物聯(lián)網(wǎng)工程-基于NRF24L01的高低壓配電柜無線監(jiān)控系統(tǒng)

第3章整體系統(tǒng)方案設(shè)計3.1系統(tǒng)功能設(shè)計電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)的生命線，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，而高低配電柜又是全供、配電網(wǎng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，它的安全與否對全供、配電網(wǎng)的安全運行有著至關(guān)重要的影響。高低壓配電柜的故障有很多種，其中對開關(guān)柜安全性產(chǎn)生影響的最常見因素是因為各種原因造成的熱故障?；谠摲N背景本系統(tǒng)是基于NRF24L01的高低壓配電柜無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，經(jīng)過具體的設(shè)計其功能為：（1）該系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計的過程當(dāng)中，需要實現(xiàn)線路溫度的實時檢測功能，可以配電柜環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，在進(jìn)行檢測時，所用的溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速度較快，且其測轉(zhuǎn)換精度較高，可以滿足應(yīng)用要求。（2）系統(tǒng)在工作的時候可以通過上位機(jī)來控制設(shè)置溫度，煙霧濃度，可燃?xì)怏w的安全門限，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溫度超出了這個閾值，將會自動發(fā)出警報，同時也能夠自動斷開線路系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的功能安全。（3）為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信功能的要求，在系統(tǒng)進(jìn)行工作時，采用NRF24L01+射頻無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，可以將采集中點得到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到項目機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行顯示。（4）上位終端可發(fā)送操作指令至下位采集系統(tǒng)，下位機(jī)可以自行判斷控制同時可接受指令信號遠(yuǎn)程控制線路通斷。整體功能流程圖如圖3.1所示。整體功能示意圖上位機(jī)：通過串口接收處理，設(shè)置閾值，通過點擊動作吧對應(yīng)閾值發(fā)送出去，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成字符串顯示到界面上。下位機(jī)：由溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器來對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)以NRF24L01+射頻無線通信的方式發(fā)送到上位機(jī)。并將數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示器上，當(dāng)數(shù)據(jù)超過上位機(jī)所設(shè)定的閾值時，繼電器會接收指令控制電路斷開，并亮起警報燈。按鍵模塊則用于復(fù)位閾值。3.2整體方案設(shè)計在系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計的時候，下位機(jī)主要包含按鍵輸入模塊，溫度采集模塊、可燃?xì)怏w采集模塊、煙霧濃度檢測傳感器，可以將采集到的信息通過液晶顯示器進(jìn)行本地化顯示，還可以設(shè)定報警燈亮起，可以利用繼電器對線路的通斷進(jìn)行控制通過NRF24L01模塊，與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到上位機(jī)，再用上位機(jī)的液晶顯示器對其進(jìn)行顯示。同時也能夠使用上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置閾值信息。設(shè)計框圖如圖3.2所示：圖3.2整體系統(tǒng)硬件框圖第4章硬件系統(tǒng)設(shè)計4.1下位機(jī)設(shè)計下位機(jī)有溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、SM32單片機(jī)控制器、OLED液晶顯示器、繼電器等功能，傳感器是在檢測配電柜環(huán)境溫度和煙霧濃度、可燃?xì)怏w的數(shù)值經(jīng)過單片機(jī)分析處理再到OLED顯示屏上顯示出來，控制器是執(zhí)行上位機(jī)的命令，控制下位機(jī)來執(zhí)行的行為，顯示器是OLED的液晶顯示屏。整體下位機(jī)功能框圖如圖4.1所示。4.1整體下位機(jī)框圖4.2傳感器的使用傳感器我使用的是溫度傳感器，煙霧濃度傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，用來探測配電網(wǎng)周圍的溫度，煙霧濃度，可燃?xì)怏w，以確保配電網(wǎng)的安全性。1.溫度傳感器的采集功能：它的引腳是PA0，用單總線的通信方式與單片機(jī)相連接，工作過程中，第一步是對DS18B20進(jìn)行初始化，之后執(zhí)行ROM命令，第三部分為執(zhí)行DS18B20的功能指令。實現(xiàn)了對配電箱外部環(huán)境溫度的測量，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計的主要特點是溫度的變化比較大，需要該傳感器有會隨著溫度的變化而變化，進(jìn)行實時溫度的檢測和傳輸，使人們能夠更直觀的看到測量數(shù)據(jù)。此協(xié)議以重置脈沖，存在脈沖，寫入0，寫入1，讀取0，讀取1。在主機(jī)啟動寫周期后，DS18B20將在15us-60us的范圍內(nèi)取樣總線，若總線為高電平，將其為邏輯1并將其寫入DS18B20；反過來，也就是在DS18B20中寫了邏輯0。讀取溫度，創(chuàng)建一個函數(shù)：intReadOneTemperature(void)返回值：intt參數(shù)：無溫度處理，創(chuàng)建一個函數(shù)：uintTemperaturepro(void)返回值：void參數(shù)：void溫度采集設(shè)計流程圖如圖4.2所示，是溫度采集的軟件設(shè)計，它的主要功能是完成DS18B20的初始化工作，與此同時，還可以讀取溫度，在顯示器上顯示出傳感器所測得的實際溫度。讀溫子程序的主要作用是從RAM中讀取9個字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀入時需做CRC檢查（循環(huán)冗余檢查），如果檢查錯誤則不重寫。4.2溫度采集的設(shè)計流程圖煙霧濃度傳感器的采集功能：MQ2引腳為PA2，功耗約為800mW，模擬輸入與單片機(jī)通訊，在不同的環(huán)境下，這種傳感器內(nèi)部的電路和材料具有不同的電阻值，通過對電阻電壓的采集，可以檢測到相應(yīng)氣體濃度的變化。該傳感器可以通過ADC來對煙霧，甲醛，丙烷等易燃危險氣體進(jìn)行采集，將連續(xù)變量的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號輸出。首先對io口進(jìn)行配置，再對ADC模式進(jìn)行配置。利用函數(shù)返回值：ADC1進(jìn)一步進(jìn)行計算，兩個入口參數(shù)：u8ch,u8times取平均值，將氣體PPM進(jìn)行轉(zhuǎn)換，校準(zhǔn)，最后通過串口助手進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示?？扇?xì)怏w傳感器的采集功能：引腳為PA1，模擬輸入與單片機(jī)通訊，該傳感器采用高低溫循環(huán)檢測模式，在低溫下，檢測一氧化碳?xì)怏w，隨著一氧化碳?xì)怏w濃度的增大，傳感器的電導(dǎo)率也會隨之增大，在高溫加熱下，檢測可燃?xì)怏w甲烷和丙烷，并清洗低溫下所吸附的雜散氣體。主要功能為檢測空氣中可燃?xì)怏w的濃度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。函數(shù)中intanalogVal=0;intdigitalVal=0兩個變量分別存放數(shù)字信號與模擬信號，設(shè)置波特率為9600，analogVal=analogRead(analogPin)讀取模擬信號；digitalVal=digitalRead(digitalPin)讀取數(shù)字信號。煙霧濃度、可燃?xì)怏w采集流程圖如圖4.3所示。4.3煙霧濃度、可燃?xì)怏w采集流程圖4.3其他硬件模塊1.繼電器繼電器的引腳為PB13，通過高低電頻與單片機(jī)通訊，該系統(tǒng)在工作的過程中，當(dāng)傳感器采集到的溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w等有超過所設(shè)置的閾值的情況，繼電器會控制電路將其斷開，從而避免危險發(fā)生。在代碼中，首先通過sbit關(guān)鍵詞定義繼電器控制引腳，然后在主函數(shù)中通過控制該引腳的高低電平信號來控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而控制外部設(shè)備。繼電器控制函數(shù)代碼如下：Voidpulse-RL(intcount,intTH,i{inti;for(i=0,i<count;i++){relay=1;delay(TH);relay=0;delay(TL);}}繼電器工作流程圖如圖4.4所示。4.4繼電器工作流程圖液晶顯示器液晶顯示器的引腳為PB6和PB7與單片機(jī)相連接，要使OLED顯示屏顯示一個字符串，需要調(diào)用通過指針*p連續(xù)調(diào)用字符串顯示函數(shù)，以顯示字符串中的每個字符。在OLED_ShowChar（）函數(shù)中，再次調(diào)用了畫點陣，即將所有的字符都畫成點陣。該模塊能夠?qū)崟r顯示相應(yīng)的工作狀態(tài)。在整個過程當(dāng)中，可以方便進(jìn)行人機(jī)交互功能，使調(diào)試人員能夠更加直觀的觀測到數(shù)據(jù)的變化。更加直觀的了解到配電柜外環(huán)境中的溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)變化。液晶顯示器工作流程圖如圖4.5所示。4.5液晶顯示器工作流程圖第5章軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1主程序設(shè)計流程圖該系統(tǒng)的主機(jī)部分在進(jìn)行程序設(shè)計時，首先開始進(jìn)行初始化，將液晶顯示屏進(jìn)行清屏，使其能夠進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，之后，首先，初始化能夠接收到數(shù)據(jù)的無線通信模塊。在收到所述數(shù)據(jù)后，向所述硬件顯示器傳送所收到的所述數(shù)據(jù)信息，并將其顯示。同時，數(shù)據(jù)還會被傳輸?shù)诫娔X上，通過電腦上的數(shù)據(jù)，設(shè)定溫度，煙氣濃度，易燃物的閾值，然后進(jìn)行對比，一旦超過閾值，就會發(fā)出警報。該系統(tǒng)流程圖5.1如下所示。圖5.1主程序設(shè)計流程圖NRF24L01為單片無線收發(fā)器芯片，它是利用SPI與單片機(jī)進(jìn)行通信的，并且又5根線需要與單片機(jī)I/O口連接。在編程中，首先要寫一個發(fā)送函數(shù)，發(fā)送一個字節(jié)，即MCU通過MOMI輸出的高、低電平，其中一個字節(jié)是讀取和寫入的方向比特和待處理的寄存器地址，另一個字節(jié)是特定的指令，再根據(jù)時間順序，將這兩個字節(jié)的語句組合起來。之后，可以讀出一個數(shù)組，把數(shù)據(jù)讀出放入這個數(shù)組中，并把數(shù)組中的內(nèi)容寫進(jìn)去。之后，再編寫接收函數(shù)，讀出狀態(tài)寄存器STATUS的值，來判斷是否接收成功。發(fā)送功能我們只需要將要發(fā)送的功能放在一個陣列中，發(fā)送就可以了，讀出寄存器的數(shù)值就可以判定是否成功發(fā)送。最后，在main函數(shù)中對發(fā)送程序和接收程序進(jìn)行初始化，在發(fā)送程序中，每一次都要對寄存器CONFIG進(jìn)行配置，之后，再使用該程序進(jìn)行發(fā)送，而接收則是要看IRO有沒有發(fā)生中斷。5.2STM32軟件編程1.STM32所使用的軟件編程是keil5,其主要用于對基于ARM架構(gòu)的微控制器進(jìn)行編程。它為軟件開發(fā)提供了一個全面的環(huán)境。2.keil5程序首先定一個PID結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體儲存PID參數(shù)、限幅值、誤差等參數(shù)。在程序初始化部分，定義一個初始化函數(shù)，對其中的參數(shù)進(jìn)行初始化配置。在編碼器的計時器每隔10ms將編碼器測出的實際速度反饋一次之后，就可以調(diào)用PID函數(shù)，對輸出給電機(jī)驅(qū)動板的PWM值進(jìn)行求解，再利用Set_Pwm函數(shù)對其進(jìn)行設(shè)定。以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。5.3上位機(jī)設(shè)計思路上位機(jī)軟件類似于人類的大腦，主要功能是通過界面設(shè)計來設(shè)置數(shù)據(jù)閾值，通過串口接收進(jìn)行串口處理，更新數(shù)據(jù)，獲取閾值。通過點擊動作將對應(yīng)的閾值發(fā)送出去。數(shù)據(jù)處理將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，把16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為字符串顯示到界面。上位機(jī)工作流程圖如圖5.2所示。5.2上位機(jī)工作流程圖基于NRF24L01的高低壓配電柜無線監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用的是QT軟件，使用的編程語言是C++。做出相應(yīng)界面如圖5.3所示。5.3上位機(jī)界面圖5.4串口通信串口是一種利用信號線，地線，控制線，在外部設(shè)備與計算機(jī)之間，以比特為單位傳送數(shù)據(jù)的通信方法。該方法占用較少的數(shù)據(jù)線，在長距離通訊中節(jié)省了通訊費用。在這個系統(tǒng)里，串口是用來接收數(shù)據(jù)，把收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平行的數(shù)據(jù)字符提供給CPU的一種裝置。設(shè)置串口代碼如下：ui->label->setText("[已開啟]");serial.setBaudRate(OSerialPort::Baud9600);//波特率serial.setDataBits(QSerialPort::Data);//數(shù)據(jù)位serial.setParity(SerialPort::NoParity);//無奇偶校驗serial.setstopBits(OSerialPort::OneStop);//1停止位serial.setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);//無控制//serial.setReadBuffersize(255);//緩沖區(qū)大小serial.close();serial.setport(info);serial.open(QIODevice::ReadWrite);//讀寫打開

第6章軟硬件調(diào)試6.1軟件調(diào)試本系統(tǒng)在進(jìn)行程序編寫時，采用了c++進(jìn)行程序設(shè)計，根據(jù)所需要完成的內(nèi)容，本次在進(jìn)行軟件部分調(diào)試時，首先需要設(shè)計數(shù)據(jù)采集裝置，這些數(shù)據(jù)可以由溫度傳感器、煙霧濃度傳感器和可燃?xì)怏w傳感器讀取并顯示在OLED顯示器上，該部分便能夠進(jìn)行正常完成，同時對無線通信模塊進(jìn)行軟件配置，觀測器是否能夠進(jìn)行正常的發(fā)送與接收，在主機(jī)部分則進(jìn)行安全報警設(shè)置，通過設(shè)置安全包裝置觀測器是否能夠進(jìn)行正常的指示報警。1、使用上位機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)的上下限，能夠?qū)崟r顯示所采集的數(shù)據(jù)，并與OLED液晶顯示器上一致。2、當(dāng)數(shù)據(jù)高于設(shè)定的閾值時，能夠進(jìn)行自動報警斷開電路；3、通過無線通訊，可以向主機(jī)傳送獲取的數(shù)據(jù)信息；4、采用DS18B20型溫度傳感器、MQ2型煙霧濃度傳感器、MQ9型可燃性氣體傳感器，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集；5、可以將所述溫度實時顯示在所述有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDLCD）上；軟件調(diào)試最重要的一步就是編譯與調(diào)試程序。首先寫出并看一下這個下拉欄選項的程式碼，能否打開這個下拉欄，并選取這個下拉欄的系列選項。上位機(jī)拉欄選項圖如圖6.1所示。6.1上位機(jī)拉欄選項圖在選擇了下拉菜單中的串行端口之后，能否顯示出溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w等實時數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)與OLED顯示屏上的數(shù)據(jù)相符合。檢查無誤后即可設(shè)置各數(shù)據(jù)的安全閾值。如圖6.2所示。6.2上位機(jī)設(shè)置閾值圖當(dāng)所采集到的數(shù)據(jù)超過安全閾值時，繼電器會發(fā)生亮燈報警。實物圖如圖6.3所示。6.3繼電器報警實物圖6.2硬件調(diào)試系統(tǒng)功能調(diào)試部分可以說就是整個系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一環(huán)，通過對系統(tǒng)硬件的調(diào)試對電路進(jìn)行檢測，確認(rèn)無誤后，給整個線路加電，檢查線路是否焊接。之后，再檢測各整合區(qū)之電源管腳電壓，以確定該整合區(qū)有無上電運行。按照示意圖，我們判斷一下各管腳配置是否正確。測試結(jié)束，開始進(jìn)行電流測試。從上到下，從左到右，依次進(jìn)行電流測試。確保每一個部件都能正常工作。使用打火機(jī)在該系統(tǒng)前進(jìn)行實驗，煙霧傳感器感應(yīng)到有煙霧，可燃?xì)怏w傳感器檢測到有可燃?xì)怏w，當(dāng)數(shù)據(jù)超過安全閾值，繼電器斷開電路，警報燈亮起，表示功能正常。雙手握住溫度傳感器，將液晶屏上的溫度數(shù)值在兩手之間來回移動，液晶顯示器上溫度數(shù)據(jù)上升到超過安全閾值時，繼電器控制電路斷開，警報燈點亮，表示功能正常。整體實物圖如圖6.4所示。6.4本設(shè)計實物圖總結(jié)與展望本論文主要介紹了一種基于NRF24L01的高低壓配電柜無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測配電柜內(nèi)的溫度，煙霧濃度，可燃?xì)怏w等參數(shù)，并通過NRF24L01無線模塊傳輸數(shù)據(jù)到接收器中，同時還具備報警，自動斷電功能。在設(shè)計實現(xiàn)過程中，我首先進(jìn)行了硬件設(shè)計和電路布局，選擇合適的電子元器件，包括STM32F103C8T6主控芯片、NRF24L01無線通信模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、MQ2煙霧濃度傳感器模塊、MQ9可燃?xì)怏w傳感器模塊、OLED液晶顯示模塊等。接著，在軟件方面，采用QT軟件平臺基于C++上位機(jī)設(shè)計。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地監(jiān)測配電柜內(nèi)部的參數(shù)，并及時向接收器發(fā)送數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各種高低壓配電柜的監(jiān)控領(lǐng)域。未來，我將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的功能和性能，例如優(yōu)化無線傳輸方式、增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和存儲能力等。同時，也將探索更多的應(yīng)用場景，為實際生產(chǎn)和工程領(lǐng)域提供更加專業(yè)和可靠的監(jiān)控服務(wù)。參考文獻(xiàn)[1]王晶,胡立夫,王德生.基于nRF24L01的大氣環(huán)境智能測試系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2018[2]亓?xí)员?諸進(jìn)才.基于NRF24L01無線通信的絞線機(jī)電氣排線系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù),2022[3]黃凌霄.基于nRF24L01和GPRS的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J].曲靖師范學(xué)院學(xué)報,2017[4]李磊,葉濤等.移動機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來[J].機(jī)器人,2019[5]趙青云,智能小區(qū)配電自動化系統(tǒng)技術(shù)研究.[碩士學(xué)位論文].陜西:西安建筑科技大學(xué),2018[6]吳曉君,楊向明主編.電氣控制與可編程控制器應(yīng)用.北京.中國建材工業(yè)出版社.2021[7]沈曙明.全國電力系統(tǒng)自動化學(xué)術(shù)研討會.配電自動化及管理系統(tǒng)的實現(xiàn).2020[8]黃先群.無人倉庫中多移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[D].上海交通大學(xué),2019.[9]魯遠(yuǎn)棟主編.PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計技術(shù).北京.電子工業(yè)出版社.2019[10]胡學(xué)林.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京.電子工業(yè)出版社.2019[11]MohammadA.Alsmirat,YaserJararweh,IslamObaidat,BrijB.Gupta.Internetofsurveillance:acl