增加軟件修改程序，可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某市500kV變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)變電站的設(shè)備水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取得了良好效果。

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基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目：電力設(shè)備站所水位自動(dòng)檢測(cè)、排水和警示裝置的研制

作者簡(jiǎn)介：鄭應(yīng)豪（1995—?），男，漢族，浙江臨海人，研究生，助理工程師，研究方向：電氣工程。