網山東電力東營供電公司、山東科技大學電氣與自動化工程學院的研究人員邢惠民、周立人、翟爽、郭曉龍、公茂法，在2017年第7期《電氣技術》雜志上撰文，為提高變電站防抗災能力，設計一套遠程測溫智能預警系統，在變電站重點防控區域設置嵌入式Web服務器監測終端，對監測區域溫濕度、設備溫度以及煙霧濃度等技術指標進行實時監測，監測信息經以太網至遠程保護室，通過Web瀏覽器或者手機APP移動管理設備訪問監管。

監測區域一旦發生異常，監控界面自動切換鎖定，并智能發出異常信息。試驗結果，溫度等指標數據監測準確，異常預警功能正常，這對推進變電站安全智能化建設具有一定的建設性意義。

變電站開關設備在長期運行中容易發生多種故障，例如開關觸頭表面氧化腐蝕，電纜頭連接位置螺栓松動等影響，尤其是在異常高溫或低溫下，會加速開關設備老化。這些設備分散分布在各個工作站內，安全管理較為困難，亟須一套遠程測溫安全智能系統統一監管。

當前，文獻[1]設計用DS18B20傳感器采集多點設備溫度，其傳感器靈敏度不可調，適用范圍窄，ZigBee無線技術傳輸數據需要建立多個基站，維護調試費用高、不安全；

文獻[2]利用紅外攝像機和云臺系統采集溫度信息，雖能實現高精度紅外遠距離溫度采集，但是投資額巨大，受障礙物影響大，不適用日益緊湊的現代變電站設計理念，其上位機界面基于組態王的C/S架構設計，監測地點受限制，且通用性差、軟件維護升級費用高；

文獻[3]提出了一種GPRS遠距離24小時在線數據傳輸方式，但是它容易受天氣因素影響，需要向運營商購買專用通道，維護調試不便。

本設計利用嵌入式芯片獨立的Web服務器技術，實現變電站內各個監測點的互聯集中監測，與上述文獻設計相比，是一種全新的設計理念。

1變電站遠程測溫智能預警系統總體結構

圖1 遠程測溫智能預警系統總體結構圖

總體結構圖如圖1所示，在變電站各個防控區域安設嵌入式Web服務器監測終端，這些終端將采集到的環境溫濕度、設備溫度、火災煙霧濃度等信息傳輸至以太網內；Web監測界面采用B/S架構，支持多用戶多權限機制，可以通過任意計算機、APP移動管理設備進行實時監測；當某一區域發生火災等溫度異常情況時，監控界面自動切換到異常監控區域的監測界面，系統智能發出報警短信提示，從而鎖定事故類型與地點，縮短搶修時間。

各個監控終端采用獨立的Web服務器設計，保護室內數據服務器規模大大減小，它負責協調不同Web服務器的SQL請求[4]，存儲必要的歷史數據，后期可集成到調度采集系統；監控站內配備有網絡打印機，自動上報故障或異常數據，使整個系統的告警冗余機制得到完善，故障漏報率大大降低。

2嵌入式監測終端硬件結構

圖2 嵌入式監測終端硬件結構圖

如圖2所示，STM32F103ZET6微控制器通過uC/OS-III系統調控各個功能模塊。其中DHT22傳感器多點監測各個區域的環境溫度和相對濕度信息；LM94022傳感器負責監測設備的溫度信息，若溫度超過量程，可通過繼電器開關切除溫度監測回路進行智能保護；MQ-2傳感器經STM32自身A/D轉換檢測周圍環境的煙霧濃度[5]，通過設置閾值可有效防止設備發生起火或爆炸的危險；紅外火焰傳感器監測是否有火災發生；狀態指示燈進行現場環境狀態指示；

STM32分析異常數據類型并通過RS232串口控制SIM900A模塊給檢修人員發送報警提示[6]；STM32通過SDIO接口與SD卡通信，歷史信息以FATFS文件格式存儲，利于事故追溯工作；門禁模塊采用PN532 NFC模塊，STM32通過SPI總線控制NFC模塊實現射頻卡的近距離高頻無線電通信[7]；采用迪文DGUS串口液晶觸摸屏顯示，具有友好的人機交互界面；監測終端依靠外擴的ENC28J60以太網接口模塊實現遠程通信。

3監測終端主要硬件電路設計

3.1環境溫濕度測量電路

如圖3所示，DHT22是一款16位高精度數字式溫濕度傳感器，溫度量程為-40℃～80℃，精度<±0.5℃；相對濕度在-40℃～80℃溫度內，符合精度要求。供電電壓為+3.3V，DHT22通過PE3引腳與STM32實現單總線通信，傳輸距離高達20m以上，適合變電站區域性質的溫濕度監測，當通信距離小于20m時，常選用4.7kΩ的高精度電阻。

圖3 DHT22環境溫濕度測量電路圖

3.2 設備溫度測量電路圖

圖4 LM94022設備溫度測量電路圖

如圖4所示，設備溫度測量采用具負溫度系數的集成CMOS溫度傳感器LM94022，通過PC1引腳的A/D轉換通道讀取相應溫度下的輸出電壓值。為避免損壞單片機，應用隔熱材料將芯片金屬引腳、引線與熱源隔離，并用耐高溫的TLP2301光耦模塊進行信號隔離[8]。

同時，單片機的數字地和傳感器模擬地要分開處理。LM94022量程為-55℃～150℃，如表1所示，可利單片機控制GS0和GS1引腳改變測量靈敏度以適應不同的測量范圍，提高設備測溫的精準度。

表1 LM94022測溫的四種靈敏度

3.3以太網接口通信電路圖

圖5 以太網接口通信電路圖

如圖5所示，STM32F103ZET6不帶以太網控制器，外擴ENC28J60模塊，通過SPI2總線對芯片內部寄存器寫入控制參數或收發MAC數據包，實現以太網功能。ENC28J60通過以太網變壓器HR911105A與RJ45水晶頭連接組成網線接口[9]。

4軟件設計

4.1系統主程序總體設計

圖6 系統主程序流程圖

為了保障Web服務器性能穩定，設計將uC/OS-III多任務實時管理系統移植進STM32，如圖6所示，各個任務以并行、流水線方式被執行。uC/OS-III系統根據任務實際情況設置任務優先級和堆棧大小，表2列出了每個監測終端的主要任務配置，高于5的優先級一般保留給系統自身運行所用。

表2 主要任務配置表

4.2嵌入式Web服務器程序設計

LwIP為輕量級協議棧，所占用RAM和ROM空間少，支持大部分TCP/IP規范，這里選擇移植1.3.2版本LwIP到STM32的實時系統uC/OS-III里。

移植過程中根據實際需要進行剪裁，將LwIP信號量操作函數封裝到對應的uC/OS-III信號量操作函數中。LwIP單線程處理速度慢，通過修改uC/OS-III的應用函數OSTASKCreate()實現流水線式的處理進程[10]，系統時鐘用SysTick滴答定時器模擬，頻率為1Hz，即分配給任務的最小時間間隔為1ms。除DHT22因為通信延時最小時長小于1ms需要關閉系統調度功能，其他情況下禁止關閉系統定時器功能。

Keil編譯器不支持HTML語言，將網頁的HTML程序寫入自定義數組中，數組中包含網頁協議頭、“GET”和“POST”請求等信息[11]，以字符串數組形式發送到網絡。以太網通過識別協議頭與請求信息和單片機進行信息交互。堆棧大小有限，網頁數組長度聲明要適當，否則棧溢出，發生硬件錯誤。簡化的終端Web服務器程序流程圖如圖7所示。

圖7 簡化的終端Web服務器程序流程圖

5試驗驗證

5.1 LM94022設備測溫功能驗證

試驗裝置選用MQT100高低溫試驗箱，將LM94022傳感器固定安裝在試驗箱的樣品架的金屬卡線結構上，在5V供電電壓，25℃環境溫度下，試驗溫度與芯片輸出電壓（mV）對應關系見表3。

表3 LM94022傳感器溫度測試表

5.2Web遠程監測界面故障追蹤功能驗證

試驗用監測終端放置在機房內，通過網線遠程連接至實驗室的路由，在相同網關的普通計算機上打開瀏覽器的主界面。用打火機在監測終端火焰傳感器旁模擬火災發生，Web監測界面自動切換到監測終端所屬XX機房內環境監測界面，如圖8所示，監測界面顯示火災發生，并且收到短信報警，SD卡中自動生成文本文檔格式的事件記錄文件。

圖8 Web瀏覽器遠程監測界面圖

6結論

開展遠程測溫智能預警系統研究設計，對變電站現有安全監管系統進行改善，推動監測系統“互聯網+”技術的運用，符合現代系統智能化、精細化的發展要求。試驗結果證明，各項監測指標數據精準無誤，故障監測界面自動切換鎖定，報警信息智能發出，這對源頭防控變電站災害事故，推進變電站無人值守工程建設，具有較高的推廣應用價值。

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