基于TPC協(xié)議的自適應無線網(wǎng)絡箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計_第1頁
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1、 基于TPC協(xié)議的自適應無線網(wǎng)絡箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計 韓團軍 尹繼武 張攀飛 鄭旭 盧超摘 要: 針對傳統(tǒng)箱式變壓器環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)線路復雜和實時性差等問題,提出一種基于TCP協(xié)議的自適應無線網(wǎng)絡箱式變壓器數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用RS 485總線通過ModBus協(xié)議采集箱式變壓器內部多點溫度、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)后進行分析處理,將監(jiān)測參數(shù)實時顯示在人機交互界面上,可以對突發(fā)情況進行預警及控制。同時這些數(shù)據(jù)通過可選擇的三種方式GPRS,WiFi或者以太網(wǎng)口發(fā)送至云端服務器,用戶可登錄服務器上位機,遠程監(jiān)測箱式變壓器內部狀態(tài)。經(jīng)過試

2、驗測試,該系統(tǒng)可以正常監(jiān)測箱式變壓器內部參數(shù),極大地方便了工作人員的維護和檢修工作,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; 系統(tǒng)設計; 數(shù)據(jù)傳輸; 實時顯示; 遠程監(jiān)測: 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 言隨著我國工業(yè)水平的發(fā)展和用電設施的建設,由于箱

7、式變壓器可以縮短供電距離和增強總斷電壓的穩(wěn)定性等特點,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施用連接線的方式進行連接組合的電器設備,其缺點是變壓器較為分散、維護成本高、不能實時對其環(huán)境和參數(shù)進行監(jiān)測,導致不能及時發(fā)現(xiàn)問題而產生重大安全事故1?5。本文提出一種智能箱式變壓器實時無線監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)是將現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、控制技術應用于電氣設備中,系統(tǒng)利用RS 485總線通過ModBus協(xié)議采集箱式變壓器內部環(huán)境參數(shù)和電力參數(shù)。MCU對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理,將監(jiān)測參數(shù)實時顯示在人機交互界面上,可以對突發(fā)情況進行預警及控制。同時這些數(shù)據(jù)通過可選擇的三種方式GP

8、RS,WiFi或者以太網(wǎng)口發(fā)送至云端服務器,用戶可登錄服務器上位機,遠程監(jiān)測箱式變壓器內部參數(shù)狀態(tài)。該系統(tǒng)極大地節(jié)約了人工勞動成本,提高了變壓器的使用壽命。整個系統(tǒng)有一定的工業(yè)應用價值6。1 系統(tǒng)的硬件設計整個系統(tǒng)主要由四部分組成,包括終端傳感器數(shù)據(jù)檢測部分,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)送部分和遠程上位機監(jiān)測控制部分。其中各終端檢測傳感器均掛接在RS 485總線上,主控STM32F103ZET6單片機通過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,主控將這些數(shù)據(jù)按既定的傳輸協(xié)議封包通過系統(tǒng)開機時選擇的方式將數(shù)據(jù)

9、上傳至服務器,服務器上位機開啟監(jiān)聽并收到數(shù)據(jù)包后,對數(shù)據(jù)包進行解壓、保存和顯示,當檢測到數(shù)據(jù)超出閾值范圍時,可通過開關按鈕遠程切斷箱式變壓器電源。整個系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示。1.1 系統(tǒng)電源電路該硬件設計采用兩種電源3.3 V和5 V為整個系統(tǒng)供電。5 V電源采用MP2359芯片,該芯片是基于COMS工藝開關內置DC/DC轉換器。內置上端開關的導通電阻為35 ,可提供最大電流為1.2 A,最終可將12 V的電源電壓轉為5 V,電路設計如圖2所示。3.3 V電源采用穩(wěn)壓芯片AMS1117?3.3來設計,將5 V電壓轉換為3.3 V。電路如圖3所示。1.2 傳感器電路設計系統(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引腳DFN封裝,其輸出為標準的I2C格式的數(shù)字量。SHT21配有4C代CMOSens芯片,配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器,還包含一個放大器、A/D轉換器、OPT內存單元和數(shù)字處理單元。整個電路分為兩部分:一是傳感器前置放大電路;一是單片機A/D轉換和顯示控制軟件非線性校正等部分7?8。溫濕度傳感器設計電路如圖4所示。1.3 傳輸模塊電路網(wǎng)絡傳輸模塊分為GPRS無線數(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。設計中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)送至服務器。該模塊是一個完整的四頻段GSM/GPRS模塊,接口豐富,功能完善,工作穩(wěn)定,抗干擾強,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,通過有流量的SIM卡與云平臺之間對接。SIM800C模塊電路圖如圖5所示。設計中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)送至服務器。該模塊使用了3.3 V的直流電源,體積小,功耗低,支持透傳,丟包現(xiàn)象不嚴重并且可將芯片設置為透傳模式,這樣ESP8266就相當于在互聯(lián)網(wǎng)和UART之間架起了一座橋梁。其電路圖如圖6所示。設計以

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10/100 M自適應PHY和4 KD WORD值的SARM,支持4個通用輸入輸出口,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)軟件設計軟件系統(tǒng)可分為終端檢測節(jié)點軟件設計、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸軟件設計和上位機軟件設計。2.1 終端檢測節(jié)點軟件設計終端檢測節(jié)點程序包括ModBus協(xié)議和各個模塊的初始化程序,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數(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,同時判斷如果參數(shù)閾值超標,進行聲光報警并且上傳警報信息。程序流程圖如圖7所示。2.2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸軟件設計系統(tǒng)上電后首先選擇進入默認模式還是配置模式,如果選擇默認模式系統(tǒng)將按照歷史設置進行系統(tǒng)初始化;如果選擇配置模式則在三種網(wǎng)絡上傳方式中選擇一種用來上傳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包,接著設置數(shù)據(jù)包發(fā)送周期,選擇目標服務器IP地址及端口號。配置完成后初始化一個鏈表用來封裝網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包,鏈表表頭存放校驗頭,中間依次

14、存放溫濕度數(shù)據(jù)、油溫數(shù)據(jù)、變送器數(shù)據(jù),最后存放校驗位。數(shù)據(jù)包打包完成后通過WiFi/GPRS/以太網(wǎng)口上傳至服務器。流程圖如圖8所示。2.3 上位機軟件設計服務器上位機采用C#語言編寫,通過TCP協(xié)議長連接方式監(jiān)聽端口約定來接收終端上傳回來的數(shù)據(jù),整個模塊分為四個部分,分別為IP端口設置部分、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)異常控制開關部分。上位機界面圖如圖9所示。3 系統(tǒng)測試與分析通過硬件及其軟件設計,最終實現(xiàn)了一套箱式變壓器數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。首先將各個傳感器安裝在箱式變壓器內部,將終端主控安裝在箱壁上,通過RS 485總線連接各個傳感器,給終端系

15、統(tǒng)上電,設置目標IP、端口號、發(fā)送間隔和終端ID。同時服務器上位機開啟監(jiān)聽模式。此時可以看到服務器上位機收到終端發(fā)回的數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試,服務器端和終端檢測的數(shù)據(jù)完全一致。實際測試終端如圖10所示。在系統(tǒng)安裝完成后,通過對整套系統(tǒng)的溫濕度參數(shù)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送進行測試,每隔10 min記錄一次服務器端數(shù)據(jù),如表1所示。經(jīng)過表1測試可以看出,服務器數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)基本一致,符合數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的要求。4 結 語本文設計一種箱式變壓器無線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng),完成硬件及其軟件系統(tǒng)設計。通過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器上位機,進行顯示控制。通過實驗測試和數(shù)據(jù)對比分析,證明該系

16、統(tǒng)運行可靠,達到了工業(yè)設計應用標準,有一定的工業(yè)應用價值。Reference1 周新蓮,朱澤鵬.無線傳感器骨干網(wǎng)絡路由算法J.吉林大學學報(理學版),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)設計J.艦船科學技術,2019,41(6):139?141.3 章思青,陶洋,代建建.能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡多跳分簇路由協(xié)議J.計算機工程與設計,2019,40(3):611?616.4 崔海亭.異步傳輸下網(wǎng)絡不確定異常大數(shù)據(jù)剔除仿真J.計算機仿真,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.軟件學報,2019,30(2):302?322.6 張玉欣,劉玉紅.基于自適應壓縮感知的分簇式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集J.蘭州交通大學學報,2019,38(1):57?65.7 韓團軍.基于WiFi與ZigBee的山區(qū)農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究J.現(xiàn)代電子技術,2019,42(2):14?17.8 嚴星,吳向前,高敬禮.計弱連接條件下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)多信道傳輸節(jié)點路徑調控方法J.現(xiàn)代

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