基于STM32单片机的变电站辅助设备监控系统设计

王汉林，钟建伟，吴颖颖，李祯维，吴建军，李家俊

（1.湖北民族大学信息工程学院,湖北恩施,445000；2.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司,湖北恩施,445000）

0 引言

随着各行各业生产规模的扩大以及自动化水平的逐渐提升，各产业对电能需求增大的同时也促进电网规模的扩大，并且衍生出对电网供电安全性及可靠性的更高要求[1]。变电站作为电网不可分割且极其重要的一部分，确保变电站能够长时间运行在稳定、安全的状态下，无疑可以极大保证电网的安全可靠。而国内目前对一、二次设备的状态监测和检修的研究较多，对与之配套的辅助设备监控系统的研究较少，因此，为提高变电站自动化水平，同时为了保证变电站可靠性的需求，需要设计一套变电站辅助设备实时监控系统，这对减少事故发生、提离设备运行可靠性具有重要意义[2～ 3]。

1 系统硬件电路设计

本文设计了一种基于STM32单片机的辅助设备监控系统，该系统利用DHT11温湿度传感器、BMP180压力传感器，MQ-2烟雾传感器对温湿度数据，气压数据、海拔数据、烟雾浓度进行高速测量，并把测量得到的数据发送到STM32单片机，并把数据显示在LCD显示屏上，同时通过ESP8266发送这些数据到上位机并显示，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.1 STM32F407ZGT6芯片

STM32F4 是意法半导体（ST）公司在2011年推出的一种高性能微控制器系列[4]。STM32F407ZGT6采用Cortex M4作为内核，其频率高达168MHZ，可进行浮点运算以及可执行全套DSP指令，拥有192KB随机存取存储器，1024KB闪存。它一共拥有14个定时器，支持串行（SWD）、JTAG调试等[5]。

1.2 DTH11温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器的工作电压为3.3V-5.5V，其能够测量的湿度范围是20-90%相对湿度（Relative Humidity,RH），温度范围是0-50℃，满足应用于变电站辅助设备监控的要求。

DHT11连接电路图如图2所示，VCC接入5V工作电压，DATA接STM32单片机中的PG9引脚，传感器检测到的温、湿度数据经过PG9传输到STM32单片机，NC置空，GND接地。

图2 DHT11电路图

1.3 BMP180压力传感器

BMP180是一种高精度数字压阻式压力传感器，具有高精确度、超低功耗以及长期稳定性，低电压电子元件经过优化，能够正常工作在绝大部分环境下[6～ 7]。

BMP180连接电路图如图3所示，VIN接入5V工作电压，GND接地，SCL接STM32单片机中的PB8引脚，SDA接STM32单片机中的PB9引脚，SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据，SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

图3 BMP180电路图

1.4 MQ-2烟雾传感器

MQ-2烟雾传感器工作在5V电压下，其采用双路信号输出，包括模拟量输出以及TTL电平输出，TTL输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机，模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高。MQ-2烟雾传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，并且具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，还拥有快速的响应恢复特性[8]。

BMP180连接电路图如图4所示，VCC接入5V工作电压，GND接地，AO置空，DO接STM32单片机中的PC1引脚，传感器检测到的烟雾浓度据经过PC1传输到STM32单片机。

图4 MQ-2电路图

1.5 ESP8266WIFI模块

ATK-ESP8266是ALIENTEK推出的一款高性能的UARTWiFi（串口-无线）模块，其采用串口与微控制单元通信，内置的TCP/IP协议栈可实现串口与WIFI之间的转换。模块支持串口转WIFI STA、串口转AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，可快速构建串口-WIFI数据传输方案，方便设备使用互联网传输数据[9～ 10]。

ATK-ESP8266连接电路图如图5所示，VCC接入5V工作电压，GND接地，TXD接STM32单片机中的TXD引脚，TXD是模块串口接受脚，RXD接STM32单片机中的RXD引脚，RXD是模块串口发送脚，RST接STM32单片机中的KEY引脚，其起到复位的作用，IO_0接STM32单片机中的LED引脚，用于进入固件烧写模式，低电平是烧写模式，高电平是运行模式。

图5 ATK-ESP8266电路图

2 系统软件设计

首先初始化串口、延时函数、LCD、ATK-ESP8266、DHT11温湿度传感器、BMP180压力传感器、MQ-2烟雾传感器，接着采集气压数据并计算海拔，采集温度、湿度数据，采集烟雾浓度，然后经TFTLCD显示屏显示当前气压值、海拔高度、当前温度、当前湿度以及当前烟雾浓度，并且这些数据通过ATKESP8266发送到上位机，图6为系统流程图。

图6 系统流程图

3 系统测试

在Keil uVision5软件上编写程序，并通过ST-LINK将程序烧入单片机，将DHT11温湿度传感器传感器、BMP180压力传感器、MQ-2烟雾传感器连接到单片机上，打开电源开关后，点击串口调试助手的“打开串口”，通过串口调试助手XCOM可以在电脑上实时监控串口传输的温湿度数据、气压海拔数据以及烟雾浓度数据，将电脑和ATK-ESP8266同时连接到同一无线网内，打开网络调试助手，可以通过网络调试助手可以接收到ATK-ESP8266发送到上位机的温湿度数据、气压海拔数据以及烟雾浓度数据，并可以通过界面直观的观测到在不同时间段获得的相关数据。如图7所示。

图7 串口数据及网络助手采集的数据

为测试本文所设计的系统的稳定性，因此在恩施某变电站内使用该系统进行实地测量，表1为系统实时采集到部分数据，每隔10分钟采集一次数据，由数据可知，系统具有较好的稳定性。

表1 系统采集的部分时段温湿度数据

9 18 54 97044 389.25 11.357213 10 18 54 97043 389.25 10.654983 11 18 54 97040 389.25 11.093482 12 17 55 97037 389.25 10.829386 13 18 54 97042 389.25 11.192837 14 18 54 97047 389.25 10.932692 15 19 55 97046 389.25 11.297843

为测试DHT11温湿度传感器灵敏度，记录下测试前温湿度传感器读取到的温湿度数据，如图8左侧所示，对着温湿度传感器长哈一口气，如图8右侧所示，我们可以清晰的观察到读取到的温湿度数据产生了明显的变化，温度从24℃上升到了28℃，湿度从64%RH上升到95%RH。

图8 温湿度传感器测试前、后数据

为测试MQ-2烟雾传感器灵敏度，记录下测试前烟雾传感器读取到的烟雾浓度数据，如图9左侧所示，使用打火机对烟雾传感器喷可燃性气体，得到图9右侧所示烟雾浓度数据，可以观察到读取到的烟雾浓度数据发生了很大幅度的变化，烟雾浓度从10.506213ppm上升到2268.210534ppm。

图9 烟雾传感器测试前、后数据

为测试BMP180压力传感器灵敏度，记录下测试前压力传感器读取到的气压数据和根据气压计算得到的海拔数据，如图10左侧所示，从三楼将设备移到1楼可以得到图10右侧所示数据，从图10右侧中，观察到大气压数据从95028Pa上升到95099Pa，海拔数据从537米左右下降到531米左右。

图10 压力传感器测试前、后数据

4 总结

本系统是利用STM32单片机进行设计的变电站辅助设备监控系统，能够实现对变电站内辅助设备温、湿度数据，气压数据、海拔数据以及烟雾浓度数据的有效采集，具有功耗低、体积小、实时性、准确度高等优点，采用的硬件具有较好的可靠性，可工作在大部分变电站内，有较高的实用性，下一步拟采用物联网技术进行进一步的研究。