基于物联网技术的电力设备站所水位自动检测装置设计与实现

郑应豪 蔡圣本 金叶欢

摘 要：在电力设备站所的运行过程中，水位的监测是保障站所安全运行的重要工作。传统的水位监测主要采用人工抄表、简易的水位计进行测量，这种方式不仅效率低下，而且可靠性差。随着物联网技术的发展，人们开始意识到物联网技术在电力设备站所水位监测方面具有很大的应用潜力。本文针对电力设备站所水位监测的需求，提出了一种基于物联网技术的电力设备站所水位自动检测装置，该装置采用GPRS通信方式将采集到的水位信息发送到指定服务器。

关键词：物联网；电力设备；水位检测；GPRS通信

1 物联网概述

1.1 物联网的定义

物联网的出现是为了解决信息孤岛问题。在过去几年中，从PC到智能手机，人们逐渐建立了庞大的信息孤岛，但是物联网打破了这些信息孤岛。物联网是可以把分散在世界各地的各类传感器组成一个巨大的网络系统，然后通过互联网进行远程通信和控制。物联网不是简单地把传统网络连接起来，而是要通过先进的网络技术，把各种数据和信息全部整合到一个网络中。

1.2 物联网的应用

物联网应用领域十分广泛，几乎涵盖了所有的行业。从农业生产到城市管理，从公共安全到环境保护，从社会服务到医疗卫生，从生产制造到商业贸易，无一不与物联网技术紧密相连。未来的物联网将会广泛应用于智慧城市建设、智能交通、智慧物流、智能医疗、智能家居、智能电网等领域。而随着物联网技术的发展和推广，其在工业制造、能源管理、环境监测等领域的应用将会更加广泛。电力设备站所水位自动检测装置的设计与实现就是物联网技术在电力行业的应用就是一个典型的例子。

2 系统总体方案设计

本装置主要包括水位传感器、GPRS模块和上位机软件。水位传感器主要用来监测水位，单片机通过对水位数据的分析来判断是否需要报警。GPRS模块负责与上位机软件通信，可以将警报信息发送到指定的服务器。上位机软件可以设置报警阈值和报警模式，对采集到的水位数据进行分析处理，判断是否需要报警以及是否需要远程控制。

系统总体架构图

当水位传感器监测到水位高于设定阈值时或低于设定阈值时，系统将会发出警报信息；当电力设备站所的控制终端监测到通信基站中的通信线路断开时，系统会自动触发警报信息。上位机软件监测到有多个控制终端同时接收到数据时，系统将会自动判断数据的重要程度，对于重要的数据进行实时处理，对于不重要的数据进行定时处理。

2.1 水位传感器

在实际应用中，我们一般采用两种方式来实现水位传感器的功能，一种是机械式水位传感器，另一种是电容式水位传感器。机械式水位传感器具有成本低、结构简单、维护方便等优点，但是其测量精度不高，受环境干扰大；电容式水位传感器具有精度高、抗干扰素力强、测量范围广等优点，但是其需要定期校验测量结果。为了提高测量精度，本文采用的水位检测装置主要包含投入式静压液位变送器，基于所测液体静压与该液体液位高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件的压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA），实现水位监测，并通过移动通信技术将监测数据实时传输至监管平台。

2.2 GPRS模块

GPRS模塊用于与服务器通信，它的功能主要包括数据收发、短消息服务以及流量管理。本装置使用的GPRS模块是北京天融信科技有限公司生产的JXGSM无线数传模块。JXGSM无线数传模块是一种基于CDMA技术的无线分组交换（GPRS）数据传输模块，是专门为中国电信推出的新一代数据传输系统，能够提供高速、可靠的数据传输。JXGSM无线数传模块采用了先进的CDMA技术，具有较高的可靠性和稳定性。它支持实时在线的网络连接，支持基于TCP/IP协议栈的TCP/IP连接，能够满足不同行业网络应用场景要求。JXGSM无线数传模块具有多信道传输能力，提供4个信道，每个信道可以同时发送数据包或短消息。它提供了完善的数据服务功能，能够支持语音、视频、数据、传真等业务。同时JXGSM无线数传模块具有较高的容量，能够满足短消息服务的要求。

2.3 上位机软件

本装置采用Visual C++6.0开发，主要由数据采集、数据分析、报警及控制、历史数据查询等功能模块组成。该软件具有良好的人机交互界面，可以方便地设置报警阈值和报警模式。在数据采集模块中，由于水位传感器的测量范围是0～1m，为了防止误报，本装置采用了定时采集的方式。当水位传感器监测到水位低于设定值时，将会发出报警信息。同时，通过GPRS模块将警报信息发送到指定的服务器。在报警模式中，用户可以选择是实时报警还是定时报警，根据用户设定的报警阈值进行判断。历史数据查询模块负责查询历史数据信息，并通过Excel表格等方式展示历史数据信息。当用户打开历史数据查询模块时，将会在主界面中显示出实时水位、历史水位、报警阈值以及历史记录信息等内容。

2.4 水位数据采集终端设计

本系统中的水位检测装置终端由水位传感器、信号采集模块、数据处理模块、GPRS通信模块、电源模块和触摸屏组成。水位传感器由电容式水位传感器和数字压力传感器组成，电容式水位传感器采用C8051F040芯片，数字压力传感器采用ADN8151芯片。电容式水位传感器是一种具有可编程特性的高精度压力变送器，采用模块化设计，可根据不同需求选择不同的传感器，实现水位的高精度测量。本系统中的水位信号采集模块采用C8051F040单片机，其内部包含一个CAN总线控制器、一个12位AD转换器、一个16位ADC转换器、一个PWM驱动电路以及一个串行通信接口。

2.5 CAN总线控制器

CAN总线控制器采用C8051F040单片机，该单片机支持CAN2.0B标准协议，它集成了CAN控制器、收发器、逻辑电平转换和功率驱动电路等。它的外部扩展元件较少，内部集成了一个CAN接口，使得系统的结构和设计变得十分简单。CAN总线控制器在C8051F040中主要负责对发送信号进行解析，并通过判断接收信号是否满足要求来控制内部的收发器以及驱动电路工作。C8051F040内部集成了CAN控制器，通过外部扩展元件可以实现对CAN总线的控制和连接。在C8051F040中，内部设置了一个CAN接收缓冲器，它是一种多功能的CAN控制器。通过它可以连接到多个CAN总线收发器。在C8051F040内部，将发送和接收缓冲器进行了组合，形成了一个可以连接到多个CAN总线收发器的通用模块。该模块不但可以用来连接CAN总线收发器，还可以用来连接外部设备（如继电器、开关等）。

2.6 AD转换器和ADC转换器

ADN8151是一款具有高精度、低功耗的12位AD转换芯片，具有4通道、8位的ADC转换，转换精度可达16位（0.00016），支持多路输出，最高分辨率为8位，可用于高精度测量。ADN8151内部包含一个由5个12位ADC组成的转换模块，可以将12位分辨率的模拟信号转换为16位的数字信号。在本系统中ADN8151主要用于模拟压力传感器的数据采集。由于水位传感器输入信号为模拟信号，因此需要将其转化为数字信号。本系统中采用12位AD转换器ADN8151和16位ADC转换器ADS1252实现数据转换，ADS1252内部包含一个由12个模拟输入通道组成的AD转换模块，可以实现12位分辨率的模拟输入信号到16位分辨率的数字输出，到单片机的数据总线。

2.7 PWM驱动电路

PWM驱动电路输出电压为PWM波的电压，当C8051F040内部的PWM电路处于打开状态时，由控制芯片AD8237产生的脉宽调制信号（PWM）对C8051F040内部的TLC2543和TLC2544两个驱动脚进行驱动。当C8051F040内部的TLC2543和TLC2544两个驱动脚输出PWM波时，控制芯片AD8237会将其输出的信号与内部TLC2543和TLC2544两个驱动脚的PWM信号进行比较，从而控制输出PWM波的电压值。

2.8 GPRS通信模块设计

GPRS通信模块是在传统GSM模块基础上，增加了GPRS数据业务，将传统的GPRS通信技术与计算机网络技术相结合，实现对设备远程数据的采集和处理。该模块采用SIM900A芯片作为核心芯片，该芯片内置了AT指令集和GPRS/CDMA功能模块，可以满足物联网技术对通信模块的要求。

SIM900A是一款集成了微控制器（MCU）、射频（RF）、基带处理器和数据存储器于一体的通信芯片。它具有结构紧凑、性能优越、低功耗、低成本等特点，特别适用于对无线数据传输要求较高的场合。该芯片还支持数据自动重发和数据自动回复等功能。它支持UART协议和通用串行总线（USB），这是一种新型的串行接口，可以与现有的各类微处理器连接使用。此外，SIM900A还具备许多其他功能，比如，能够方便地支持多种通信协议，支持2G/3G/4G网络制式；支持丰富的串行通信接口；能够直接与MODBUS和UART等协议连接；支持多种应用层协议。

GPRS数据通信模块采用SIM900A芯片作为核心芯片，并将其与单片机系统结合起来实现数据传输。SIM900A是一种具有集成CPU和基带处理器的系统芯片。它可以使用UART、SPI、I2C和串行通信接口，与传统的串口通信相比，它具有更好的灵活性和可靠性。SIM900A包含了许多模块和外围电路，其结构简单、功能强大。

3 数据通信软件设计

在上位机软件开发过程中，由于数据采集量大，采用串口通信，可实现数据的实时采集。同时，由于所使用的传感器多数为模拟量，采用GPRS通信方式具有抗干扰素力强、传输速度快等优点。因此，本文所设计的水位自动检测装置采用GPRS通信方式进行数据传输。

GPRS通信采用Socket编程方式进行數据的传输，Socket编程是一种通过发送和接收消息来进行应用程序间的通信，特点是灵活、高效、简单易用。软件设计的核心是定义Socket对象，编写相应的Socket函数，将数据帧传递给服务器。上位机软件通过定义Socket对象可以实现对服务器的监控，以及发送和接收数据帧。

在水位自动检测装置中，各个模块均需要与服务器进行通信以获取水位数据，因此需要设计相关程序实现对服务器的监控，以及发送和接收水位信息。软件设计时根据各模块通信协议来确定各个模块的接口函数。软件设计主要包括以下几个部分：

（1）使用Visual C++编写上位机软件程序；

（2）利用MFC编写服务器程序；

（3）调用API函数接收并解析服务器发送来的数据帧；

（4）发送接收得到的水位数据帧；

（5）上位机软件接收并解析水位数据帧。

在上、下位机软件中均采用Socket编程实现数据通信，该方法具有通用性强、简单易用等特点，能够较好地满足电力设备站所水位自动检测装置的设计需求。

4 项目设计重点与难点

4.1 设计重点

自动排水装置与预警规则需智能联动，当触发预警时系统通过物联网技术可实现自动开启、关闭排水装置，实现智能控制，为站所少人值守、集中监控提供了技术支撑。

警示灯需考虑连续使用时间，在有限的锥桶空间内最大限度地增加警示灯连续使用时间。

4.2 设计难点

水位检测装置是项目的主要部分，为满足各应用场景需要满足简捷、易维护、抗干扰性、采集模式多样性、数据交互灵活性等要求。同时还需在不进行大规模施工和高成本投入前提下，满足水灾预警监测的可靠性、通用性、智能化要求。围栏的折叠结构不仅需要发挥原有的隔离作用，还需考虑使用的便捷性，方便组装提高现场安全围栏使用效率。

结语

该系统在现场安装使用后，在采集现场水位信息时，由于数据采集点多、分布广，很难实现实时采集，故采用GPRS通信方式将数据发送到指定服务器。此外，当系统发生故障时，为了使服务器可以准确获取现场水位信息，通过增加软件修改程序，可对采集到的数据进行恢复，从而保证系统正常运行。目前该系统已成功应用于某市500kV变电站自动化系统中，对变电站的设备水位进行监测，取得了良好效果。

参考文献：

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［2］吴桓.基于物联网技术的高压套管放电检测装置设计与应用［D］.重庆理工大学，2024.

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［4］何亚闻，崔冬蕾，徐云航.两坝间水位站群监测系统设计与实现［J］.中国水运：下半月，2022，22（5）：5557.

基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目：电力设备站所水位自动检测、排水和警示装置的研制

作者简介：郑应豪（1995— ），男，汉族，浙江临海人，研究生，助理工程师，研究方向：电气工程。