铁路配电所断路器状态远程监测系统

王亚鹏，刘亚辉

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450000）

0 引言

随着人工智能、计算机及其相关技术的飞速发展，世界各国都开展了利用高新技术改造传统铁路运输的研究，目的在于提高铁路运输效率、增强铁路运营安全、提高服务质量、减少环境污染[1]。然而，在铁路电力系统中，依然存在很多老旧设备，通过人工去检测记录不仅容易产生错误，而且在此之中使用了大量的人力物力资源，造成资源的浪费。不利于发展铁路提质增效的新形势。

在这样的背景下，铁路电力系统运行质量逐渐成为影响铁路交通运输事业发展的关键[2]，提高铁路电力作业人员的生产效率就能间接提高铁路的生产运输效率。本文通过STM32设计一款断路器状态远程监测系统，方便人员远程监测电压电流值，无需每小时去一趟配电所，大大节省了人力物力。

STM32是一款高性能、实时性、数字信号处理的处理器，正因为如此，很多电子设计都使用其作为处理器。栗克国使用STM32F103C8T6为芯片设计了自容 式无线波高传感器[3]。王云飞以STM32F103VCT6为控制核心通过各种传感器可以自动测量液体的参数，判断液体的种类[4]。史利通过STM32对网球在被发射前和旋转飞行在空中的受力情况进行了研究[5]。

1 系统总体方案设计

本系统以STM32F103RCT6作为处理器，电流互感器、电压互感器、电流整流模块，电压整流模块，ASM稳压模块，温度传感器模块组成电压电流检测部分，蜂鸣器模块和LED显示模块作为测试结果显示和报警部分。由电压互感器采集电压并由整流模块输送给单片机，由电流互感器采集电流并由整流模块输送给单片机，温度传感器采集断路器温度。再通过STM32自带的ADC将模拟量转换为数字量，并通过液晶屏进行在线显示。对采集的信息进行处理，与行规规定的范围值进行比较，控制蜂鸣器进行报警。在手机端也设计开发出一款APP，通过安装路由器可远程监测该断路器的电压电流值。系统的总体框图，如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 电流电压整流电路

从电流互感器，电压互感器直接引入STM32，STM32无法识别，必须将交流电流电压整流成直流电流电压，STM32的GPIO设置为电压模式。STM32才能识别互感器输入的信号。并通过ADC将电压转换为STM32可识别的数字信号，进行处理。

图2为电流电压整流电路，使用4个IN4148二极管进行桥式整流，并通过电容进行滤波，D35为回馈二极管，当输入电压过大时，其导通，电流就给STM32供电。从而防止烧坏板子。

图2 电流电压整流电路

2.2 WiFi模块

ESP8266可以用来做串口透传，PWM调控，远程控制开关：控制插座、开关、电器等。该模块有三种工作模式。

表1 ESP8266 WiFi模块工作模式

本次调试鉴于只是试用阶段，因此只使用AP模式，将ESP8266模块作为热点，手机或电脑直接与模块连接，实现局域网无线控制。

根据图3将ESP8266的引脚接入STM32的VCC、RST、USART3 RX，USART3 TX引脚。并通过USB-TLL下载器与该模块连接到电脑，进行AT指令通信，进行调试。

图3 WiFi模块管脚连接图

2.3 主控电路

传感器采用STM32F103RCT6作为主控芯片，芯体位宽32位，主频最高可达72 MHz，闪存大小为256k，RAM大 小 为48k。通 讯 方 式 有CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB方式。具有性能高、成本低、功耗低等优点。外部扩展W25Q64 Flash存储器、SPI接口OLED显示模块、启用外部晶振、和高精度时钟晶振，启用ADC、设计2路串口通信，设计二个key按键复合接口，实现对外围电路和总体管理控制。

2.4 显示电路

传感器使用1.3寸SPI接口OLED液晶屏IIC显示屏12864作为显示器件，其支持SPI总线，支持3.3V供电，功耗低，使用方便。仅需要4根线即可实现控制，分别为GND、VCC、SCL、SDA可方便集成到电路板中。本设计中，使用MCU的PC10、PC11脚作 为SPI总线的SDA和SCL脚，采用软件模拟方式进行数据通信和显示控制。

2.5 USB电路

STM32采用USB供电，通过接入CH340芯片为单片机提供5V的直流电。其中USB的VCC接CH340芯片的16引脚，为其供电。2，3引脚为数据线接CH340的5、6引脚。V3引脚在5V电源电压时外接容量为0.01μF的退耦电容。另外，使用ASM1117-3.3V稳压芯片为处理器提供3.3V电源。

程序下载支持仿真器和串口下载，串口下载时，DTR和RTS引脚在一般情况下是高电平，低电平有效。因为STM32的RESET引脚，也是一般情况下是高电平，低电平复位，所以DTR可以与RESET直接连接。但是BOOT0是高电平下载程序，低电平运行程序，正好与RTS相反，所以我们需要把它反相，加一个NPN三极管即可。

3 系统软件设计

系统软件使用Keil uVision5集成开发环境使用C语言开发，采用模块化设计方法设计，主要包括系统初始化、人机交互、数据通信、数据采集存储等功能模块。

3.1 总体软件流程

软件主流程如图5所示，系统上电后，首先进行系统自检和初始化，从Flash读取仪器配置参数，并根据参数设置仪器状态，初始化完成后进入While（1）循环程序，循环处理键盘响应、状态维护、数据传输工作。使用OLED液晶显示屏12864作为人机交互显示屏，使用蜂鸣器作为报警信号。电压互感器使用DL-PT202H1电流型精密电压互感器，电流互感器采用南京向上公司的OPCT10AL，变比为1000:1，输入0～60A，输出0～60mA。开口型电流互感器方便接入到断路器输出导线中。温度探头DS18820可伸入到断路器内部检查其温度，防止其温度过高发生粘连，造成过流无法动作。根据国铁集团发布的《铁路电力管理规则》，10kV及以下三相供电线路，供电电压允许偏差为额定值得+7%～-7%。对于380V三相电，供电电压为353V～406V。因此程序中，当电压大于406V，小于353V，电流大于60A（整定值），温度大于80oC时，单片机应该报警，蜂鸣器发声，液晶屏闪烁。同时如果连接手机，就能将数据发送至手机APP端。

图4 USB转串口原理图

图5 软件设计流程图

3.2 核心代码

本项目通过keil 5作为软件开发平台，通过图6代码对计算结果进行处理，因为ADC采集电压时若使用外部参考电压，如果外部电压变化，且低于正常LDO工作电压时，输出的电压将发生改变，导致基准电压改变而导致ADC电压出现偏差，因此本文利用内部参考的校准电压值和实际读取的内部参考电压值作一个线性关系，将这个斜率对应到需要测量的通道值。

图6 核心代码

先将测量的模拟值通过STM32内部参考的校准电压值和实际读取值进行对比，消除电压波动造成的干扰。再将校准后模拟值乘以标定电压值，再除以标定模拟值，就能得到相对精确的实际电压值，转换成数组的形式，通过液晶屏显示出来。

4 APP设计

本项目使用易安卓平台开发APP，易安卓是一个基于谷歌Simple语言的编程工具，旨在实现通过类似易语言的Basic语法轻松编写Android应用程序。E4A拥有和易语言一样的可视化开发环境，以及强大的智能语法提示功能。纯中文编写代码，比英文更具亲和力，E4A已经内置了Android1.5开发包SDK，只需额外下载安装Java1.6开发包JDK即可。

该APP由主窗口和显示窗口组成，主窗口主要用来扫描WiFi模块发出的信号，并进行连接。连接成功后，可进入显示窗口查看由STM32检测出的电压电流温度值。便于作业人员足不出户监测断路器的状态。通过显示窗口，还可设置RCT时钟的时间，用来记录当前时间的电压电流温度值。

如图7所示，进入APP后选择HC-05进行连接。连接成功后就进入显示窗口界面（见图8），就可查看STM32显示的日期时间、AB电压、BC电压、CA电压、A相电流、B相电流、C相电流、温度等示数。与实际万用表的测量数值很接近，可以视为断路器的实际电压电流值。

图7 WiFi连接界面

图8 断路器状态显示界面

5 结语

提高铁路生产运输效率是在铁路提质增效的新形势下，更好地为旅客提供优质运输服务，助力我国经济平稳向好发展的重要举措[6]。本文通过软硬件设计，设计并实现了一种基于STM32的断路器状态远程监测系统，提高了铁路电力作业人员的生产效率。通过电流互感器、电压互感器、温度传感器检测断路器的状态，并通过显示屏12864显示对应的电流值，电压值，温度值。当电压、电流、温度不符合要求时，进行报警，提醒作业人员进行处理。通过WiFi可以远程传输数据，通过手机APP可查看当前断路器的状态。

由于本系统的配电所条件限制，目前WiFi只能点对点通信，未来将加入4G功能，实现作业人员在工区远程监测断路器状态。

本系统没有加入数据存储功能，未来将进行升级，每分钟记录一次断路器状态，通过计算机可绘制负荷波形。