基于 stm32 的智能变电站运行环境状态安全装置设计

张照晖，王申月，许健，类杰，从兰美

临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276000

摘 要：本文是基于物联网和大数据技术而设计的一个可以对变电站运行环境进行温湿度检测、环境光照检测、气体烟雾检测和电压电流实时监测的系统。该系统基于STM32F103单片机进行控制，通过收集传感器的参数进行简化分析，并将这些监测数据上传至终端。工作人员通过移动设备实时查看这些数据的同时也可以向系统发送指令，系统接收到指令后可执行后续操作并更新相应检测数据，保证电力系统设备的正常运行。若测量得到的温湿度、气体烟雾和光照强度超过按照标准设置的阈值时，蜂鸣器发出警报，超过阈值的信息立即传送到工作人员的手机App中，以便分析和处理问题。

关键词：报警系统 实时检测 传感装置 嵌入式 环境监测 物联网

0. 引言

进入 21 世纪以来，我国每年都会有千百座变电站投入电网运行，电力能源产出与消费呈现出快速增长的态势，与电力消费相对应的是对电力能源的调度和管理水平也在逐渐增长。现在我国的发电量和消费量已连续多年保持世界第一，对电力的调度和管理能力在世界上处在绝对领先的地位。但目前来看我国电力系统对变电站环境的巡检工作方式还是以人工巡检方式为主。而人工巡检的方式常常会造成数据缺失和传输的不及时，因此我们需要一种智能化和自动化的设备来代替人工。

我国的大多变电站设置在郊区，其周围的环境易受气候影响且变化速度快。若开关设备的环境温湿度高于标准值，会导致空气的绝缘性能降低，由于开关设备主要依靠空气间隙绝缘，则会导致开关设备的绝缘性下降。若设备内部有积尘并且吸附空气中的水分，潮湿程度将更严重，绝缘电阻更低，设备的泄露电流大大增加，甚至造成绝缘击穿，产生事故^[1.]。

通过对物联网和大数据的研究，该设计方案能够实现对设备运行状态参数和环境进行实时的检测，并通过收集参数简化分析从而及时地对设备故障进行处理。本设计是通过传感器、移动APP、蓝牙、LCD显示功能模块和人机交互系统等构成的智能巡检系统，通过运用多种传感器实现对变电站环境状态的监控，并设有警报系统，当监测到异常环境参数变化时报警，利用通信模块将巡检数据发送至手机APP，并实现数据库更新，根据检测数据的变化使后台工作人员直观、及时的掌握变电站环境状态的变化。人机交互系统设计则是实现远程控制维护系统的停启来控制环境状态来保证变电站运行环境状态的稳定。该设计弥补了人工检测的不全面性，大大加强了用电安全性，在一定程度上实现了巡检和操作方式上的自动化、智能化。

0. 系统结构和原理

为了减少变电站运行状态变化导致安全事故的发生，实时检测变电站运行环境安全尤为重要。因此，该系统设计的首要考虑因素为系统的运行环境以及系统运行的安全性和可靠性。本文设计增加了蓝牙无线传输功能，工作人员可以通过手机端APP处理系统所发现的运行状态问题，更加方便快捷。通过传感器监控系统可以连续时间内监控环境参数变化，安全性更高，通过调试LCD液晶屏模块实现检测数据的实时更新显示。

系统电路设计以STM32F103微处理器为主控芯片，包含DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、红外传感器和光照强度传感器进行数据采集处理，随后单片机会将传感器电信号所传递的信息通过无线蓝牙传输模块，发送到工作人员APP。若超过系统所设定的阈值，则会通过蜂鸣器、LED灯进行报警。在远程通信方面，HC-05蓝牙模块负责Wi-Fi 局域网络的创建，连接到工作人员手机端APP实现远程控制。根据设计功能要求系统总体结构设计如图 1所示。

图 1系统硬件电路结构图

0. 系统硬件设计

2.1设计的技术主要参数指标

1)设计的温湿度主要参数指标依据如下所示

2)光照强度范围：光敏传感器是通过光敏元件将光信号转换为电信号，再通过使用单片机的AD转换模块读取光敏传感器的电信号，并转换为电压值，若环境光照强度超过70%以上，则会引起传感器误动作。

3)电压电流采集：通过STM32内部ADC1读取PA1上面的电压，在LCD模块上面显示ADC转换值以及换算成电压后的电压值，在单片机中内有一个1k的电阻，由此可以测得电流值。电压范围在0~5.0V。

2.2传感器采集数据设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，用来采集变电站的湿度，电路图如图 2所示。量程范围为5-95%RH，在25℃的条件下，精度为±5%RH^[2.]。

图 2 DHT11温湿度传感器电路图

对于环境温度的测量，该装置应用DS18B20温度传感器，在变电站所需要的温度-10℃-+70℃范围内，其精度可达到±0.4℃，通过单片机的PB7 I/0口进行连接，在初始化函数中MCU向传感器发送起始信号，等待传感器的回应，若DS18B20拉低由总线上拉电阻上拉的高电平200us,则继续向下执行温度显示操作，若无正常回应，则会在主函数中一直返回1，表示传感器未连接或已损坏的状态。

两种传感器均采用简化的单总线通信，只需要一条数据线（和地线）就可以与中央微处理器通信，不需要外部组件。总而言之，两种传感器操作简单，实用性强，更容易满足用户的需求^[4.]。

2.3气体质量模块设计

对于有害气体检测装置的检测，采用MQ135气体传感器，该传感器采用的是电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大，使用A\D转换所得到的数据就会越高。MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害气体的监测也很理想^[5.]。

2.4蓝牙模块

对于通信模块，采用HC-05蓝牙串口通信模块，手机通过蓝牙传输到HC-05上，再通过串口通信和stm32单片机通信，这样就建立了用户通过应用程序建立与检测装置的联系，HC-05蓝牙模块采用从机模式收发信息, 可以实时监测环境状态的变化，HC-05蓝牙模块示意图如图 3所示^[7.]。

图 3 HC-05蓝牙模块示意图

0. 系统软件设计

首先，当设备上电时，单片机会给传感器发送信号并检测传感器的好坏，若传感器不处于工作状态，则会在LCD屏幕中反馈信息并报警。收到传感器反馈给单片机的信号，单片机就会接收传感器所收集到的信号并反馈到屏幕中，再通过蓝牙模块将信息实时的传递到手机APP中。在系统中可使用按键来调节所设置的阈值条件。程序流程图如图 4所示

图 4程序流程图

图5智能变电站安全环境监测系统工作图

0. 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

为检验安全环境检测系统的稳定性和准确性，我们将此设备分别放到室内的环境中进行测量，以温湿度计测量的数据作为参考对照，连续测量三天，检验数据的实时性和准确性是否完好。

4.2 测试结果完整性

4.3测试结果分析

由测试结果可以看出，在相同的环境条件下。检测装置出现了不同程度的误差，这主要是由于装置启动时间过短导致传感器不能良好地得到环境数据导致。DHT11与DS18b20之间的误差主要来源于传感器的测量精度，而DS18B20测得的温度精度较为准确，我们可以使用DHT11传感器来测量一定时间区间内的环境温度相对差值，由此反映环境的温度变化情况。

0. 实际应用测试

5.1 试验方案

为检验本设计在室外环境的准确度和实时性，我们将本设备置于室外进行测量数据，在三天中72小时内，每隔20分钟记录一次数据，通过取6组平均值来反映该时间段内的环境情况，以温湿度计作为对照，检验装置的精度。

5.2 实验结果及分析

如表1所示

由实验结果可得，该装置对于环境温度的测量准确率接近96%，对于环境湿度的测量准确率接近99.4%,本次实验所采集的样本较多，表明了此装置与实际环境情况在误差允许的范围内较为准确，也证明了此装置在实际环境中的实用性。

0. 结束语

本系统通过使用DHT11温湿度传感器、MQ135空气质量传感器、红外传感器和光照强度传感器传感器，可以较为准确的监测变电站周围的环境情况，并具有蓝牙传输模块，实时地将采集到的数据发送给工作人员，达到自动监测并实时传输的功能，确保在故障发生后第一时间启动自动保护装置，减少设备的损伤。

参考文献

1. 汪洋, 王成智, 杜镇安,等. 户外电气设备组件柜温湿度控制技术研究[J]. 湖北电力, 2017, 41(5):5.

2. 类杰, 韩玉, 谢印忠. 基于物联网的温湿度监控系统设计[J]. 电脑知识与技术:学术版, 2021, 17(29):4.

3. 曹金源. 基于无线传感器网络的设施农业温湿度监测系统设计与实现[D]. 中国农业科学院,

4. 2013. 远飞. 基于DS18B20的温度测量和显示系统设计与仿真[J]. 物联网技术, 2012, 2(11):3.

5. 吴义炳. 半导体气敏元件[J]. 机械工程与自动化, 2005(1):3.

6. ]李鸿奎, 程昭龙, 周蕾,等. 智能变电站设备管控大数据分析系统研究[J]. 机械与电子, 2020, 38(10):6.

7. 吴娟. HC-05蓝牙串口透传模块及其应用实例[J]. 中国宽带, 2021(3):1.