基于机智云平台的工厂配电间远程监测系统

小鹏鹏

作者：长江大学机械工程学院 侯作富 李超 吴文秀 易群力
本文设计了一种基于机智云平台的工厂低压配电间远程监测系统，该系统以STM32为控制核心，采用了WIFI无线传输技术，GPRS无线通信技术，传感器技术，实现了对工厂配电间的远程检测和报警提醒，满足了工厂工作人员可以通过手机APP远程查看配电间状态，极大程度上减少了工作人员的工作量，大大提高了安全性。

传统的工厂低压配电间经常发生过负荷和短路等现象，再加上巡检强度大，存在的安全隐患较多，没有现代化的功率检测与数据远传的功能，当发生故障或功率超标时，管理人员及时采取有效措施的难度较大，因此对配电间的远程监控是十分重要的。机智云是致力于物联网、智能硬件云服务的开发平台，为开发者提供了自助式智能硬件开发工具和开放的云端服务 。本文提出了一种基于机智云平台服务器实现数据远传，并且通过手机APP监测配电间的设计。该监测系统通过对变压器的输出电流进行检测，将检测数据发送到手机上，工作人员通过手机APP可随时查看到实时数据，当实时电流超过设定值时，系统会自动报警，同时还会向相关人员发送报警短信，以便管理者及时采取有效的措施。


1 系统总体简介
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配电间远程监测系统主要是由传感器模块 、 控 制 器 与 处 理 器 模 块 、 显 示 模 块 、GPRS模块、WIFI无线传输模块、继电器模块构成。该监测系统以STM32F103ZET6单片机作为核心控制器，通过传感器模块对变 [3]压器的输出电流进行数据采集，然后输入到STM32单片机中进行数据处理和变换，再通过显示模块在现场显示出来，让现场工作人员更加直观的观察到实时数据。同时将检测的电流数据通过WIFI模块上传到机智云服务器，用户可以打开手机APP连上机智云服务器就可以查看到实时的电流数据，并且还可以在手机APP上手动设置报警临界值，当实时电流超过报警临界值时，STM32单片机会控制继电器模块导通报警灯，实现现场报警，同时STM32单片机还会控制GPRS模块给相关人员发送报警短信，实现远程报警。以上设计实现了对配电间输出电流的远程检测与报警，能够极大程度的释放工作人员，大大提高设备运行的安全性与可靠性。图1为配电间远程监测系统的总体示意图。


2 系统硬件设计
2.1 主控制器模块
配电间远程监测系统的主控制器采用的是ST公司生产的内核为Cortex-M3系列STM32F103ZET6微 控 制 器 ， 具 有 最 高 72MHz的工作频率，高达512 kB闪存，最大64kB的SRAM，工作电压采用3.3 V，具有丰富的GPIO端口和并联到两条APB总线的外设，包括两个12位的ADC，3个16位定时器和3个USART接口 。在该系统中主控制器 [2]模块主要用来控制采集信号的A/D转换、数据处理、数据与机智云服务器进行的数据传输、GPRS模块的短信发送、继电器模块的闭合等工作。

2.2 传感器模块
[1] 对配电间变压器的输出电流采集采用的是交流电流互感器，该交流电流互感器的输入范围为0～700 A，能够输出4~20 mA/0～3.3 V的信号，其测量精度高，相应速度快，抗干扰能力强，符合现场环境以及本设计的要求，如图2所示。
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2.3 WIFI无线传输模块
无线传输模块采用的是ATK-esp8266无线WIFI模块，它是ALIENTEK推出的一款高性能UART-WIFI（串口-无线）模块。ATK-ESP8266模块采用串口（LVTTL）与 MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现 串口与WIFI之间的转换，其具有三种转换 模式：串口转WIFI SPA、串口转WIFI AP和WIFI STA+WIFI AP的模式 。本系统通过主控制器模块与ATK-ESP8266模块进行数据交互，实现数据通过ATK-ESP8266模块上传到机智云服务器，如图3所示。
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2.4 GPRS无线通信模块
由于当配电间变压器输出电流超过设定值时，需要向相关人员发送报警短信，在本文中选择SIM900A模块进行设计，该模块板载SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块 ： SIM900 A， 工 作 频 段 双频：900/1800 MHz，可以低功耗输实现短信、彩信、数据信息的传 。 图 4为 SIM900A芯片原理图。
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2.5 继电器模块
继电器模块采用的是光耦隔离的继电器控制模块，该模块采用优质继电器，常开接口限大负载：50 V/30 A，直流：30 V/ 30 A；采用小型光耦，大功率高耐压三极管，抗干扰能力强，性能稳定。在本设计中，设置继电器模块为高电平信号触发， 当配电间变压器输出电流超过设定值时，将继电器控制接口连 接的STM32单片机的I/O口拉高，使其触发，从而控制报警灯在现场发出报警信号，以便工作人员及时采取措施。  


3 系统软件设计
该监测系统的软件开发在Keil uVision5上进行编程与调试，采用了C语言编写，在开发过程中选
用ST公司提供的STM32F10X固件函数库3.5.0版本，通过使用固件函数库，无需深入掌握细节，也能够轻松应用每个外设，大大减少程序编写时间，进而降低开发成本。在该监测系统中，软件程序设计主要分为：①控制器对电流信号的采集和处理；②控制器对处理后的数据进行现场显示； ③WIFI无线传输模块与机智云服务器进行的数据传输；④控制器控制GPRS无线通信模块发送报警短信；⑤控制器控制继电器模块闭合。
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配电间远程监测系统的程序流程图如图5所示。首先，对STM32单片机上各个外设进行初始化，然后初始化机智云通信协议，判断WIFI无线传输模块是否连接机智云服务器， 若连接，则进行数据采集和处理，再判断处理过的数据是否大于报警值，若大于，则进行继电器触发，控制报警灯实现现场报警，进而  GPRS模块发送报警短信，实现远程报警，接着将采集处理的数据在现场显示出来；若小于，直接显示出来，然后进行机智云协议处理，将数据发送到机智云服务器，最后在手机APP上显示出来，手机APP上可以对报警值进行调节，将手机APP上设定的报警值通过机智云协议处理，发送到机智云服务器，再通过WIFI模块发送到STM32单片机上，进而显示出来。

4 系统测试
配电间远程监测系统的数据显示与设备控制是通过现场实验测试的。将各个模块通电，手机APP配置WIFI模块入网，连接机智云服务器，就可以在手机APP上查看到检测的实时数据，同时现场显示屏也会显示出当前的数据。在手机APP上可以调节报警值，当检测的电流值超过报警值时，会收到报警短信，以及现场报警灯会闪烁。图6所示为测试时手机APP的应用截图；图7所示，为测试时现场数据显示图；图8所示，为测试时接受到的报警短信截图。
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5 结语
本远程监测系统经过现场测试，系统运行效果良好，能够正常控制报警短信发送以及报警灯开关，电流数据采集准确，能实时的在手机APP上显示，即使用户身在异地，同时手机处在4G模式下，也能够查看到实时数据，并且能够远程设定报警 值。该系统的设计不仅可以对配电间进行有效的监控，而且还可以大大减少人力，提高安全性。  

[1] 勒川.从平台布局迈步生态搭建机智云3.0及gokit3正式发布[EB/OL].http://www.wtoutiao.com/p/Z05hzG.html
[2] 陈鑫,秦宏伟,陈春雨,等.基于Cortex-M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报,2013,33(06):44-47
[3] ATK-ESP8266 WIFI用户手册_V1.0