传统的工厂低压配电间经常发生过负荷和短路等现象,再加上巡检强度大,存在的安全隐患较多,没有现代化的功率检测与数据远传的功能,当发生故障或功率超标时,管理人员及时采取有效措施的难度较大,因此对配电间的远程监控是十分重要的。


基于机智云物联网平台的工厂低压配电间远程监测系统,以STM32为控制核心,采用了WIFI无线传输技术,GPRS无线通信技术,传感器技术,实现了对工厂配电间的远程检测和报警提醒,满足了工厂工作人员可以通过手机APP远程查看配电间状态,极大程度上减少了工作人员的工作量,大大提高了安全性。


该监测系统通过对变压器的输出电流进行检测,将检测数据发送到手机上,工作人员通过手机APP可随时查看到实时数据,当实时电流超过设定值时,系统会自动报警,同时还会向相关人员发送报警短信,以便管理者及时采取有效的措施。


[ 1、系统总体简介 ]


机智云物联网云平台是致力于物联网、智能硬件云服务的开发平台,为开发者提供了自助式智能硬件开发工具和开放的云端服务 。


本文提出了一种基于机智云平台服务器实现数据远传,并且配电间远程监测系统主要是由传感器模块 、 控制器与处理器模块 、 显示模块 、GPRS模块、WIFI无线传输模块、继电器模块构成。该监测系统以STM32F103ZET6单片机作为核心控制器,通过传感器模块对变压器的输出电流进行数据采集,然后输入到STM32单片机中进行数据处理和变换,再通过显示模块在现场显示出来,让现场工作人员更加直观的观察到实时数据。





同时将检测的电流数据通过WIFI模块上传到机智云服务器,用户可以打开手机APP连上机智云服务器就可以查看到实时的电流数据,并且还可以在手机APP上手动设置报警临界值,当实时电流超过报警临界值时,STM32单片机会控制继电器模块导通报警灯,实现现场报警,同时STM32单片机还会控制GPRS模块给相关人员发送报警短信,实现远程报警。以上设计实现了对配电间输出电流的远程检测与报警,能够极大程度的释放工作人员,大大提高设备运行的安全性与可靠性。图1为配电间远程监测系统的总体示意图。

[ 2、系统硬件设计 ]

2.1 主控制器模块


配电间远程监测系统的主控制器采用的是ST公司生产的内核为Cortex-M3系列STM32F103ZET6微 控 制 器 , 具 有 最 高 72MHz的工作频率,高达512 kB闪存,最大64kB的SRAM,工作电压采用3.3 V,具有丰富的GPIO端口和并联到两条APB总线的外设,包括两个12位的ADC,3个16位定时器和3个USART接口 。在该系统中主控制器 [2]模块主要用来控制采集信号的A/D转换、数据处理、数据与机智云服务器进行的数据传输、GPRS模块的短信发送、继电器模块的闭合等工作。


2.2 传感器模块


对配电间变压器的输出电流采集采用的是交流电流互感器,该交流电流互感器的输入范围为0～700 A,能够输出4～20 mA/0～3.3 V的信号,其测量精度高,相应速度快,抗干扰能力强,符合现场环境以及本设计的要求,如图2所示。





2.3 WIFI无线传输模块


无线传输模块采用的是ATK-ESP8266无线WIFI模块,它是alientek推出的一款高性能UART-WIFI(串口-无线)模块。ATK-ESP8266模块采用串口(LVTTL)与 MCU通信,内置TCP/IP协议栈,能够实现 串口与WIFI之间的转换,其具有三种转换 模式:串口转WIFI SPA、串口转WIFI AP和WIFI STA+WIFI AP的模式 。本系统通过主控制器模块与ATK-ESP8266模块进行数据交互,实现数据通过ATK-ESP8266模块上传到机智云服务器,如图3所示。





2.4 GPRS无线通信模块


由于当配电间变压器输出电流超过设定值时,需要向相关人员发送报警短信,在本文中选择SIM900A模块进行设计,该模块板载SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块 :SIM900 A, 工 作 频 段 双频:900/1800 MHz,可以低功耗输实现短信、彩信、数据信息的传 。图 4为 SIM900A芯片原理图。





2.5 继电器模块继电器模块


采用的是光耦隔离的继电器控制模块,该模块采用优质继电器,常开接口限大负载:50 V/30 A,直流:30 V/ 30 A;采用小型光耦,大功率高耐压三极管,抗干扰能力强,性能稳定。在本设计中,设置继电器模块为高电平信号触发, 当配电间变压器输出电流超过设定值时,将继电器控制接口连 接的STM32单片机的I/O口拉高,使其触发,从而控制报警灯在现场发出报警信号,以便工作人员及时采取措施。


[ 3、系统软件设计 ]


该监测系统的软件开发在Keil UVision5上进行编程与调试,采用了C语言编写,在开发过程中选用ST公司提供的STM32F10X固件函数库3.5.0版本,通过使用固件函数库,无需深入掌握细节,也能够轻松应用每个外设,大大减少程序编写时间,进而降低开发成本。


在该监测系统中,软件程序设计主要分为:①控制器对电流信号的采集和处理;②控制器对处理后的数据进行现场显示;③WIFI无线传输模块与机智云服务器进行的数据传输;④控制器控制GPRS无线通信模块发送报警短信;⑤控制器控制继电器模块闭合。





配电间远程监测系统的程序流程图如图5所示。首先,对STM32单片机上各个外设进行初始化,然后初始化机智云通信协议,判断WIFI无线传输模块是否连接机智云服务器, 若连接,则进行数据采集和处理,再判断处理过的数据是否大于报警值,若大于,则进行继电器触发,控制报警灯实现现场报警,进而GPRS模块发送报警短信,实现远程报警,接着将采集处理的数据在现场显示出来;若小于,直接显示出来,然后进行机智云物联网平台的协议处理,将数据发送到机智云物联网平台的服务器上,最后在手机APP上显示出来,手机APP上可以对报警值进行调节,将手机APP上设定的报警值通过机智云协议处理,发送到机智云服务器,再通过WIFI模块发送到STM32单片机上,进而显示出来。


[ 4、系统测试 ]


配电间远程监测系统的数据显示与设备控制是通过现场实验测试的。将各个模块通电,手机APP配置WIFI模块入网,连接机智云物联网云平台服务器,就可以在手机APP上查看到检测的实时数据,同时现场显示屏也会显示出当前的数据。在手机APP上可以调节报警值,当检测的电流值超过报警值时,会收到报警短信,以及现场报警灯会闪烁。图6所示为测试时手机APP的应用截图;图7所示,为测试时现场数据显示图;图8所示,为测试时接受到的报警短信截图。





[ 5、结语 ]


本远程监测系统经过现场测试,系统运行效果良好,能够正常控制报警短信发送以及报警灯开关,电流数据采集准确,能实时在(基于机智云SDK的)手机APP上显示,即使用户身在异地,同时手机处在4G模式下,也能够查看到实时数据,并且能够远程设定报警 值。该系统的设计不仅可以对配电间进行有效的监控,而且还可以大大减少人力,提高安全性。