基于机智云物联网平台的工厂配电间远程监测系统
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物联网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 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 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
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。
勒川.从平台布局迈步生态搭建机智云3.0及Gokit3正式发布.http://www.wtoutiao.com/p/Z05hzG.html
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.大庆师范学院学报,2013,33(06):44-47
ATK-ESP8266 WIFI用户手册_V1.0
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