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基于物联网技术的变电站温湿度实时在线监测系统
姜凌霄,刘 枝
（国家电网山西省电力公司检修公司,山西 太原 030001）
摘 要：本文从500 kV超高压变电站生产实际出发,结合现有物联网技术,从原理、方法、设计、维护等各个方面,对研究的端子箱温湿度实时在线监测系统进行了系统说明.根据端子箱加热器存在的流程复杂、检查时间长、有触电烫伤风险的弊端,新研制了基于物联网技术的端子箱温湿度实时在线监测系统,该系统可以将测量到的温度、湿度等数据通过互联网上传至物联网平台.运维人员通过电脑登录指定网页,或通过手机、iPad登录客户端,就可以实现现场数据的实时查看,提高了工作效率,避免了检查时造成的风险.
关键词：端子箱加热器；ESP8266 Wi-Fi模块；Yeelink物联网平台；实时在线监测系统
中图分类号：TM93 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.02.110
500 kV变电站的电压等级高、设备种类繁多、产品结构复杂,而且都是户外设备,经常会因自然环境的变化而导致故障和事故的发生.“端子箱”为变电站内的一类重要户外设备,其体内装有重要的二次电气设备.端子箱内全部装有“温湿度控制器”,温湿度控制器直接控制“加热器”,其作用为阻止小环境内产生凝露,防止二次线发生短路、锈蚀,同时通过加热,防止长期低温环境造成电线绝缘的老化.端子箱加热器定期消缺维护已成为变电运维不可或缺的常态工作.国家电网公司运维检修部《变电运维一体化指导意见》中对端子箱加热器消缺维护提出具体要求.
现在检查加热器的一般方法是用手感知加热器的温度,该方法存在以下缺点：一是检查“加热器”时间长且流程复杂；二是检查过程存在触电风险；三是检查过程存在烫伤风险.
如何避免以上缺点,能快速、安全、准确地检查加热器是本文研究的重点.新研制的基于物联网技术的端子箱温湿度实时在线监测系统,可以将测量到的温度、湿度等数据通过互联网上传至物联网平台.运维人员通过使用电脑登录指定网页,或通过手机、iPad登录客户端,就可以实现现场数据的实时查看,提高了工作效率,且避免了检查时可能造成的风险.
如果将每个端子箱的温湿度通过最先进的物联网技术传回到智能手机等终端设备上,或者是iPad等平板电脑,就可以看到每个箱子的实时数据,这样运行维护人员不必到现场检查,就可判断加热器是否正常工作,而且更加快速、准确、安全.
“物联网”简单理解就是“物物相连的互联网”,包含有两方面的意思：一是物联网技术的主体仍然是互联网,它是在互联网基础上的延伸和扩展[1]；二是物联网的两端,一端是面向用户的客户端,另一端是依靠于物体的传感终端.
1 基于物联网技术的温湿度监测方案
1.1 网络结构的设计
无线温湿度传感网络的设计分成三部分.
1）第一部分是“终端传感器”信息的上传.“终端传感器”通过无线Wi-Fi信号与站区内无线路由器进行数据交换,站区内可以布置若干个无线路由器用于Wi-Fi信号的覆盖.
2）第二部分是信息整理与上传.若干个“无线路由器”将信息在站端交换机上进行交换,然后通过互联网上传至物联网服务器上.
3）第三部分是后台管理平台,即终端设备数据的提取和查看.这个有两种方式：一是终端设备（如手机、平板电脑、笔记本电脑等）通过运营商（移动、联通、电信）的流量形式登录物联网服务器进行数据的提取；二是终端设备（如手机、平板电脑、笔记本电脑等）通过无线路由器连接互联网,登录物联网服务器进行数据的提取[2].
1.2 终端传感器的设计
1.2.1 电路设计
500 kV变电站的超高压、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[3].在ESP8266测试的过程中,出现了传输距离近、丢包率高的问题,究其本质,一是场区各种500 kV超高压设备产生的电磁干扰,对通信产生了影响；二是变电站场区设备众多,高大的架构对通信信道形成了阻挡.
根据实际需要,使用Protel99SE软件对电路进行设计（见图1）.为了克服电磁干扰对电路的影响,在电路中采取选用频率较低的单片机,增加耦合电容,电路板设计抗干扰等措施来降低干扰[4].
1.2.2 装置部分功能说明
装置分为两大部分,分别是Hi-Link电源板（220 V转5 V的降压变压器）,ESP8266 Wi-Fi转接板和主控板.温湿度测量模块的主要功能包括以下13个方面.
1）220 V供电端口：从端子排上直接引电到此接口上,使用?渍2.5 mm以内的导电铜线即可.
2）220 V转5 V直流变压器：采用Hi-Link降压变压器,220 V交流输入,转换为5 V直流输出（单片机的供电是5 V直流电,因此不能直接将其接在市电上,需通过其他方式进行供电.现场端子箱中有端子排,端子排上有220 V电源预留位,为了更加符合现场的实际需要,选用了Hi-Link电 源模块,这个模块可以从端子箱中直接取电,将220 V交流电转换成5 V直流电,已供装置使用）.
3）ESP8266 Wi-Fi转接板：嵌有ESP8266 Wi-Fi通信模块的PCB板（ESP8266模块可以通过无线路由器自组网络,即所有终端通过Wi-Fi信号连接到这个无线路由器上,通过这个无线路由器将每个终端的数据传输到网络上；Wi-Fi信号能覆盖到的地方,就可以传输数据,距离受无线路由器的传输距离影响）.
4）扩展槽：用于安装温度传感器、温湿度传感器、烟雾传感器等传感器插槽.
5）TTL针式端口：用于单片机数据的烧录,也可以安装短接线,屏蔽部分功能.
6）蜂鸣器：当Wi-Fi信号中断时,发出“滴……滴……”的报警声；当已经连接Wi-Fi但数据不能上传时,发出“滴……”的长鸣.
7）ESP8266插槽：用于安装ESP8266 Wi-Fi转接板.
8）转换开关：用于切换“220 V供电”和“miniUSB供电”两种供电方式.
9）miniUSB供电口：下载程序后的上电,用于调试装置.
10）温度测量模块：现场实际使用DHT22温湿度模块,它是一款含有已经校准数字信号输出的温湿度复合传感器；传感器包含一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件[5].测量区间温度为-40～80 ℃,湿度为0%～99%；测量精度温度为&plun;0.5 ℃,湿度为&plun;2%.
11）复位按钮：装置死机或者不能联网时,进行重新启动.
12）数码管显示：显示测量的温度或者湿度.
13）支柱（铜）：用于将Hi-Link电源板和主控板背靠背地连接起来,以缩小体积.
1.2.3 装置使用说明
1）将装置所处位置的Wi-Fi无线名称及写入程序,并下载到数据处理单片机中.
2）将装置所联物联网平台的传感器编号及API key写入程序,并下载到数据处理单片机中.
3）选择供电方式：可以直接使用5 V电源供电,需要插入miniUSB口中；也可以使用220 V电源,将引线接入“220 V电源转接板”接口中.同时根据现场需要,选择连接天线.
4）拨动开关,按下复位按钮,当装置出现实时温湿度时,表示连接物联网成功；如果显示“Err1”,则表示装置连接Wi-Fi失败,需要检查无线路由器信号；如果显示“Err2”,则表示装置虽然连接了Wi-Fi失败,但是不能连接上网,需要检查网络信号.
5）打开电脑网页,登入物联网网站,或者登录手机客户端,可以直接看到温度测量模块的实时测量温度曲线和实时温度[6-10].
1.2.4 装置实际安装效果
装置实际安装效果见图2.
1.2.5 数据上传物联网程序
通过编写程序,使装置可以正常地协调工作,并将程序烧进（下载）STC89C52RC单片机中,上电并检查模块是否正常工作.
当温湿度测量模块正常连接无线路由器时,需要编码对应程序将数据直接上传至指定的物联网服务器.对于同时测量温度和湿度数据的情况,物联网平台上将分别以两个传感器ID来对应.下面通过温度测量终端代码来说明.
{
send_1ascii（"POST/v1.0/device/344086/sensor/383948
/datapoints HTTP/1.1\r\n"）；//解释说明：第一个数字串344 086,表示传感器设备编组,自己账户下每设定一个编组都对应一个数字串；第二个数字串383 948,表示温度传感器ID,也就是说每添加一个温度传感器就有一个对应的ID；
send_1ascii（"Host：api.yeelink.net\r\n"）；//解释说明：连接到物联网服务器,使用的是Yeelink的物联网平台；
send_1ascii（"Accept：*/*\r\n"）；
send_1ascii（"U-ApiKey：4e61c258f99b345d4bb705b0
\r\n"）；//解释说明：U-ApiKey是账户的钥匙,每一个账户都会对应一个专属于自己的U-ApiKey；如果这个ApiKey发生变化,则所有终端模块必须重新下载程序,重新烧入新的ApiKey；
send_1ascii（"Content-Length：15\r\n"）；
send_1ascii（"Content-Type：application/x-www-form-urlencoded\r\n"）；
send_1ascii（"Connection：close\r\n\r\n"）；
send_1ascii（"{\"value\"："）；
}
1.3 大功率无线路由信号的覆盖
终端传感设备依赖于无线Wi-Fi信号的覆盖程度,无线Wi-Fi信号覆盖越广,距离越远,那么终端传感器传输距离就越远.而无线Wi-Fi信号传输距离的远近直接由无线路由器的功率决定.
现场需要满足的传输距离大于187.5 m.工业级无线路由器（乐光LG-N590）的功率更大,而且具有定向天线,因此传输距离更远.在变电站现场中,将无线路由器最高架空至9 m的高度（主控楼楼顶）,可获得超过230 m的传输距离[11-16].
2 后台管理平台
2.1 物联网网页版显示的实现
Yeelink物联网平台提供对传感器数据的网页查看和手机客户端查看两种方式,可以通过电脑浏览器打开网页查看数据,也可在手机或者平板电脑上安装客户端进行查看.即使在变电站的千里之外,只要您的手机能上网,就能通过登录物联网服务器实时查看变电站内所有机构箱的温度和湿度.
登录物联网平台Yeelink网站后可以看到每个传感器节点的数据.每个传感器都需要对应一个属于自己的ID号,当对应的ID号下载到传感器模块中,它就与 Yeelink的节点一一对应,进行数据的上传.还可在网页上编辑每一个传感器的名称,这个传感器的名称由它所安装的位置决定,例如：固贤站3011机构箱,表示这个传感器安装在固贤变电站3011断路器机构箱中.
除了可以看到每个点的温度,还可以看到每个点的温度变化曲线.这个曲线信息最大可以包含完整一年的数据量.还可以根据自己的需求,选择不同的时间段,看到不同时间段的温度、湿度变化曲线,用于数据的分析和整理.
2.2 物联网手机客户端显示的实现
除了通过网页形式对数据进行查看,还可以通过手机客户端的形式实现对数据的实时查看.
首先在手机上下载Yeelink客户端,输入用户名和后,可同电脑网页版一样看到传感器列表.点开任意一个传感器名称,就能看到实时的温度或者湿度数据,同时显示一段时间内的数据曲线.点击页面右上角的“日期”,就可以根据自己的需求,查看不同时间段的数据曲线.
通过选择不同时间段的数据曲线,可以看到测量数据在一段时间内的变化趋势,通过分析判断,就可以迅速判断出端子箱中加热器是否正常工作.
在日常工作中,运行人员通过手机客户端对所有端子箱进行查看,判断每个端子箱的加热器是否正常工作,但是当某一个加热器突然发生故障时,怎样才能及时发现呢？可以在Yeelink上设置报警功能,当测量值异常时,通过手机进行报警.具体方法如下：一是设定阈值,设定的阈值一般是温度低于5 ℃,或温度高于30 ℃,或湿度大于80%；二是在Yeelink上选择微博报警方式.
使用新浪微博报警功能后,当温度、湿度发生异常时,新浪微博会在手机上直接弹出一条提示,点开后,就能知道具体哪个端子箱发生了异常,并且能直接看到温度是多少,湿度是多少,更加快捷、方便[17-21].
3 结论和展望
本文着力研究的基于物联网技术的温湿度实时在线监测系统的目的是解决生产过程中人工耗时耗力检查端子箱加热器不热的问题.基于物联网技术的端子箱温湿度实时在线监测系统可以将测量到的温度、湿度等数据通过互联网上传至物联网平台.运维人员通过使用电脑登录指定网页,或通过手机、iPad登录客户端就可以随时随地实现现场数据的实时查看.无线温湿度传感器网络具有布线简单、施工方便、抗干扰性强、网络易扩展等特点,在变电站的运行维护工作中具有广泛的应用前景和极高的实际使用价值.
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（责任编辑 石俊仙）
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