輸變電工程水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

朱明星

（國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠233000）

水土環(huán)境信息是輸變電工程水土保持管理工作開展的重要參考依據(jù)，要求環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[1]。因此，開發(fā)一套環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。雖然中國在數(shù)據(jù)信息傳輸方式和信息采集設(shè)備控制兩個(gè)方面研究取得了一些成果，但是缺少信息傳輸方式和設(shè)備集成控制的有效結(jié)合研究[2-3]。本文將選取STM32F103C8T6 單片機(jī)作為核心控制器，提出在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 基于傳感器技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)問題，引入雙通信建設(shè)模式，采用無線傳輸模式傳送水土環(huán)境信息。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

本系統(tǒng)主要由信息采集終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、用戶手機(jī)以及無線傳輸模塊四部分構(gòu)成。其中，信息采集終端是水土環(huán)境信息采集模塊，在單片機(jī)控制下，利用傳感器分別采集數(shù)據(jù)信息，通過GPRS DTU 模塊將采集到的信息發(fā)送遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，由太陽能供電系統(tǒng)向信息采集終端各個(gè)設(shè)備提供電能。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器選型

本設(shè)計(jì)方案根據(jù)傳感器測(cè)量精準(zhǔn)度指標(biāo)信息，結(jié)合成本控制要求，合理選取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器型號(hào)。傳感器型號(hào)選取方案如表1 所示。

表1 傳感器型號(hào)選取方案

1.2.2 工程環(huán)境信息采集

工程環(huán)境信息采集模塊是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，選取STM32 系列單片機(jī)作為核心控制器，分別對(duì)各類傳感器、液晶顯示屏、外部存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、GPRS DTU 模塊進(jìn)行控制，形成完善的工程環(huán)境信息采集框架結(jié)構(gòu)。

1.2.2.1 單片機(jī)最小單元

本研究以STM32F103C8T6 型號(hào)單片機(jī)為核心，開發(fā)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，運(yùn)行速度較快，功耗較低，內(nèi)部含有DMA 控制器、定時(shí)器、看門狗、多通信接口、Flash 存儲(chǔ)器、SRAM 存儲(chǔ)器等外內(nèi)外設(shè)，滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)需求，工作電壓范圍為2.0～3.6 V。

1.2.2.2 外部存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)選取M25 P128 芯片作為外部存儲(chǔ)器控制器件，作為單片機(jī)外部信息存儲(chǔ)單元，用來存儲(chǔ)工程現(xiàn)場(chǎng)水土環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

1.2.2.3 GPRS DTU 模塊

該模塊是信息采集終端數(shù)據(jù)信息傳輸設(shè)備，通過RS-485接口連接到單片機(jī)上建立通信連接，串口波特率范圍300～115200 bps，工作電壓范圍5～18 V，電流范圍50～200 mA，可以在-40～80 ℃環(huán)境下正常作業(yè)。考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期較長(zhǎng)，所以設(shè)置模塊作業(yè)頻率為9600 bps。

1.2.2.4 系統(tǒng)供電模塊

由于本系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在外部環(huán)境下連續(xù)作業(yè)，所以對(duì)供電要求較高。為了滿足此供電需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選取了節(jié)能環(huán)保供電方法，選取太陽能電池板作為電能獲取裝置，將多余電量存儲(chǔ)至蓄電池中，利用蓄電池充放電控制器調(diào)節(jié)蓄電池作業(yè)模式，從而為系統(tǒng)連續(xù)供電。其中，蓄電池存儲(chǔ)電量可以在雨天為系統(tǒng)連續(xù)供電5 d。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 信息采集

本系統(tǒng)利用C 語言作為程序開發(fā)工具，編寫系統(tǒng)軟件運(yùn)行程序。由于信息數(shù)據(jù)類型較多，采集時(shí)間不同，所以需要分別設(shè)置各類傳感器信息采集時(shí)間間隔。其中，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、空氣濕度數(shù)據(jù)、空氣溫度數(shù)據(jù)5項(xiàng)指標(biāo)采集時(shí)間間隔均為1 min，雨量數(shù)據(jù)信息采集時(shí)間間隔為1 h。

1.3.2 數(shù)據(jù)通信

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信分為GPRS DTU 無線通信、GSM 無線通信、RS-485 總線通信3 部分，其中，GPRS DTU 無線通信與RS-485 總線通信兩個(gè)模塊軟件開發(fā)較為成熟，此處著重介紹GSM 無線通信。該通信模塊以SIM900A 芯片為核心控制器，通過發(fā)送AT 指令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)短消息發(fā)送。借助遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)器，按照文本格式編輯工程水土環(huán)境數(shù)據(jù)信息，發(fā)送至用戶手機(jī)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析終端

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析終端主要是讀取數(shù)據(jù)，將經(jīng)過CRC 校驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)結(jié)果。

分析過程：通過對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行初始化處理，而后讀取各類傳感器數(shù)據(jù)，判斷傳感器數(shù)據(jù)是否讀取完畢，如果讀取完畢，則采取CRC 校驗(yàn)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)率，如果還存在沒有讀取的數(shù)據(jù)，則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。經(jīng)過CRC 校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)包中，生成工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表。

2 系統(tǒng)測(cè)試分析

本測(cè)試項(xiàng)目利用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，觀察監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)操作界面數(shù)據(jù)顯示情況，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如果各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度超過97%，則認(rèn)為本系統(tǒng)開發(fā)方案滿足工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以作為水土保持管理參考依據(jù)。監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)界面如圖2 所示，工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)界面

表2 工程水土環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果

通過觀察圖2 中監(jiān)測(cè)界面可知，本系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)工程水土環(huán)境信息。表2 中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本系統(tǒng)信息采集精準(zhǔn)度在98%以上，并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，符合系統(tǒng)開發(fā)要求。

3 總結(jié)

本文圍繞輸變電工程水土保持問題展開研究，為了實(shí)時(shí)獲取工程水土環(huán)境信息，選取STM32 系列單片機(jī)作為核心處理器，提出在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。該系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、手機(jī)用戶監(jiān)測(cè)兩種工程現(xiàn)場(chǎng)信息獲取方式，為工程水土保持防治工作開展提供了便利條件。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集工程環(huán)境信息，準(zhǔn)確率在98%以上，滿足系統(tǒng)開發(fā)要求。