杏彩体育:【IoT毕设】机智云物联网平台+STM32的10k

　　本文介绍的10kV智能箱式变电站远程控制系统是由西安科技大学田辉设计开发完成。该系统以某高校学生公寓 10kV 智能箱变设计为工程背景，设计了基于物联网的 10kV 智能箱变系统。系统由感知层、通讯层和应用层3部分组成。

　　感知层负责传感器数据采集并传送至现场。包括微机保护装置、智能网络电表和智能无功补偿等二次系统设备，以及温湿度、烟雾、水浸传感器等环境检测设备。现场选用 STM32 嵌入式微处理器，包括 LCD 显示屏.语音报警模块、继电器和 GPRS 通信模块等；通信层选用 GPRS 无线通信，负责现场与云平台之间数据的双向传输；应用层在机智云平台开发箱变远程监控系统和手机 APP，负责箱变运行数据的存储、分析和处理等。

　　本系统最终实现了用户通过电脑 WEB 或手机 APP 远程监控箱变温湿度、烟雾报警和基坑积水等环境参数，以及电流、电压、频率和功率因数等电气参数和设备工作状态等功能。当箱变运行出现异常或故障，监控系统自动判断故障等级，并通过箱变现场整铃、手机 APP、短信和电话等不同组合方式报警，通知相关工作人员及时排除故障隐患，预防电气事故的发生。适用于箱变和配电室的远程监控和集中管理，可以大幅度提高于学校、企业、小区的配电设备的智能化水平和供电安全可靠性。

　　随着社会经济和配电网的建设发展，10kV箱变越来越多。传统的10kV箱变一般采用无人值守，人工定期巡检的运行方式，智能化程度低，缺少环境和设备的远程监控与故障报警系统。 目前，智能传感器技术、嵌入式技术、通信技术和云计算技术的快速发展和成本的降低，基于物联网的10kV智能箱式变电站成为传统箱变升级改造的最优选择。

　　基于物联网的智能箱式变电站远程监控系统可以实时远程监控箱变环境、设备的运行参数和状态。如图1所示。用户可以随时通过电脑或手机APP远程监控箱变温湿度、烟雾报警、基坑积水等环境参数，以及电流、电压、频率、功率因数等电气参数和设备状态。当箱变运行出现异常或故障，监控系统将会自动根据故障等级，通过手机APP、短信和电话的不同方式报警通知相关工作人员，以便及时排除故障隐患，预防电气事故的发生。

　　该智能箱式变电站远程监控系统由箱变内的“现场总线局域网”和箱变外的“云平台广域网”组成。这其结构模式可应用于二次供水设备远程监控系统、居民用电收费管理系统和电梯远程监控系统等设备远程监控系统的开发，提高传统设备的智能化水平和管理水平，促进传统产业升级，具有良好的应用价值。

　　基于物联网的智能箱式变电站设计以某高校学生公寓 10kV 智能箱变设计为工程背景。10kV 智能箱变一次系统设计与传统 10kV 箱变相同，且趋于成熟。本文侧重于 10kV 智能箱变智能化设计，下面简单概述10kV 智能箱变一次系统的设计内容。

　　某高校 5 号学生公寓楼用电负荷主要为照明、电脑和新增空调负荷，其中每间宿舍按照 8 人计算，照明负荷 100W，每台学生电脑负荷 200W，每台 1.5P 分体式挂机新装空调功率1.3kW，单间宿舍负荷 3.0kW。根据《工业与民用供配电设计手册》，集体宿舍用电负荷需要系数取 0.7，功率因数取 0.8。5 号学生公寓用电负荷计算表如表1 所示。

　　考虑未来学生公寓用电负载的增加，变压器需要预留一定的裕度，选择容量为1000kVA 的变压器。综合考虑到变压器的初期投资成本和运行成本，以及国家节能减排政策要求，为此选用低损耗全密封油浸式变压器S13-M-1000/10-0.4，它的主要技术参数如表 2 所示。

　　在负荷统计计算、短路计算、动稳定性校验和热稳定性校验的基础上，进行箱变一次系统主要设备的选型。一次系统主要设备的具体型号和技术参数如表 3，表4，表5 和表6 所示。

　　根据 5 号学生公寓工程箱变设计要求和一次系统设计计算，设计的 5 号学生公寓箱变一次系统主接线 某高校学生公寓箱变一次系统主接线kV 箱变智能化设计方案

　　基于物联网的 10kV 智能箱变远程监控系统，选用具有数字双向通讯功能的智能仪表和传感器，并统一采用标准 RS485 总线接口和 Modbus-RTU 通信协议。基于物联网的智能箱变远程监控系统由感知层、通讯层和应用层 3 部分组成。

　　*感知层：通过各种智能仪表、智能传感器采集箱变的各项环境、设备运行参数和设备工作状态，通过 RS485 总线将数据传送至现场，现场内置操作系统，具有数据采集、运算、处理和控制等功能。*通讯层：该层是数据传递与交换的衔接和纽带，负责云平台与现场之间数据的双向传输。根据箱变实际通讯条件，可选择有线光缆、以太网或无线 GPRS 等多种通信方式将数据传送至云平台。

　　*应用层：在云平台设计开发箱变远程监控系统，负责历史数据的收发和处理、箱变运行参数的远程监测和事件运行数据的记录存储、分析等工作。并在云平台开发 WEB和手机 APP，值班电工可以通过电脑或手机 APP 随时监控箱变运行数据和设备工作状态。基于物联网的智能箱变远程监控系统图如图3 所示。

　　随着嵌入式技术的发展进步和成本的降低，针对传统箱变现场设备信息传送的缺点和问题，许多检测仪表、传感器和执行机构都内置了微处理器，可以完成 AD\DA 转化、线性化和数字滤波等功能。这些数字化现场设备内部增加一个串行通信数据接口，使用统一标准的通信协议就能实现场设备间的串行双向通信。目前主要使用的工业总线工业总线网络类型

　　本智能箱变远程监控系统设计的关键之一是选用具有数字双向通讯功能的智能仪表和传感器，并采用标准统一的总线kV 智能箱变设计的工程实际出发，选择智能传感器普遍支持的 RS485 总线和 Modbus-RTU通信协议。

　　根据某高校学生公寓箱变一次系统主接线kV 智能箱变远程监控系统方案设计系统框图，系统硬件设计以箱变现场为核心，由微机综合保护装置、智能网络电表和智能无功补偿器等二次系统设备，以及温湿度烟雾传感器、PT100 温度传感器和水侵传感器等环境检测传感器组成箱变现场 RS485 总线 总线 总线 串行通信总线总线通讯模式为主从方式，由主设备轮询各从设备进行通讯，可以一点对多点进行组网，构成分布式系统。RS485接口是广泛应用的低速串行接口，RS485接口具有以下特点：

　　* RS485接口。RS485接口通信采用差分传输方式，以及具有平衡驱动器和差分接收器的组合，用缆线两端的电压差值传递信号，大大增强了抗共模干扰和抗噪声干扰能力。* RS485总线传输速率高且传输距离远。最大传输距离约1200米，最大传输速率10Mbps；其的传输速率与传输距离成反比，20kbps速率以下时能达到最大传输距离。

　　Modbus 协议应用于工业总线网络，通过协议和现场设备之间可以进行数据通信，不同厂家生产的设备遵循统一的协议就可以组成工业总线网络监控系统。 该协议为主从结构，网络中一个主节点，其他为从节点，每一个从节点有一个唯一的设备地址。在串行总线网络中，主节点启动一个命令，所有从设备都会收到该命令，Modbus 命令中包含了执行该命令的从设备地址，主设备指定的从设备先回应再执行指令。Modbus 命令中有检查码，以确定到达的命令没有被破坏。Modbus 命令可以指令 RTU 改变它的寄存器数值，读取或控制 I/O 端口，命令设备回传一个或多个寄存器数据。

　　Modbus 包括 ASCII、RTU 和 TCP 三种报文类型。ASCII传输模式，，LRC 校验，传输效率低，但是直观、简单、易调试。RTU传输模式，采用 CRC 校验，传输效率高，比 ASCII 稍微复杂。一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用 ASCII 协议；所需传输的数据量比较大，最好能使用 RT U 协议。为此，本系统的智能仪表和传感器统一选用 Modbus-RTU 通信模式。

　　箱变现场由嵌入式系统构成。嵌入式系统是以应用为中心、软硬件可裁剪，实现设备的自动化、智能化和远程监控等功能，主要由嵌入式微处理器、相关硬件、嵌入式操作系统和应用软件系统等组成。嵌入式系统的特点如表8所示。

　　嵌入式微处理器最小系统包括嵌入式微处理器、复位电路和调试电路。时钟电路提供所需的外部时钟信号，复位电路提供统一的初始状态，调试电路提供程序下载和调试的接口。* 嵌入式微处理器的选择。根据 10kV 智能箱变远程监控系统对现场性能的要求，本系统选择 STM32F103ZET6 芯片作为现场核心微处理器。STM32F103ZET6 嵌入式微处理器， MCU 集成度高、功耗低、性价比高，适用于工业医疗领域的各种应用需求，能够满足本系统数据采集和实时性处理的要求。

　　* 晶振电路。晶振电路给微处理器提供固定的频率脉冲，使微处理器正常运行。 STM32 微处理器有两个晶振，8MHz 的晶振提供外部高速时钟，32.768KHz 晶振提供外部低速时钟。晶振电路图如图6所示。

　　本系统选用额定电压为 12V（2A）的直流外部电源，选择 USB 接口的直流 5V（2A）电源适配器为现场供电。12V 直流电源接入控制板，通过 LM2596S 降压模块，将直流 12V 电源降压得到直流 5V 电源。5V 电压再通过 AMS1117-3.3V 稳压芯片得到 3.3V 电压给 STM32 芯片供电。LM2596S 及AMS1117-3.3V 电源稳压电路图如图 8所示。

　　由于箱变远程监控系统现场需要显示的数字和字符内容较多，因此选择 2.8寸 TFT-LCD 液晶显示屏作为显示模块，其内部有 ILI9341 。考虑STM32 可通过 SPI 接口、8080 接口或 RGB 接口与 ILI9341 进行通信。为了实现较快的刷新速度，TFT-LCD 选用 8080 并行数据总线 通过可变静态存储器 FSMC 模块输出数据至 ILI9341 显存，TFT-LCD 与 STM32 芯片的接线 TFT-LCD 与 STM32 单片机接线）语音报警模块

　　当STM32 微处理器检测到箱变运行数据出现异常或故障，它就会向串口发送信息，启动语音报警。语音报警模块选择常用的语音芯片 SYN6288，根据所编写的程序自动广播语音告警信息。系统选用 GB2312 编码，GB2312 编码适用于汉字处理、汉字通信等方面的信息交换。SYN6288 还可以准确识别数字、时间和日期以及常用的测量单位。该模块和 STM32 的连接图如图 11 所示。

　　现场选用一组 2 路光耦隔离继电器模块，用来控制直流 12V 警铃和风扇的开启和关断，可根据箱变排风扇电源类型和功率选择 220V 交流固态继电器。每个继电器回路模块都有常开和常闭触点，以及 LED 状态指示；每个继电器回路均采用光耦隔离，且附带续流二极管，释放继电器感应电压，保护前级电路。当箱变环境温度超过一定的范围时，现场输出高电平，1 路光耦隔离继电器动作打开风扇降温；当发生烟雾浓度过高等严重故障时，驱动另一路光耦隔离继电器接通警铃回路发出现场警报。继电器工作原理图、继电器模块与 STM32 芯片的连接图如图12、13 所示。编辑

　　*GPRS-GA6 模块。该模块可以低功耗的实现语音、短信息和数据的传输。适用于 M2M 应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品的设计。其次，通信协议采用 UART串口总线传输，使用标准的 AT 命令进行模块控制、波特率选择 115200bps。GPRS-GA6 模块与 STM32 单片机的连接电路图如图15所示。

　　智能网络电表用于检测低压配电回路三相电流、电压和功率等电气参。