鐵路配電所斷路器狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

王亞鵬，劉亞輝

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0 引言

隨著人工智能、計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國都開展了利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸?shù)难芯?，目的在于提高鐵路運(yùn)輸效率、增強(qiáng)鐵路運(yùn)營安全、提高服務(wù)質(zhì)量、減少環(huán)境污染[1]。然而，在鐵路電力系統(tǒng)中，依然存在很多老舊設(shè)備，通過人工去檢測記錄不僅容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且在此之中使用了大量的人力物力資源，造成資源的浪費(fèi)。不利于發(fā)展鐵路提質(zhì)增效的新形勢。

在這樣的背景下，鐵路電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量逐漸成為影響鐵路交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵[2]，提高鐵路電力作業(yè)人員的生產(chǎn)效率就能間接提高鐵路的生產(chǎn)運(yùn)輸效率。本文通過STM32設(shè)計(jì)一款斷路器狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，方便人員遠(yuǎn)程監(jiān)測電壓電流值，無需每小時(shí)去一趟配電所，大大節(jié)省了人力物力。

STM32是一款高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號處理的處理器，正因?yàn)槿绱?，很多電子設(shè)計(jì)都使用其作為處理器。栗克國使用STM32F103C8T6為芯片設(shè)計(jì)了自容 式無線波高傳感器[3]。王云飛以STM32F103VCT6為控制核心通過各種傳感器可以自動(dòng)測量液體的參數(shù)，判斷液體的種類[4]。史利通過STM32對網(wǎng)球在被發(fā)射前和旋轉(zhuǎn)飛行在空中的受力情況進(jìn)行了研究[5]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為處理器，電流互感器、電壓互感器、電流整流模塊，電壓整流模塊，ASM穩(wěn)壓模塊，溫度傳感器模塊組成電壓電流檢測部分，蜂鳴器模塊和LED顯示模塊作為測試結(jié)果顯示和報(bào)警部分。由電壓互感器采集電壓并由整流模塊輸送給單片機(jī)，由電流互感器采集電流并由整流模塊輸送給單片機(jī)，溫度傳感器采集斷路器溫度。再通過STM32自帶的ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過液晶屏進(jìn)行在線顯示。對采集的信息進(jìn)行處理，與行規(guī)規(guī)定的范圍值進(jìn)行比較，控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。在手機(jī)端也設(shè)計(jì)開發(fā)出一款A(yù)PP，通過安裝路由器可遠(yuǎn)程監(jiān)測該斷路器的電壓電流值。系統(tǒng)的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電流電壓整流電路

從電流互感器，電壓互感器直接引入STM32，STM32無法識別，必須將交流電流電壓整流成直流電流電壓，STM32的GPIO設(shè)置為電壓模式。STM32才能識別互感器輸入的信號。并通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為STM32可識別的數(shù)字信號，進(jìn)行處理。

圖2為電流電壓整流電路，使用4個(gè)IN4148二極管進(jìn)行橋式整流，并通過電容進(jìn)行濾波，D35為回饋二極管，當(dāng)輸入電壓過大時(shí)，其導(dǎo)通，電流就給STM32供電。從而防止燒壞板子。

圖2 電流電壓整流電路

2.2 WiFi模塊

ESP8266可以用來做串口透傳，PWM調(diào)控，遠(yuǎn)程控制開關(guān)：控制插座、開關(guān)、電器等。該模塊有三種工作模式。

表1 ESP8266 WiFi模塊工作模式

本次調(diào)試鑒于只是試用階段，因此只使用AP模式，將ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，手機(jī)或電腦直接與模塊連接，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

根據(jù)圖3將ESP8266的引腳接入STM32的VCC、RST、USART3 RX，USART3 TX引腳。并通過USB-TLL下載器與該模塊連接到電腦，進(jìn)行AT指令通信，進(jìn)行調(diào)試。

圖3 WiFi模塊管腳連接圖

2.3 主控電路

傳感器采用STM32F103RCT6作為主控芯片，芯體位寬32位，主頻最高可達(dá)72 MHz，閃存大小為256k，RAM大 小 為48k。通 訊 方 式 有CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB方式。具有性能高、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。外部擴(kuò)展W25Q64 Flash存儲(chǔ)器、SPI接口OLED顯示模塊、啟用外部晶振、和高精度時(shí)鐘晶振，啟用ADC、設(shè)計(jì)2路串口通信，設(shè)計(jì)二個(gè)key按鍵復(fù)合接口，實(shí)現(xiàn)對外圍電路和總體管理控制。

2.4 顯示電路

傳感器使用1.3寸SPI接口OLED液晶屏IIC顯示屏12864作為顯示器件，其支持SPI總線，支持3.3V供電，功耗低，使用方便。僅需要4根線即可實(shí)現(xiàn)控制，分別為GND、VCC、SCL、SDA可方便集成到電路板中。本設(shè)計(jì)中，使用MCU的PC10、PC11腳作 為SPI總線的SDA和SCL腳，采用軟件模擬方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和顯示控制。

2.5 USB電路

STM32采用USB供電，通過接入CH340芯片為單片機(jī)提供5V的直流電。其中USB的VCC接CH340芯片的16引腳，為其供電。2，3引腳為數(shù)據(jù)線接CH340的5、6引腳。V3引腳在5V電源電壓時(shí)外接容量為0.01μF的退耦電容。另外，使用ASM1117-3.3V穩(wěn)壓芯片為處理器提供3.3V電源。

程序下載支持仿真器和串口下載，串口下載時(shí)，DTR和RTS引腳在一般情況下是高電平，低電平有效。因?yàn)镾TM32的RESET引腳，也是一般情況下是高電平，低電平復(fù)位，所以DTR可以與RESET直接連接。但是BOOT0是高電平下載程序，低電平運(yùn)行程序，正好與RTS相反，所以我們需要把它反相，加一個(gè)NPN三極管即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境使用C語言開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等功能模塊。

3.1 總體軟件流程

軟件主流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢和初始化，從Flash讀取儀器配置參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置儀器狀態(tài)，初始化完成后進(jìn)入While（1）循環(huán)程序，循環(huán)處理鍵盤響應(yīng)、狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸工作。使用OLED液晶顯示屏12864作為人機(jī)交互顯示屏，使用蜂鳴器作為報(bào)警信號。電壓互感器使用DL-PT202H1電流型精密電壓互感器，電流互感器采用南京向上公司的OPCT10AL，變比為1000:1，輸入0～60A，輸出0～60mA。開口型電流互感器方便接入到斷路器輸出導(dǎo)線中。溫度探頭DS18820可伸入到斷路器內(nèi)部檢查其溫度，防止其溫度過高發(fā)生粘連，造成過流無法動(dòng)作。根據(jù)國鐵集團(tuán)發(fā)布的《鐵路電力管理規(guī)則》，10kV及以下三相供電線路，供電電壓允許偏差為額定值得+7%～-7%。對于380V三相電，供電電壓為353V～406V。因此程序中，當(dāng)電壓大于406V，小于353V，電流大于60A（整定值），溫度大于80oC時(shí)，單片機(jī)應(yīng)該報(bào)警，蜂鳴器發(fā)聲，液晶屏閃爍。同時(shí)如果連接手機(jī)，就能將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP端。

圖4 USB轉(zhuǎn)串口原理圖

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 核心代碼

本項(xiàng)目通過keil 5作為軟件開發(fā)平臺，通過圖6代碼對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，因?yàn)锳DC采集電壓時(shí)若使用外部參考電壓，如果外部電壓變化，且低于正常LDO工作電壓時(shí)，輸出的電壓將發(fā)生改變，導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓改變而導(dǎo)致ADC電壓出現(xiàn)偏差，因此本文利用內(nèi)部參考的校準(zhǔn)電壓值和實(shí)際讀取的內(nèi)部參考電壓值作一個(gè)線性關(guān)系，將這個(gè)斜率對應(yīng)到需要測量的通道值。

圖6 核心代碼

先將測量的模擬值通過STM32內(nèi)部參考的校準(zhǔn)電壓值和實(shí)際讀取值進(jìn)行對比，消除電壓波動(dòng)造成的干擾。再將校準(zhǔn)后模擬值乘以標(biāo)定電壓值，再除以標(biāo)定模擬值，就能得到相對精確的實(shí)際電壓值，轉(zhuǎn)換成數(shù)組的形式，通過液晶屏顯示出來。

4 APP設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用易安卓平臺開發(fā)APP，易安卓是一個(gè)基于谷歌Simple語言的編程工具，旨在實(shí)現(xiàn)通過類似易語言的Basic語法輕松編寫Android應(yīng)用程序。E4A擁有和易語言一樣的可視化開發(fā)環(huán)境，以及強(qiáng)大的智能語法提示功能。純中文編寫代碼，比英文更具親和力，E4A已經(jīng)內(nèi)置了Android1.5開發(fā)包SDK，只需額外下載安裝Java1.6開發(fā)包JDK即可。

該APP由主窗口和顯示窗口組成，主窗口主要用來掃描WiFi模塊發(fā)出的信號，并進(jìn)行連接。連接成功后，可進(jìn)入顯示窗口查看由STM32檢測出的電壓電流溫度值。便于作業(yè)人員足不出戶監(jiān)測斷路器的狀態(tài)。通過顯示窗口，還可設(shè)置RCT時(shí)鐘的時(shí)間，用來記錄當(dāng)前時(shí)間的電壓電流溫度值。

如圖7所示，進(jìn)入APP后選擇HC-05進(jìn)行連接。連接成功后就進(jìn)入顯示窗口界面（見圖8），就可查看STM32顯示的日期時(shí)間、AB電壓、BC電壓、CA電壓、A相電流、B相電流、C相電流、溫度等示數(shù)。與實(shí)際萬用表的測量數(shù)值很接近，可以視為斷路器的實(shí)際電壓電流值。

圖7 WiFi連接界面

圖8 斷路器狀態(tài)顯示界面

5 結(jié)語

提高鐵路生產(chǎn)運(yùn)輸效率是在鐵路提質(zhì)增效的新形勢下，更好地為旅客提供優(yōu)質(zhì)運(yùn)輸服務(wù)，助力我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)向好發(fā)展的重要舉措[6]。本文通過軟硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的斷路器狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，提高了鐵路電力作業(yè)人員的生產(chǎn)效率。通過電流互感器、電壓互感器、溫度傳感器檢測斷路器的狀態(tài)，并通過顯示屏12864顯示對應(yīng)的電流值，電壓值，溫度值。當(dāng)電壓、電流、溫度不符合要求時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，提醒作業(yè)人員進(jìn)行處理。通過WiFi可以遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，通過手機(jī)APP可查看當(dāng)前斷路器的狀態(tài)。

由于本系統(tǒng)的配電所條件限制，目前WiFi只能點(diǎn)對點(diǎn)通信，未來將加入4G功能，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在工區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)測斷路器狀態(tài)。

本系統(tǒng)沒有加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，未來將進(jìn)行升級，每分鐘記錄一次斷路器狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)可繪制負(fù)荷波形。