基于嵌入式Web服务器的变电站远程测温智能预警系统设计
国网山东电力东营供电公司、山东科技大学电气与自动化工程学院的研究人员邢惠民、周立人、翟爽、郭晓龙、公茂法，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，为提高变电站防抗灾能力，设计一套远程测温智能预警系统，在变电站重点防控区域设置嵌入式Web服务器监测终端，对监测区域温湿度、设备温度以及烟雾浓度等技术指标进行实时监测，监测信息经以太网至远程保护室，通过Web浏览器或者手机APP移动管理设备访问监管。
监测区域一旦发生异常，监控界面自动切换锁定，并智能发出异常信息。试验结果，温度等指标数据监测准确，异常预警功能正常，这对推进变电站安全智能化建设具有一定的建设性意义。
变电站开关设备在长期运行中容易发生多种故障，例如开关触头表面氧化腐蚀，电缆头连接位置螺栓松动等影响，尤其是在异常高温或低温下，会加速开关设备老化。这些设备分散分布在各个工作站内，安全管理较为困难，亟须一套远程测温安全智能系统统一监管。
当前，文献[1]设计用DS18B20传感器采集多点设备温度，其传感器灵敏度不可调，适用范围窄，ZigBee无线技术传输数据需要建立多个基站，维护调试费用高、不安全；
文献[2]利用红外摄像机和云台系统采集温度信息，虽能实现高精度红外远距离温度采集，但是投资额巨大，受障碍物影响大，不适用日益紧凑的现代变电站设计理念，其上位机界面基于组态王的C/S架构设计，监测地点受限制，且通用性差、软件维护升级费用高；
文献[3]提出了一种GPRS远距离24小时在线数据传输方式，但是它容易受天气因素影响，需要向运营商购买专用通道，维护调试不便。
本设计利用嵌入式芯片独立的Web服务器技术，实现变电站内各个监测点的互联集中监测，与上述文献设计相比，是一种全新的设计理念。
1变电站远程测温智能预警系统总体结构
图1 远程测温智能预警系统总体结构图
总体结构图如图1所示，在变电站各个防控区域安设嵌入式Web服务器监测终端，这些终端将采集到的环境温湿度、设备温度、火灾烟雾浓度等信息传输至以太网内；Web监测界面采用B/S架构，支持多用户多权限机制，可以通过任意计算机、APP移动管理设备进行实时监测；当某一区域发生火灾等温度异常情况时，监控界面自动切换到异常监控区域的监测界面，系统智能发出报警短信提示，从而锁定事故类型与地点，缩短抢修时间。
各个监控终端采用独立的Web服务器设计，保护室内数据服务器规模大大减小，它负责协调不同Web服务器的SQL请求[4]，存储必要的历史数据，后期可集成到调度采集系统；监控站内配备有网络打印机，自动上报故障或异常数据，使整个系统的告警冗余机制得到完善，故障漏报率大大降低。
2嵌入式监测终端硬件结构
图2 嵌入式监测终端硬件结构图
如图2所示，STM32F103ZET6微控制器通过uC/OS-III系统调控各个功能模块。其中DHT22传感器多点监测各个区域的环境温度和相对湿度信息；LM94022传感器负责监测设备的温度信息，若温度超过量程，可通过继电器开关切除温度监测回路进行智能保护；MQ-2传感器经STM32自身A/D转换检测周围环境的烟雾浓度[5]，通过设置阈值可有效防止设备发生起火或爆炸的危险；红外火焰传感器监测是否有火灾发生；状态指示灯进行现场环境状态指示；
STM32分析异常数据类型并通过RS232串口控制SIM900A模块给检修人员发送报警提示[6]；STM32通过SDIO接口与SD卡通信，历史信息以FATFS文件格式存储，利于事故追溯工作；门禁模块采用PN532 NFC模块，STM32通过SPI总线控制NFC模块实现射频卡的近距离高频无线电通信[7]；采用迪文DGUS串口液晶触摸屏显示，具有友好的人机交互界面；监测终端依靠外扩的ENC28J60以太网接口模块实现远程通信。
3监测终端主要硬件电路设计
3.1环境温湿度测量电路
如图3所示，DHT22是一款16位高精度数字式温湿度传感器，温度量程为-40℃～80℃，精度<±0.5℃；相对湿度在-40℃～80℃温度内，符合精度要求。供电电压为+3.3V，DHT22通过PE3引脚与STM32实现单总线通信，传输距离高达20m以上，适合变电站区域性质的温湿度监测，当通信距离小于20m时，常选用4.7kΩ的高精度电阻。
图3 DHT22环境温湿度测量电路图
3.2 设备温度测量电路图
图4 LM94022设备温度测量电路图
如图4所示，设备温度测量采用具负温度系数的集成CMOS温度传感器LM94022，通过PC1引脚的A/D转换通道读取相应温度下的输出电压值。为避免损坏单片机，应用隔热材料将芯片金属引脚、引线与热源隔离，并用耐高温的TLP2301光耦模块进行信号隔离[8]。
同时，单片机的数字地和传感器模拟地要分开处理。LM94022量程为-55℃～150℃，如表1所示，可利单片机控制GS0和GS1引脚改变测量灵敏度以适应不同的测量范围，提高设备测温的精准度。
表1 LM94022测温的四种灵敏度
3.3以太网接口通信电路图
图5 以太网接口通信电路图
如图5所示，STM32F103ZET6不带以太网控制器，外扩ENC28J60模块，通过SPI2总线对芯片内部寄存器写入控制参数或收发MAC数据包，实现以太网功能。ENC28J60通过以太网变压器HR911105A与RJ45水晶头连接组成网线接口[9]。
4软件设计
4.1系统主程序总体设计
图6 系统主程序流程图
为了保障Web服务器性能稳定，设计将uC/OS-III多任务实时管理系统移植进STM32，如图6所示，各个任务以并行、流水线方式被执行。uC/OS-III系统根据任务实际情况设置任务优先级和堆栈大小，表2列出了每个监测终端的主要任务配置，高于5的优先级一般保留给系统自身运行所用。
表2 主要任务配置表
4.2嵌入式Web服务器程序设计
LwIP为轻量级协议栈，所占用RAM和ROM空间少，支持大部分TCP/IP规范，这里选择移植1.3.2版本LwIP到STM32的实时系统uC/OS-III里。
移植过程中根据实际需要进行剪裁，将LwIP信号量操作函数封装到对应的uC/OS-III信号量操作函数中。LwIP单线程处理速度慢，通过修改uC/OS-III的应用函数OSTASKCreate()实现流水线式的处理进程[10]，系统时钟用SysTick滴答定时器模拟，频率为1Hz，即分配给任务的最小时间间隔为1ms。除DHT22因为通信延时最小时长小于1ms需要关闭系统调度功能，其他情况下禁止关闭系统定时器功能。
Keil编译器不支持HTML语言，将网页的HTML程序写入自定义数组中，数组中包含网页协议头、“GET”和“POST”请求等信息[11]，以字符串数组形式发送到网络。以太网通过识别协议头与请求信息和单片机进行信息交互。堆栈大小有限，网页数组长度声明要适当，否则栈溢出，发生硬件错误。简化的终端Web服务器程序流程图如图7所示。
图7 简化的终端Web服务器程序流程图
5试验验证
5.1 LM94022设备测温功能验证
试验装置选用MQT100高低温试验箱，将LM94022传感器固定安装在试验箱的样品架的金属卡线结构上，在5V供电电压，25℃环境温度下，试验温度与芯片输出电压（mV）对应关系见表3。
表3 LM94022传感器温度测试表
5.2Web远程监测界面故障追踪功能验证
试验用监测终端放置在机房内，通过网线远程连接至实验室的路由，在相同网关的普通计算机上打开浏览器的主界面。用打火机在监测终端火焰传感器旁模拟火灾发生，Web监测界面自动切换到监测终端所属XX机房内环境监测界面，如图8所示，监测界面显示火灾发生，并且收到短信报警，SD卡中自动生成文本文档格式的事件记录文件。
图8 Web浏览器远程监测界面图
6结论
开展远程测温智能预警系统研究设计，对变电站现有安全监管系统进行改善，推动监测系统“互联网+”技术的运用，符合现代系统智能化、精细化的发展要求。试验结果证明，各项监测指标数据精准无误，故障监测界面自动切换锁定，报警信息智能发出，这对源头防控变电站灾害事故，推进变电站无人值守工程建设，具有较高的推广应用价值。