基于物联网的500 kV地下变电站温湿度检测系统研究

苏建国，唐家萍，李 迅，李梦群

(国网上海市电力公司检修公司，上海 200063)

500 kV全地下变电站电压等级高、设备多且全部靠电缆连接，环境中温湿度的影响对电缆的稳定运行起着关键作用，温度过高或湿度过高都是引起设备短路接地故障的因素。全地下变电站地下最深约31.5 m，并且常年不见阳光，湿度很高，需运维人员定期检查现场温湿度表计，但无法观测到一天中温湿度的峰值。

如何准确、高效、智能地检测设备室内的温湿度是本文研究的重点。物联网技术作为连接用户和终端传感器的平台，提供数据采集、实时监控、连接互动等功能，本文采用基于STM32的端到端物联网技术平台，实现变电站内温湿度实时监测功能[1]。

1 温湿度监测网络结构设计

整个网络结构根据数据传输分为前半程和后半程，由物联网平台作为分割点。

在前半程，主要采用基于STM32的节点设备、WIFI环境、数据传输协议、共有云物联网平台，实现数据采集并传输到云端。

在后半程，物联网将数据传输给站内应用服务器，实现数据的处理和使用。

1.1 系统功能模块

1.1.1 设备节点传感器

在500 kV全地下变电站中，超高压、大电流的强电场环境存在各种干扰源，电磁环境极为复杂，测量终端很容易受到高频噪声、强电磁辐射、谐波干扰等影响，导致装置可靠性降低。全地下变电站存在设备多、楼层高度高、楼层间隔厚等特点，对通信信道形成了阻挡。

节点传感器的选择主要为MCU(微控制单元)的选择，在传统嵌入式领域中，STM32得到广泛运用。

为了克服电磁干扰对电路的影响，运用STM32L4R5ZI主控板以获取本地传感器信息，板载32.768 kHz晶振，为传感器在共振状态下的工作提供稳定、精确的单频振荡，产生高度稳定的信号以抵抗站内设备的电磁干扰。同时，板载144引脚、2 M片上Flash、640 K RAM、120 MHz主频，达到稳定、低功耗、高性能等特点。

为实现数据采集功能，需要在主板外添加扩展板，运用STM32对应的IKS01A2多环境传感器扩展板，通过虚拟引脚配置选用其中温湿度传感器功能。在网络连接功能中，运用搭载WIFI模块和天线的EXT-AT3080扩展板。

整套设备由3个板子通过Arduino Uno接口插头连接，通过主板的USB接口供电，选用STM32CubeMX软件对主板进行引脚分配、时钟配置和代码生成，选用IAR EW软件作为STM32开发环境，实现编辑、编译、下载、调试功能。

在引脚配置过程中，STM32L4R5ZI主板通过I2C引脚与外部传感器进行通信，来读取传感器中的温湿度值，通过两个串口与WIFI扩展板和STLINK连接，通过GPIO口与两个LED灯和主板的黑色按钮连接。

STM32 MCU引脚配置列表和对应功能如表1所示。

表1 STM32 MCU引脚配置列表和对应功能

1.1.2 物联网云平台

物联网体系大致分为应用层、平台层、网络层和感知层。其中，应用层多为智能家居、环境监测、Web端应用等；网络层为蓝牙、4G/5G、WIFI等；感应层为设备终端传感器、芯片、通信模组等；在平台层，选用阿里云物联网平台，搭建完整物联网体系。该云平台由Lot Hab、设备管理、规则引擎、安全认证组成。功能分为设备接入、设备通信、设备管理、安全能力、规则引擎解析转发数据等。

在设备连接阿里云物联网平台前，需在平台上创建一个虚拟设备，创建成功后会产生一个三元组信息，分别为ProductKey、DeviceName、DeviceSecret，使传感器和平台创建的设备窗口匹配连接，同时也保证设备数据的安全。通过Paho MQTT协议将设备传感器和云平台连接，实现发布和订阅功能。

1.1.3 Web端页面

将数据从物联网云端传输到浏览器的过程中，需搭建用户服务器平台与云端通信，来完成数据的读取和控制命令的下发，及人机交互的过程。用户服务器包括前端服务器和后端服务器两个部分，前端负责完成和运维人员的人机交互这一部分功能，后端负责和云平台通信、维护数据库、并为前端服务器提供数据[2]。

在页面开发设计中，使用Noed.js作为JavaScript运行环境，Yarn软件作为包管理工具，Umi项目模板作为前端开发框架。设计时将页面分为导航栏、内容区、底栏这三块，并将网页功能分为多个组件，包括报警状态、温度状态、湿度状态、在线状态这四种状态，以及曲线图组件、报警表格组件，主要编辑的文件内拆解UI组件。

在页面中需要确定各子组件布局及位置，各组件中需嵌套设备数据的相应变化。

1.2 系统逻辑

在系统数据前半程路径中，传感器通过编译程序并烧录至其中以实现数据采集功能，采用Paho.MQTT直联方式连接云平台，并将数据上传至云端。在系统数据后半程路径中，将云端的数据通过HTTP协议传至站内应用的服务器，并接受值班人员的指令下发到终端设备[3]。

需要实现主要程序逻辑具体如下。

(1)传感器每5 s上报一次当前温湿度值至云平台，并闪烁一次绿灯；

(2)温湿度值被物联网云平台转发到站内服务器，并存储到用户服务器的本地数据库MySQL 中，同时在Web端显示温湿度值、随时间变化的数据曲线；

(3)当温湿度超过设定的上限阈值则传感器亮红灯，并每10 s向云平台上报温湿度超限的报警信息。该报警信息被云平台接收后发送到站内服务器上；

(4)运维人员从Web端接到报警信息后可从Web端控制台发出解除报警，表示已知道该报警信号；

(5)收到解除报警信号后，红灯从常亮状态变成闪烁状态，直到温湿度值恢复到阈值以下，红灯熄灭；

(6)若上报温湿度超限告警信息后，10 s内未解除报警信号，将重复上报，直到温湿度恢复到阈值以下；

(7)运维人员在设备传感器的现场处可以根据红灯和绿灯知道设备当前的状态，在Web端页面处可以看到近期温湿度数值曲线、告警灯状态、当前温湿度数值、历史报警状态信息等，也可以从控制台发出解除报警和设置阈值的操作给设备传感器。

2 传输协议和代码测试

设备传感器通电源后连接PC端，使用Tera Term软件对串口进行调试，摁下设备黑色复位按钮进行调试。根据指令，5 s内摁下蓝色按钮开始连接WIFI，输入用户名和密码并保存在Flash中固定位置。完成WIFI连接后开始连接云端，输入在云平台创建虚拟设备时产生的三元组信息进行适配，并将信息保存在Flash中。

云平台连接成功后，传感器向云平台发送订阅两个主题的请求，即温度报警门限值设置和清除报警。同时传感器每5 s上报一次温湿度值。

连接成功后，在阿里云平台可看到设备成功上线，平台接到传感器发送的消息后，通过HTTP协议将数据转发到用户的应用服务器上，后端应用把数据写入到数据库中，前端Web页面可看到设备上线状态、当前温湿度值，并可下发温湿度阈值等命令，完成系统流程。

3 结语

本文主要研究的是基于STM32和阿里云IOT云平台搭建的适用于500 kV地下变电站物联网温湿度在线监测系统。

该系统的目的是降低运维生产工作中人力的低产能消耗，减少人为检查现场温湿度表计的次数，提升工作效率。实现运维人员在控制室内掌握地下空间的温湿度，该物联网技术还可运用在多项变电运维生产工作中，例如火灾报警、辅控系统、防外破和反外损等方面，依靠云平台的使用提升站内设备高科技、高效能、高安全，进一步加强站内设备稳定运行水平[4-5]。