基于物聯網技術的電力設備站所水位自動檢測裝置設計與實現

鄭應豪 蔡圣本 金葉歡

摘?要：在電力設備站所的運行過程中，水位的監測是保障站所安全運行的重要工作。傳統的水位監測主要采用人工抄表、簡易的水位計進行測量，這種方式不僅效率低下，而且可靠性差。隨著物聯網技術的發展，人們開始意識到物聯網技術在電力設備站所水位監測方面具有很大的應用潛力。本文針對電力設備站所水位監測的需求，提出了一種基于物聯網技術的電力設備站所水位自動檢測裝置，該裝置采用GPRS通信方式將采集到的水位信息發送到指定服務器。

關鍵詞：物聯網；電力設備；水位檢測；GPRS通信

1?物聯網概述

1.1?物聯網的定義

物聯網的出現是為了解決信息孤島問題。在過去幾年中，從PC到智能手機，人們逐漸建立了龐大的信息孤島，但是物聯網打破了這些信息孤島。物聯網是可以把分散在世界各地的各類傳感器組成一個巨大的網絡系統，然后通過互聯網進行遠程通信和控制。物聯網不是簡單地把傳統網絡連接起來，而是要通過先進的網絡技術，把各種數據和信息全部整合到一個網絡中。

1.2?物聯網的應用

物聯網應用領域十分廣泛，幾乎涵蓋了所有的行業。從農業生產到城市管理，從公共安全到環境保護，從社會服務到醫療衛生，從生產制造到商業貿易，無一不與物聯網技術緊密相連。未來的物聯網將會廣泛應用于智慧城市建設、智能交通、智慧物流、智能醫療、智能家居、智能電網等領域。而隨著物聯網技術的發展和推廣，其在工業制造、能源管理、環境監測等領域的應用將會更加廣泛。電力設備站所水位自動檢測裝置的設計與實現就是物聯網技術在電力行業的應用就是一個典型的例子。

2?系統總體方案設計

本裝置主要包括水位傳感器、GPRS模塊和上位機軟件。水位傳感器主要用來監測水位，單片機通過對水位數據的分析來判斷是否需要報警。GPRS模塊負責與上位機軟件通信，可以將警報信息發送到指定的服務器。上位機軟件可以設置報警閾值和報警模式，對采集到的水位數據進行分析處理，判斷是否需要報警以及是否需要遠程控制。

系統總體架構圖

當水位傳感器監測到水位高于設定閾值時或低于設定閾值時，系統將會發出警報信息；當電力設備站所的控制終端監測到通信基站中的通信線路斷開時，系統會自動觸發警報信息。上位機軟件監測到有多個控制終端同時接收到數據時，系統將會自動判斷數據的重要程度，對于重要的數據進行實時處理，對于不重要的數據進行定時處理。

2.1?水位傳感器

在實際應用中，我們一般采用兩種方式來實現水位傳感器的功能，一種是機械式水位傳感器，另一種是電容式水位傳感器。機械式水位傳感器具有成本低、結構簡單、維護方便等優點，但是其測量精度不高，受環境干擾大；電容式水位傳感器具有精度高、抗干擾素力強、測量范圍廣等優點，但是其需要定期校驗測量結果。為了提高測量精度，本文采用的水位檢測裝置主要包含投入式靜壓液位變送器，基于所測液體靜壓與該液體液位高度成比例的原理，采用國外先進的隔離型擴散硅敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（一般為4～20mA），實現水位監測，并通過移動通信技術將監測數據實時傳輸至監管平臺。

2.2?GPRS模塊

GPRS模塊用于與服務器通信，它的功能主要包括數據收發、短消息服務以及流量管理。本裝置使用的GPRS模塊是北京天融信科技有限公司生產的JXGSM無線數傳模塊。JXGSM無線數傳模塊是一種基于CDMA技術的無線分組交換（GPRS）數據傳輸模塊，是專門為中國電信推出的新一代數據傳輸系統，能夠提供高速、可靠的數據傳輸。JXGSM無線數傳模塊采用了先進的CDMA技術，具有較高的可靠性和穩定性。它支持實時在線的網絡連接，支持基于TCP/IP協議棧的TCP/IP連接，能夠滿足不同行業網絡應用場景要求。JXGSM無線數傳模塊具有多信道傳輸能力，提供4個信道，每個信道可以同時發送數據包或短消息。它提供了完善的數據服務功能，能夠支持語音、視頻、數據、傳真等業務。同時JXGSM無線數傳模塊具有較高的容量，能夠滿足短消息服務的要求。

2.3?上位機軟件

本裝置采用Visual?C++6.0開發，主要由數據采集、數據分析、報警及控制、歷史數據查詢等功能模塊組成。該軟件具有良好的人機交互界面，可以方便地設置報警閾值和報警模式。在數據采集模塊中，由于水位傳感器的測量范圍是0～1m，為了防止誤報，本裝置采用了定時采集的方式。當水位傳感器監測到水位低于設定值時，將會發出報警信息。同時，通過GPRS模塊將警報信息發送到指定的服務器。在報警模式中，用戶可以選擇是實時報警還是定時報警，根據用戶設定的報警閾值進行判斷。歷史數據查詢模塊負責查詢歷史數據信息，并通過Excel表格等方式展示歷史數據信息。當用戶打開歷史數據查詢模塊時，將會在主界面中顯示出實時水位、歷史水位、報警閾值以及歷史記錄信息等內容。

2.4?水位數據采集終端設計

本系統中的水位檢測裝置終端由水位傳感器、信號采集模塊、數據處理模塊、GPRS通信模塊、電源模塊和觸摸屏組成。水位傳感器由電容式水位傳感器和數字壓力傳感器組成，電容式水位傳感器采用C8051F040芯片，數字壓力傳感器采用ADN8151芯片。電容式水位傳感器是一種具有可編程特性的高精度壓力變送器，采用模塊化設計，可根據不同需求選擇不同的傳感器，實現水位的高精度測量。本系統中的水位信號采集模塊采用C8051F040單片機，其內部包含一個CAN總線控制器、一個12位AD轉換器、一個16位ADC轉換器、一個PWM驅動電路以及一個串行通信接口。

2.5?CAN總線控制器

CAN總線控制器采用C8051F040單片機，該單片機支持CAN2.0B標準協議，它集成了CAN控制器、收發器、邏輯電平轉換和功率驅動電路等。它的外部擴展元件較少，內部集成了一個CAN接口，使得系統的結構和設計變得十分簡單。CAN總線控制器在C8051F040中主要負責對發送信號進行解析，并通過判斷接收信號是否滿足要求來控制內部的收發器以及驅動電路工作。C8051F040內部集成了CAN控制器，通過外部擴展元件可以實現對CAN總線的控制和連接。在C8051F040中，內部設置了一個CAN接收緩沖器，它是一種多功能的CAN控制器。通過它可以連接到多個CAN總線收發器。在C8051F040內部，將發送和接收緩沖器進行了組合，形成了一個可以連接到多個CAN總線收發器的通用模塊。該模塊不但可以用來連接CAN總線收發器，還可以用來連接外部設備（如繼電器、開關等）。

2.6?AD轉換器和ADC轉換器

ADN8151是一款具有高精度、低功耗的12位AD轉換芯片，具有4通道、8位的ADC轉換，轉換精度可達16位（0.00016），支持多路輸出，最高分辨率為8位，可用于高精度測量。ADN8151內部包含一個由5個12位ADC組成的轉換模塊，可以將12位分辨率的模擬信號轉換為16位的數字信號。在本系統中ADN8151主要用于模擬壓力傳感器的數據采集。由于水位傳感器輸入信號為模擬信號，因此需要將其轉化為數字信號。本系統中采用12位AD轉換器ADN8151和16位ADC轉換器ADS1252實現數據轉換，ADS1252內部包含一個由12個模擬輸入通道組成的AD轉換模塊，可以實現12位分辨率的模擬輸入信號到16位分辨率的數字輸出，到單片機的數據總線。

2.7?PWM驅動電路

PWM驅動電路輸出電壓為PWM波的電壓，當C8051F040內部的PWM電路處于打開狀態時，由控制芯片AD8237產生的脈寬調制信號（PWM）對C8051F040內部的TLC2543和TLC2544兩個驅動腳進行驅動。當C8051F040內部的TLC2543和TLC2544兩個驅動腳輸出PWM波時，控制芯片AD8237會將其輸出的信號與內部TLC2543和TLC2544兩個驅動腳的PWM信號進行比較，從而控制輸出PWM波的電壓值。

2.8?GPRS通信模塊設計

GPRS通信模塊是在傳統GSM模塊基礎上，增加了GPRS數據業務，將傳統的GPRS通信技術與計算機網絡技術相結合，實現對設備遠程數據的采集和處理。該模塊采用SIM900A芯片作為核心芯片，該芯片內置了AT指令集和GPRS/CDMA功能模塊，可以滿足物聯網技術對通信模塊的要求。

SIM900A是一款集成了微控制器（MCU）、射頻（RF）、基帶處理器和數據存儲器于一體的通信芯片。它具有結構緊湊、性能優越、低功耗、低成本等特點，特別適用于對無線數據傳輸要求較高的場合。該芯片還支持數據自動重發和數據自動回復等功能。它支持UART協議和通用串行總線（USB），這是一種新型的串行接口，可以與現有的各類微處理器連接使用。此外，SIM900A還具備許多其他功能，比如，能夠方便地支持多種通信協議，支持2G/3G/4G網絡制式；支持豐富的串行通信接口；能夠直接與MODBUS和UART等協議連接；支持多種應用層協議。

GPRS數據通信模塊采用SIM900A芯片作為核心芯片，并將其與單片機系統結合起來實現數據傳輸。SIM900A是一種具有集成CPU和基帶處理器的系統芯片。它可以使用UART、SPI、I2C和串行通信接口，與傳統的串口通信相比，它具有更好的靈活性和可靠性。SIM900A包含了許多模塊和外圍電路，其結構簡單、功能強大。

3?數據通信軟件設計

在上位機軟件開發過程中，由于數據采集量大，采用串口通信，可實現數據的實時采集。同時，由于所使用的傳感器多數為模擬量，采用GPRS通信方式具有抗干擾素力強、傳輸速度快等優點。因此，本文所設計的水位自動檢測裝置采用GPRS通信方式進行數據傳輸。

GPRS通信采用Socket編程方式進行數據的傳輸，Socket編程是一種通過發送和接收消息來進行應用程序間的通信，特點是靈活、高效、簡單易用。軟件設計的核心是定義Socket對象，編寫相應的Socket函數，將數據幀傳遞給服務器。上位機軟件通過定義Socket對象可以實現對服務器的監控，以及發送和接收數據幀。

在水位自動檢測裝置中，各個模塊均需要與服務器進行通信以獲取水位數據，因此需要設計相關程序實現對服務器的監控，以及發送和接收水位信息。軟件設計時根據各模塊通信協議來確定各個模塊的接口函數。軟件設計主要包括以下幾個部分：

（1）使用Visual?C++編寫上位機軟件程序；

（2）利用MFC編寫服務器程序；

（3）調用API函數接收并解析服務器發送來的數據幀；

（4）發送接收得到的水位數據幀；

（5）上位機軟件接收并解析水位數據幀。

在上、下位機軟件中均采用Socket編程實現數據通信，該方法具有通用性強、簡單易用等特點，能夠較好地滿足電力設備站所水位自動檢測裝置的設計需求。

4?項目設計重點與難點

4.1?設計重點

自動排水裝置與預警規則需智能聯動，當觸發預警時系統通過物聯網技術可實現自動開啟、關閉排水裝置，實現智能控制，為站所少人值守、集中監控提供了技術支撐。

警示燈需考慮連續使用時間，在有限的錐桶空間內最大限度地增加警示燈連續使用時間。

4.2?設計難點

水位檢測裝置是項目的主要部分，為滿足各應用場景需要滿足簡捷、易維護、抗干擾性、采集模式多樣性、數據交互靈活性等要求。同時還需在不進行大規模施工和高成本投入前提下，滿足水災預警監測的可靠性、通用性、智能化要求。圍欄的折疊結構不僅需要發揮原有的隔離作用，還需考慮使用的便捷性，方便組裝提高現場安全圍欄使用效率。

結語

該系統在現場安裝使用后，在采集現場水位信息時，由于數據采集點多、分布廣，很難實現實時采集，故采用GPRS通信方式將數據發送到指定服務器。此外，當系統發生故障時，為了使服務器可以準確獲取現場水位信息，通過增加軟件修改程序，可對采集到的數據進行恢復，從而保證系統正常運行。目前該系統已成功應用于某市500kV變電站自動化系統中，對變電站的設備水位進行監測，取得了良好效果。

參考文獻：

［1］宋時光.基于物聯網技術的變電站溫度采集通信模塊的研究［D］.大連交通大學，2013.

［2］吳桓.基于物聯網技術的高壓套管放電檢測裝置設計與應用［D］.重慶理工大學，2024.

［3］米迎春.中央泵房水位顯示與自動報警裝置的設計應用［J］.能源與環保，2009（7）：2122.

［4］何亞聞，崔冬蕾，徐云航.兩壩間水位站群監測系統設計與實現［J］.中國水運：下半月，2022，22（5）：5557.

基金項目：國網浙江省電力有限公司科技項目：電力設備站所水位自動檢測、排水和警示裝置的研制

作者簡介：鄭應豪（1995—?），男，漢族，浙江臨海人，研究生，助理工程師，研究方向：電氣工程。