基于TPC協(xié)議的自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于TPC協(xié)議的自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 韓團(tuán)軍 尹繼武 張攀飛 鄭旭 盧超摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)箱式變壓器環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線路復(fù)雜和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，提出一種基于TCP協(xié)議的自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用RS 485總線通過(guò)ModBus協(xié)議采集箱式變壓器內(nèi)部多點(diǎn)溫度、濕度、油溫的環(huán)境參數(shù)和三相電壓電流、電能、功率因數(shù)、頻率等電力參數(shù)。MCU接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，將監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，可以對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行預(yù)警及控制。同時(shí)這些數(shù)據(jù)通過(guò)可選擇的三種方式GPRS，WiFi或者以太網(wǎng)口發(fā)送至云端服務(wù)器，用戶可登錄服務(wù)器上位機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箱式變壓器內(nèi)部狀態(tài)。經(jīng)過(guò)試

2、驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以正常監(jiān)測(cè)箱式變壓器內(nèi)部參數(shù)，極大地方便了工作人員的維護(hù)和檢修工作，提高了箱式變壓器的使用壽命。Key： 箱式變壓器; 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)傳輸; 實(shí)時(shí)顯示; 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)： TN926?34; S275.6 ： A ： 1004?373X（2020）12?0074?04Abstract： As the traditional box?type transformer environmental monitoring system has complex circuit and poor real?time performance， an adaptive wireless

3、 network box?type transformer data monitoring system based on TCP protocol is proposed. The system uses the 485 bus to collect the environmental parameters of the multi?point temperature， humidity and oil temperature and the three?phase voltage， current， electric energy， power factor， frequency and

4、other power parameters of the box?type transformer by means of the MODBUS protocol. After receiving the data， MCU can analyze and process it， display the monitoring parameters on the human?computer interface in real time， and can give early warning and control to emergencies. The data is sent to the

5、 cloud server by means of three selectable modes of GPRS， WIFI or Ethernet port. Users can log in to the server of the upper computer and remote monitor the internal state of the box?type transformer. The testing experiment results show that the system can normally monitor the internal parameters of

6、 the box?type transformer， which greatly facilitates the maintenance and overhaul of the staff and improves the service life of the box?type transformer.Keywords： box?type transformer; data monitoring; system design; data transmission; real?time display; remote monitoring0 引 言隨著我國(guó)工業(yè)水平的發(fā)展和用電設(shè)施的建設(shè)，由于箱

7、式變壓器可以縮短供電距離和增強(qiáng)總斷電壓的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，所以在電網(wǎng)改造中作用十分重要。傳統(tǒng)的箱式變壓器是一種將不同的電器設(shè)施用連接線的方式進(jìn)行連接組合的電器設(shè)備，其缺點(diǎn)是變壓器較為分散、維護(hù)成本高、不能實(shí)時(shí)對(duì)其環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題而產(chǎn)生重大安全事故1?5。本文提出一種智能箱式變壓器實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)應(yīng)用于電氣設(shè)備中，系統(tǒng)利用RS 485總線通過(guò)ModBus協(xié)議采集箱式變壓器內(nèi)部環(huán)境參數(shù)和電力參數(shù)。MCU對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，可以對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行預(yù)警及控制。同時(shí)這些數(shù)據(jù)通過(guò)可選擇的三種方式GP

8、RS，WiFi或者以太網(wǎng)口發(fā)送至云端服務(wù)器，用戶可登錄服務(wù)器上位機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箱式變壓器內(nèi)部參數(shù)狀態(tài)。該系統(tǒng)極大地節(jié)約了人工勞動(dòng)成本，提高了變壓器的使用壽命。整個(gè)系統(tǒng)有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值6。1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)主要由四部分組成，包括終端傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)部分，ModBus數(shù)據(jù)采集部分，主控MCU控制及數(shù)據(jù)以GPRS、WiFi、以太網(wǎng)口發(fā)送部分和遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制部分。其中各終端檢測(cè)傳感器均掛接在RS 485總線上，主控STM32F103ZET6單片機(jī)通過(guò)ModBus協(xié)議依次循環(huán)讀取各傳感器數(shù)值，并顯示在TFTLCD觸摸屏上。同時(shí)，主控將這些數(shù)據(jù)按既定的傳輸協(xié)議封包通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)選擇的方式將數(shù)據(jù)

9、上傳至服務(wù)器，服務(wù)器上位機(jī)開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)并收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓、保存和顯示，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)超出閾值范圍時(shí)，可通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕遠(yuǎn)程切斷箱式變壓器電源。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。1.1 系統(tǒng)電源電路該硬件設(shè)計(jì)采用兩種電源3.3 V和5 V為整個(gè)系統(tǒng)供電。5 V電源采用MP2359芯片，該芯片是基于COMS工藝開(kāi)關(guān)內(nèi)置DC/DC轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置上端開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為35 ，可提供最大電流為1.2 A，最終可將12 V的電源電壓轉(zhuǎn)為5 V，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。3.3 V電源采用穩(wěn)壓芯片AMS1117?3.3來(lái)設(shè)計(jì)，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。電路如圖3所示。1.2 傳感器電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的傳感器有溫濕度

10、傳感器、液溫傳感器、電力參數(shù)多功能變送器。溫濕度傳感器使用的是Sensirion公司的SHT21，該傳感器嵌入了適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳DFN封裝，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)的I2C格式的數(shù)字量。SHT21配有4C代CMOSens芯片，配有電容式相對(duì)濕度傳感器和能隙溫度傳感器，還包含一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OPT內(nèi)存單元和數(shù)字處理單元。整個(gè)電路分為兩部分：一是傳感器前置放大電路;一是單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換和顯示控制軟件非線性校正等部分7?8。溫濕度傳感器設(shè)計(jì)電路如圖4所示。1.3 傳輸模塊電路網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊分為GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、WiFi傳輸模塊、以太網(wǎng)口傳輸模塊和RS 485總線傳輸模塊。設(shè)計(jì)中GPRS

11、傳輸采用的是SIM800C模塊的TTL電平串口通信連接方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至服務(wù)器。該模塊是一個(gè)完整的四頻段GSM/GPRS模塊，接口豐富，功能完善，工作穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，外圍電路集成度高，尺寸小巧。其使用TCP/IP協(xié)議和主控制器之間相互通信，通過(guò)有流量的SIM卡與云平臺(tái)之間對(duì)接。SIM800C模塊電路圖如圖5所示。設(shè)計(jì)中WiFi傳輸采用的是ESP8266模塊的TTL電平串口通信連接方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至服務(wù)器。該模塊使用了3.3 V的直流電源，體積小，功耗低，支持透?jìng)鳎瑏G包現(xiàn)象不嚴(yán)重并且可將芯片設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，這樣ESP8266就相當(dāng)于在互聯(lián)網(wǎng)和UART之間架起了一座橋梁。其電路圖如圖6所示。設(shè)計(jì)以

12、太網(wǎng)口傳輸采用的是16位DM9000芯片采用LWIP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。該芯片是一款完全集成和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器與一般處理接口，一個(gè)10/100 M自適應(yīng)PHY和4 KD WORD值的SARM，支持4個(gè)通用輸入輸出口，超低功耗模式和電源故障模式，支持3.3 V和5 V供電9?11。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)可分為終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。2.1 終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序包括ModBus協(xié)議和各個(gè)模塊的初始化程序，主控初始化完成后首先向RS 485總線上地址一發(fā)送讀取數(shù)據(jù)包，溫度傳感器模塊向主控返回溫濕度數(shù)據(jù)包，接著主控向地址二發(fā)送讀取

13、數(shù)據(jù)包，油溫傳感器返回油溫?cái)?shù)據(jù)包，最后主控向地址三發(fā)送多路讀取數(shù)據(jù)包，多功能變送器返回三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電網(wǎng)頻率等數(shù)據(jù)包。主控接收到數(shù)據(jù)包后依次解析有效數(shù)據(jù)。分析處理并顯示，同時(shí)判斷如果參數(shù)閾值超標(biāo)，進(jìn)行聲光報(bào)警并且上傳警報(bào)信息。程序流程圖如圖7所示。2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后首先選擇進(jìn)入默認(rèn)模式還是配置模式，如果選擇默認(rèn)模式系統(tǒng)將按照歷史設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)初始化;如果選擇配置模式則在三種網(wǎng)絡(luò)上傳方式中選擇一種用來(lái)上傳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，接著設(shè)置數(shù)據(jù)包發(fā)送周期，選擇目標(biāo)服務(wù)器IP地址及端口號(hào)。配置完成后初始化一個(gè)鏈表用來(lái)封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，鏈表表頭存放校驗(yàn)頭，中間依次

14、存放溫濕度數(shù)據(jù)、油溫?cái)?shù)據(jù)、變送器數(shù)據(jù)，最后存放校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)包打包完成后通過(guò)WiFi/GPRS/以太網(wǎng)口上傳至服務(wù)器。流程圖如圖8所示。2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)服務(wù)器上位機(jī)采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)TCP協(xié)議長(zhǎng)連接方式監(jiān)聽(tīng)端口約定來(lái)接收終端上傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，整個(gè)模塊分為四個(gè)部分，分別為IP端口設(shè)置部分、數(shù)據(jù)接收及其處理部分、數(shù)據(jù)曲線圖顯示部分、參數(shù)異?？刂崎_(kāi)關(guān)部分。上位機(jī)界面圖如圖9所示。3 系統(tǒng)測(cè)試與分析通過(guò)硬件及其軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了一套箱式變壓器數(shù)據(jù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。首先將各個(gè)傳感器安裝在箱式變壓器內(nèi)部，將終端主控安裝在箱壁上，通過(guò)RS 485總線連接各個(gè)傳感器，給終端系

15、統(tǒng)上電，設(shè)置目標(biāo)IP、端口號(hào)、發(fā)送間隔和終端ID。同時(shí)服務(wù)器上位機(jī)開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)模式。此時(shí)可以看到服務(wù)器上位機(jī)收到終端發(fā)回的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，服務(wù)器端和終端檢測(cè)的數(shù)據(jù)完全一致。實(shí)際測(cè)試終端如圖10所示。在系統(tǒng)安裝完成后，通過(guò)對(duì)整套系統(tǒng)的溫濕度參數(shù)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送進(jìn)行測(cè)試，每隔10 min記錄一次服務(wù)器端數(shù)據(jù)，如表1所示。經(jīng)過(guò)表1測(cè)試可以看出，服務(wù)器數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致，符合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。4 結(jié) 語(yǔ)本文設(shè)計(jì)一種箱式變壓器無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成硬件及其軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)ModBus采集傳感器數(shù)據(jù)、終端數(shù)控分析處理顯示及其上傳至阿里云服務(wù)器上位機(jī)，進(jìn)行顯示控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明該系

16、統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。Reference1 周新蓮，朱澤鵬.無(wú)線傳感器骨干網(wǎng)絡(luò)路由算法J.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2019，57（2）：363?368.2 黃曉艷.基于WiFi的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（6）：139?141.3 章思青，陶洋，代建建.能量獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳分簇路由協(xié)議J.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2019，40（3）：611?616.4 崔海亭.異步傳輸下網(wǎng)絡(luò)不確定異常大數(shù)據(jù)剔除仿真J.計(jì)算機(jī)仿真，2019（3）：273?276.5 江卓，吳茜，李賀武，等.互聯(lián)網(wǎng)端到端多路徑傳輸跨層優(yōu)化研究綜述J.軟件學(xué)報(bào)，2019，30（2）：302?322.6 張玉欣，劉玉紅.基于自適應(yīng)壓縮感知的分簇式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集J.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，38（1）：57?65.7 韓團(tuán)軍.基于WiFi與ZigBee的山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（2）：14?17.8 嚴(yán)星，吳向前，高敬禮.計(jì)弱連接條件下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)多信道傳輸節(jié)點(diǎn)路徑調(diào)控方法J.現(xiàn)代