基于嵌入式Web服务器的变电站远程测温智能预警系统设计

邢惠民 周立人 翟 爽 郭晓龙 公茂法



基于嵌入式Web服务器的变电站远程测温智能预警系统设计

邢惠民1周立人2翟 爽1郭晓龙1公茂法2

（1. 国网山东电力东营供电公司，山东东营 257091； 2. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266510）

为提高变电站防抗灾能力，本文设计一套远程测温智能预警系统，在变电站重点防控区域设置嵌入式Web服务器监测终端，对监测区域温湿度、设备温度以及烟雾浓度等技术指标进行实时监测，监测信息经以太网至远程保护室，通过Web浏览器或者手机APP移动管理设备访问监管。监测区域一旦发生异常，监控界面就自动切换锁定，并智能发出异常信息。试验结果表明，温度等指标数据监测准确，异常预警功能正常，对推进变电站安全智能化建设具有一定的建设性意义。

Web服务器；变电站；远程测温；智能预警

变电站开关设备在长期运行中容易发生多种故障，例如开关触头表面氧化腐蚀，电缆头连接位置螺栓松动等，尤其是在异常高温或低温下，会加速开关设备老化。这些设备分散分布在各个工作站内，安全管理较为困难，亟需一套远程测温安全智能系统进行统一监管。

文献[1]设计用DS18B20传感器采集多点设备温度，其传感器灵敏度不可调，适用范围窄，ZigBee无线技术传输数据需要建立多个基站，维护调试费用高、不安全。文献[2]利用红外摄像机和云台系统采集温度信息，虽能实现高精度红外远距离温度采集，但是投资额巨大，受障碍物影响大，不适用日益紧凑的现代变电站设计理念，其上位机界面基于组态王的C/S架构设计，监测地点受限制，且通用性差，软件维护升级费用高。文献[3]提出了一种GPRS远距离24h在线数据传输方式，但容易受天气因素影响，需要向运营商购买专用通道，维护调试不便。

本设计利用嵌入式芯片独立的Web服务器技术，实现变电站内各个监测点的互联集中监测，与上述文献设计相比，是一种全新的设计理念。

1 变电站远程测温智能预警系统总体结构

总体结构图如图1所示。在变电站各个防控区域安设嵌入式Web服务器监测终端，这些终端将采集到的环境温湿度、设备温度、火灾烟雾浓度等信息传输至以太网内；Web监测界面采用B/S架构，支持多用户多权限机制，可以通过任意计算机、APP移动管理设备进行实时监测；当某一区域发生火灾等温度异常情况时，监控界面自动切换到异常监控区域的监测界面，系统智能发出报警短信提示，从而锁定事故类型与地点，缩短抢修时间。

对各个监控终端采用独立的Web服务器设计，使室内数据服务器规模大大减小，它负责协调不同Web服务器的SQL请求[4]，存储必要的历史数据，后期可集成到调度采集系统；监控站内配备有网络打印机，自动上报故障或异常数据，使整个系统的告警冗余机制得到完善，故障漏报率大大降低。

2 嵌入式监测终端硬件结构

如图2所示，STM32F103ZET6微控制器通过mC/OS-Ⅲ系统调控各个功能模块。其中DHT22传感器多点监测各个区域的环境温度和相对湿度信息；LM94022传感器负责监测设备的温度信息，若温度超过量程，则可通过继电器开关切除温度监测回路进行智能保护；MQ-2传感器经STM32自身A/D转换检测周围环境的烟雾浓度[5]，通过设置阈值可有效防止设备发生起火或爆炸的危险；红外火焰传感器监测是否有火灾发生；状态指示灯进行现场环境状态指示；STM32分析异常数据类型，并通过RS 232串口控制SIM900A模块向检修人员发送报警提示[6]；STM32通过SDIO接口与SD卡通信，历史信息以FATFS文件格式存储，利于事故追溯工作；门禁模块采用PN532 NFC模块，STM32通过SPI总线控制NFC模块实现射频卡的近距离高频无线电通信[7]；采用迪文DGUS串口液晶触摸屏显示，具有友好的人机交互界面；监测终端依靠外扩的ENC28J60以太网接口模块实现远程通信。

3 监测终端主要硬件电路设计

3.1 环境温湿度测量电路

如图3所示，DHT22是一款16位高精度数字式温湿度传感器，温度量程为-40℃～80℃，精度＜±0.5℃；相对湿度在-40℃～80℃温度内，符合精度要求。供电电压为+3.3V，DHT22通过PE3引脚与STM32实现单总线通信，传输距离高达20m以上，适合变电站区域性质的温湿度监测，当通信距离小于20m时，常选用4.7kW的高精度电阻。

图3 DHT22环境温湿度测量电路图

3.2 设备温度测量电路图

如图4所示，设备温度测量采用具负温度系数的集成CMOS温度传感器LM94022，通过PC1引脚的A/D转换通道读取相应温度下的输出电压值。为避免损坏单片机，应用隔热材料将芯片金属引脚、引线与热源隔离，并用耐高温的TLP2301光耦模块进行信号隔离[8]。同时，单片机的数字地和传感器模拟地要分开处理。LM94022量程为-55℃～ 150℃，见表1，可利用单片机控制GS0和GS1引脚改变测量灵敏度，以适应不同的测量范围，提高设备测温的精准度。

表1 LM94022测温的四种灵敏度

3.3 以太网接口通信电路图

如图5所示，STM32F103ZET6不带以太网控制器，外扩ENC28J60模块，通过SPI2总线对芯片内部寄存器写入控制参数或收发MAC数据包，实现以太网功能。ENC28J60通过以太网变压器HR911105A与RJ45水晶头连接组成网线接口[9]。

4 软件设计

4.1 系统主程序总体设计

为了保障Web服务器性能稳定，设计将mC/OS-Ⅲ多任务实时管理系统移植进STM32，如图6所示，各个任务以并行、流水线方式被执行。mC/OS-Ⅲ系统根据任务实际情况设置任务优先级和堆栈大小，表2列出了每个监测终端的主要任务配置，高于5的优先级一般保留给系统自身运行所用。

图6 系统主程序流程图

表2 主要任务配置表

4.2 嵌入式Web服务器程序设计

LwIP为轻量级协议栈，所占用RAM和ROM空间少，支持大部分TCP/IP规范，这里选择移植1.3.2版本LwIP到STM32的实时系统mC/OS-Ⅲ中。

移植过程中根据实际需要进行剪裁，将LwIP信号量操作函数封装到对应的mC/OS-Ⅲ信号量操作函数中。LwIP单线程处理速度慢，通过修改mC/OS-Ⅲ的应用函数OSTASKCreate()实现流水线式的处理进程[10]，系统时钟用SysTick滴答定时器模拟，频率为1Hz，即分配给任务的最小时间间隔为1ms。除DHT22因为通信延时最小时长小于1ms需要关闭系统调度功能以外，其他情况下禁止关闭系统定时器功能。

Keil编译器不支持HTML语言，将网页的HTML程序写入自定义数组中，数组中包含网页协议头、“GET”和“POST”请求等信息[11]，以字符串数组形式发送到网络。以太网通过识别协议头与请求信息和单片机进行信息交互。堆栈大小有限，网页数组长度声明要适当，否则栈溢出，发生硬件错误。简化的终端Web服务器程序流程如图7所示。

图7 简化的终端Web服务器程序流程图

5 试验验证

5.1 LM94022设备测温功能验证

试验装置选用MQT100高低温试验箱，将LM94022传感器固定安装在试验箱的样品架的金属卡线结构上，在5V供电电压、25℃环境温度下，试验温度与芯片输出电压（mV）对应关系见表3。

表3 LM94022传感器温度测试表

5.2 Web远程监测界面故障追踪功能验证

将试验用监测终端放置在机房内，通过网线远程连接至实验室的路由，在相同网关的普通计算机上打开浏览器的主界面。用打火机在监测终端火焰传感器旁模拟火灾发生，Web监测界面自动切换到监测终端所属××机房内环境监测界面，如图8所示，监测界面显示火灾发生，并且收到短信报警，SD卡中自动生成文本格式的事件记录文件。

6 结论

开展远程测温智能预警系统研究设计，对变电站现有安全监管系统进行改善，推动监测系统“互联网+”技术的运用，符合现代系统智能化、精细化的发展要求。试验结果证明，各项监测指标数据精准无误，故障监测界面自动切换锁定，报警信息智能发出，这对源头防控变电站灾害事故、推进变电站无人值守工程建设具有较高的推广应用价值。

图8 Web浏览器远程监测界面图

[1] 龚英强, 裴东峰, 李俊涛. 基于ZigBee的变电站多点温度无线采集装置[J]. 农村电工, 2016, 24(6): 30.

[2] 麦洪, 何胜红, 霍丹, 等. 基于红外测温技术的变电站测温系统的设计与实现[J]. 广东技术师范学院学报(社会科学版), 2015, 36(2): 31-35.

[3] 罗舒阳. 基于GPRS通信的变电站光纤传感测温系统软件平台设计[D]. 济南: 山东大学, 2016: 12-32.

[4] 苏伟, 罗佳俊. 闪电多点定位系统的开发与应用[J]. 电气技术, 2014, 15(5): 54-59.

[5] 王子若, 岳云涛. 防火门监控系统的研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(1): 473-476.

[6] 姚维明, 王一, 陈俊, 等. 高压输电线路下吊车作业报警和监控系统设计[J]. 电气技术, 2016, 17(12): 82-86, 97.

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[8] 陈强, 李庆民, 丛浩熹, 等. 基于多点分布式光纤光栅的GIS隔离开关触头温度在线监测技术[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 298-306.

[9] 张庆辉, 马延立. STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2012, 12(9): 23-25, 32.

[10] 陈代金, 赵建峰. 基于以太网技术的电力监控系统分析[J]. 电气技术, 2015, 16(3): 115-117.

[11] 包建军, 徐炜, 罗克. 基于LWIP的煤矿数字语音对讲终端的设计[J]. 工矿自动化, 2011, 37(12): 11-14.

The Design of Substation Remote Temperature Measurement Intelligent Early Warning Systembased on the Embedded Web Server

Xing Huimin1Zhou Liren2Zhai Shuang1Guo Xiaolong1Gong Maofa2

(1. State Grid Shandong Dongying Electric Power Company, Dongying, Shandong 257091; 2.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510)

In order to improve the anti-disaster ability of substation, design a set of remote temperature intelligent early warning system. Set the embedded Web server monitoring terminal in the key important control area of the substation, real-time monitoring a variety of technical indicators parameters, including temperature and humidity, equipment temperature, and fire smoke concentration and other information of monitoring area. The monitoring information is transmitted via the Ethernet to the remote protection room and the information is accessed for monitoring via a Web browser or mobile phone APP. When an exception occurred in the monitoring area, monitoring interface will automatically switch and be locked, and the exceptionmessages will be intelligent sent. Test proved that the data of temperature and other indicators is monitored accurately, abnormal warning function is normal, this has certain constructive significance to promote the substation security intelligence construction.

Web server; substation; remote temperature measurement; intelligent early warning

山东省自然科学基金（ZR2012EEM021）

邢惠民（1970-），工程师，从事变电一次线路设计工作。