蘇建國，唐家萍，李 迅，李夢群

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

500 kV全地下變電站電壓等級高、設(shè)備多且全部靠電纜連接，環(huán)境中溫濕度的影響對電纜的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，溫度過高或濕度過高都是引起設(shè)備短路接地故障的因素。全地下變電站地下最深約31.5 m，并且常年不見陽光，濕度很高，需運(yùn)維人員定期檢查現(xiàn)場溫濕度表計(jì)，但無法觀測到一天中溫濕度的峰值。

如何準(zhǔn)確、高效、智能地檢測設(shè)備室內(nèi)的溫濕度是本文研究的重點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為連接用戶和終端傳感器的平臺，提供數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、連接互動(dòng)等功能，本文采用基于STM32的端到端物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測功能[1]。

1 溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸分為前半程和后半程，由物聯(lián)網(wǎng)平臺作為分割點(diǎn)。

在前半程，主要采用基于STM32的節(jié)點(diǎn)設(shè)備、WIFI環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、共有云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)皆贫恕?/p>

在后半程，物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給站內(nèi)應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和使用。

1.1 系統(tǒng)功能模塊

1.1.1 設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳感器

在500 kV全地下變電站中，超高壓、大電流的強(qiáng)電場環(huán)境存在各種干擾源，電磁環(huán)境極為復(fù)雜，測量終端很容易受到高頻噪聲、強(qiáng)電磁輻射、諧波干擾等影響，導(dǎo)致裝置可靠性降低。全地下變電站存在設(shè)備多、樓層高度高、樓層間隔厚等特點(diǎn)，對通信信道形成了阻擋。

節(jié)點(diǎn)傳感器的選擇主要為MCU(微控制單元)的選擇，在傳統(tǒng)嵌入式領(lǐng)域中，STM32得到廣泛運(yùn)用。

為了克服電磁干擾對電路的影響，運(yùn)用STM32L4R5ZI主控板以獲取本地傳感器信息，板載32.768 kHz晶振，為傳感器在共振狀態(tài)下的工作提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩，產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號以抵抗站內(nèi)設(shè)備的電磁干擾。同時(shí)，板載144引腳、2 M片上Flash、640 K RAM、120 MHz主頻，達(dá)到穩(wěn)定、低功耗、高性能等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，需要在主板外添加擴(kuò)展板，運(yùn)用STM32對應(yīng)的IKS01A2多環(huán)境傳感器擴(kuò)展板，通過虛擬引腳配置選用其中溫濕度傳感器功能。在網(wǎng)絡(luò)連接功能中，運(yùn)用搭載WIFI模塊和天線的EXT-AT3080擴(kuò)展板。

整套設(shè)備由3個(gè)板子通過Arduino Uno接口插頭連接，通過主板的USB接口供電，選用STM32CubeMX軟件對主板進(jìn)行引腳分配、時(shí)鐘配置和代碼生成，選用IAR EW軟件作為STM32開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)編輯、編譯、下載、調(diào)試功能。

在引腳配置過程中，STM32L4R5ZI主板通過I2C引腳與外部傳感器進(jìn)行通信，來讀取傳感器中的溫濕度值，通過兩個(gè)串口與WIFI擴(kuò)展板和STLINK連接，通過GPIO口與兩個(gè)LED燈和主板的黑色按鈕連接。

STM32 MCU引腳配置列表和對應(yīng)功能如表1所示。

表1 STM32 MCU引腳配置列表和對應(yīng)功能

1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

物聯(lián)網(wǎng)體系大致分為應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。其中，應(yīng)用層多為智能家居、環(huán)境監(jiān)測、Web端應(yīng)用等；網(wǎng)絡(luò)層為藍(lán)牙、4G/5G、WIFI等；感應(yīng)層為設(shè)備終端傳感器、芯片、通信模組等；在平臺層，選用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，搭建完整物聯(lián)網(wǎng)體系。該云平臺由Lot Hab、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、安全認(rèn)證組成。功能分為設(shè)備接入、設(shè)備通信、設(shè)備管理、安全能力、規(guī)則引擎解析轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等。

在設(shè)備連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺前，需在平臺上創(chuàng)建一個(gè)虛擬設(shè)備，創(chuàng)建成功后會產(chǎn)生一個(gè)三元組信息，分別為ProductKey、DeviceName、DeviceSecret，使傳感器和平臺創(chuàng)建的設(shè)備窗口匹配連接，同時(shí)也保證設(shè)備數(shù)據(jù)的安全。通過Paho MQTT協(xié)議將設(shè)備傳感器和云平臺連接，實(shí)現(xiàn)發(fā)布和訂閱功能。

1.1.3 Web端頁面

將數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)云端傳輸?shù)綖g覽器的過程中，需搭建用戶服務(wù)器平臺與云端通信，來完成數(shù)據(jù)的讀取和控制命令的下發(fā)，及人機(jī)交互的過程。用戶服務(wù)器包括前端服務(wù)器和后端服務(wù)器兩個(gè)部分，前端負(fù)責(zé)完成和運(yùn)維人員的人機(jī)交互這一部分功能，后端負(fù)責(zé)和云平臺通信、維護(hù)數(shù)據(jù)庫、并為前端服務(wù)器提供數(shù)據(jù)[2]。

在頁面開發(fā)設(shè)計(jì)中，使用Noed.js作為JavaScript運(yùn)行環(huán)境，Yarn軟件作為包管理工具，Umi項(xiàng)目模板作為前端開發(fā)框架。設(shè)計(jì)時(shí)將頁面分為導(dǎo)航欄、內(nèi)容區(qū)、底欄這三塊，并將網(wǎng)頁功能分為多個(gè)組件，包括報(bào)警狀態(tài)、溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)、在線狀態(tài)這四種狀態(tài)，以及曲線圖組件、報(bào)警表格組件，主要編輯的文件內(nèi)拆解UI組件。

在頁面中需要確定各子組件布局及位置，各組件中需嵌套設(shè)備數(shù)據(jù)的相應(yīng)變化。

1.2 系統(tǒng)邏輯

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)前半程路徑中，傳感器通過編譯程序并燒錄至其中以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，采用Paho.MQTT直聯(lián)方式連接云平臺，并將數(shù)據(jù)上傳至云端。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)后半程路徑中，將云端的數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議傳至站內(nèi)應(yīng)用的服務(wù)器，并接受值班人員的指令下發(fā)到終端設(shè)備[3]。

需要實(shí)現(xiàn)主要程序邏輯具體如下。

(1)傳感器每5 s上報(bào)一次當(dāng)前溫濕度值至云平臺，并閃爍一次綠燈；

(2)溫濕度值被物聯(lián)網(wǎng)云平臺轉(zhuǎn)發(fā)到站內(nèi)服務(wù)器，并存儲到用戶服務(wù)器的本地?cái)?shù)據(jù)庫MySQL 中，同時(shí)在Web端顯示溫濕度值、隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)曲線；

(3)當(dāng)溫濕度超過設(shè)定的上限閾值則傳感器亮紅燈，并每10 s向云平臺上報(bào)溫濕度超限的報(bào)警信息。該報(bào)警信息被云平臺接收后發(fā)送到站內(nèi)服務(wù)器上；

(4)運(yùn)維人員從Web端接到報(bào)警信息后可從Web端控制臺發(fā)出解除報(bào)警，表示已知道該報(bào)警信號；

(5)收到解除報(bào)警信號后，紅燈從常亮狀態(tài)變成閃爍狀態(tài)，直到溫濕度值恢復(fù)到閾值以下，紅燈熄滅；

(6)若上報(bào)溫濕度超限告警信息后，10 s內(nèi)未解除報(bào)警信號，將重復(fù)上報(bào)，直到溫濕度恢復(fù)到閾值以下；

(7)運(yùn)維人員在設(shè)備傳感器的現(xiàn)場處可以根據(jù)紅燈和綠燈知道設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，在Web端頁面處可以看到近期溫濕度數(shù)值曲線、告警燈狀態(tài)、當(dāng)前溫濕度數(shù)值、歷史報(bào)警狀態(tài)信息等，也可以從控制臺發(fā)出解除報(bào)警和設(shè)置閾值的操作給設(shè)備傳感器。

2 傳輸協(xié)議和代碼測試

設(shè)備傳感器通電源后連接PC端，使用Tera Term軟件對串口進(jìn)行調(diào)試，摁下設(shè)備黑色復(fù)位按鈕進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)指令，5 s內(nèi)摁下藍(lán)色按鈕開始連接WIFI，輸入用戶名和密碼并保存在Flash中固定位置。完成WIFI連接后開始連接云端，輸入在云平臺創(chuàng)建虛擬設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的三元組信息進(jìn)行適配，并將信息保存在Flash中。

云平臺連接成功后，傳感器向云平臺發(fā)送訂閱兩個(gè)主題的請求，即溫度報(bào)警門限值設(shè)置和清除報(bào)警。同時(shí)傳感器每5 s上報(bào)一次溫濕度值。

連接成功后，在阿里云平臺可看到設(shè)備成功上線，平臺接到傳感器發(fā)送的消息后，通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶的應(yīng)用服務(wù)器上，后端應(yīng)用把數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中，前端Web頁面可看到設(shè)備上線狀態(tài)、當(dāng)前溫濕度值，并可下發(fā)溫濕度閾值等命令，完成系統(tǒng)流程。

3 結(jié)語

本文主要研究的是基于STM32和阿里云IOT云平臺搭建的適用于500 kV地下變電站物聯(lián)網(wǎng)溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的目的是降低運(yùn)維生產(chǎn)工作中人力的低產(chǎn)能消耗，減少人為檢查現(xiàn)場溫濕度表計(jì)的次數(shù)，提升工作效率。實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員在控制室內(nèi)掌握地下空間的溫濕度，該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可運(yùn)用在多項(xiàng)變電運(yùn)維生產(chǎn)工作中，例如火災(zāi)報(bào)警、輔控系統(tǒng)、防外破和反外損等方面，依靠云平臺的使用提升站內(nèi)設(shè)備高科技、高效能、高安全，進(jìn)一步加強(qiáng)站內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行水平[4-5]。