随着嵌入式技术的发展进步和成本的降低，针对传统箱变现场设备信息传送的缺点和问题，许多检测仪表、传感器和执行机构都内置了微处理器，可以完成 AD\DA 转化、线性化和数字滤波等功能。这些数字化现场设备内部增加一个串行通信数据接口，使用统一标准的通信协议就能实现场设备间的串行双向通信。目前主要使用的工业总线网络如表 7 所示。
表7 工业总线网络类型
本智能箱变远程监控系统设计的关键之一是选用具有数字双向通讯功能的智能仪表和传感器，并采用标准统一的总线接口和通信协议。从 5 号学生公寓 10kV 智能箱变设计的工程实际出发，选择智能传感器普遍支持的 RS485 总线和 Modbus-RTU通信协议。
根据某高校学生公寓箱变一次系统主接线图和 10kV 智能箱变远程监控系统方案设计系统框图，系统硬件设计以箱变现场控制器为核心，由微机综合保护装置、智能网络电表和智能无功补偿器等二次系统设备，以及温湿度烟雾传感器、PT100 温度传感器和水侵传感器等环境检测传感器组成箱变现场 RS485 总线局域网。箱变 RS485 总线局域网系统图如图4所示。
图4 箱变现场 RS485 总线局域网系统图
（1） RS485 串行通信总线
RS485总线通讯模式为主从方式，由主设备轮询各从设备进行通讯，可以一点对多点进行组网，构成分布式系统。RS485接口是广泛应用的低速串行接口，RS485接口具有以下特点：
* RS485接口。RS485接口通信采用差分传输方式，以及具有平衡驱动器和差分接收器的组合，用缆线两端的电压差值传递信号，大大增强了抗共模干扰和抗噪声干扰能力。
* RS485总线传输速率高且传输距离远。最大传输距离约1200米，最大传输速率10Mbps；其的传输速率与传输距离成反比，20kbps速率以下时能达到最大传输距离。
* 支持节点多。一般情况下，一个RS485总线回路理论上可支持247个设备节点。
（2）Modbus-RTU 串行通讯协议
Modbus 协议应用于工业总线网络，通过协议控制器和现场设备之间可以进行数据通信，不同厂家生产的设备遵循统一的协议就可以组成工业总线网络监控系统。 该协议为主从结构，网络中一个主节点，其他为从节点，每一个从节点有一个唯一的设备地址。在串行总线网络中，主节点启动一个命令，所有从设备都会收到该命令，Modbus 命令中包含了执行该命令的从设备地址，主设备指定的从设备先回应再执行指令。Modbus 命令中有检查码，以确定到达的命令没有被破坏。Modbus 命令可以指令 RTU 改变它的寄存器数值，读取或控制 I/O 端口，命令设备回传一个或多个寄存器数据。
Modbus 包括 ASCII、RTU 和 TCP 三种报文类型。ASCII传输模式，，LRC 校验，传输效率低，但是直观、简单、易调试。RTU传输模式，采用 CRC 校验，传输效率高，比 ASCII 稍微复杂。一般来说，如果所需要传输的数据量较小可以考虑使用 ASCII 协议；所需传输的数据量比较大，最好能使用 RT U 协议。为此，本系统的智能仪表和传感器统一选用 Modbus-RTU 通信模式。
3.2 箱变现场控制器硬件设计
箱变现场控制器由嵌入式系统构成。嵌入式系统是以应用为中心、软硬件可裁剪，实现设备的自动化、智能化和远程监控等功能，主要由嵌入式微处理器、相关硬件、嵌入式操作系统和应用软件系统等组成。嵌入式系统的特点如表8所示。
表8 嵌入式系统的特点
本智能箱变现场控制器就是嵌入式系统，其系统设计框图如图5 所示
图5 智能箱变现场控制器系统框图
（1）STM32 微处理器最小系统
嵌入式微处理器最小系统包括嵌入式微处理器、复位电路和调试电路。时钟电路提供所需的外部时钟信号，复位电路提供统一的初始状态，调试电路提供程序下载和调试的接口。
* 嵌入式微处理器的选择。根据 10kV 智能箱变远程监控系统对现场控制器性能的要求，本系统选择 STM32F103ZET6 芯片作为现场控制器核心微处理器。STM32F103ZET6 嵌入式微处理器， MCU 集成度高、功耗低、性价比高，适用于工业医疗领域的各种应用需求，能够满足本系统数据采集和实时性处理的要求。
* 晶振电路。晶振电路给微处理器提供固定的频率脉冲，使微处理器正常运行。 STM32 微处理器有两个晶振，8MHz 的晶振提供外部高速时钟，32.768KHz 晶振提供外部低速时钟。晶振电路图如图6所示。
图6 晶振电路图
* 复位电路。微处理器复位电路的作用是重启系统，当系统发生故障时按下复位健可以重启设备，一般复位电路使用低电平信号重启。本系统复位电路如图 7所示。
图7 复位电路图
（2）电源电路设计
本系统选用额定电压为 12V（2A）的直流外部电源，选择 USB 接口的直流 5V（2A）电源适配器为现场控制器供电。12V 直流电源接入控制板，通过 LM2596S 降压模块，将直流 12V 电源降压得到直流 5V 电源。5V 电压再通过 AMS1117-3.3V 稳压芯片得到 3.3V 电压给 STM32 芯片供电。LM2596S 及AMS1117-3.3V 电源稳压电路图如图 8所示。
图8 LM2596S 及 AMS1117-3.3V 稳压电路图
（3） RS485 接口转 TTL 模块
RS485 接口转 TTL 模块实现了 RS485 信号与 TTL 信号的双向转化和通信，但信号必须轮流交替执行，不能同时在两个方向上进行。所有现场设备均使用该模块与单片机连接，接线图如图 9所示。
图9 RS485 转 TTL 模块接线图
(4） LCD 显示模块
由于箱变远程监控系统现场控制器需要显示的数字和字符内容较多，因此选择 2.8寸 TFT-LCD 液晶显示屏作为显示模块，其内部有 ILI9341 控制器。考虑STM32 可通过 SPI 接口、8080 接口或 RGB 接口与 ILI9341 进行通信。为了实现较快的刷新速度，TFT-LCD 选用 8080 并行数据总线接口。STM32 通过可变静态存储器 FSMC 模块输出数据至 ILI9341 控制器显存，TFT-LCD 与 STM32 芯片的接线图如图10所示。
图10 TFT-LCD 与 STM32 单片机接线图
（5）语音报警模块
当STM32 微处理器检测到箱变运行数据出现异常或故障，它就会向串口发送信息，启动语音报警。语音报警模块选择常用的语音芯片 SYN6288，根据所编写的程序自动广播语音告警信息。系统选用 GB2312 编码，GB2312 编码适用于汉字处理、汉字通信等方面的信息交换。SYN6288 还可以准确识别数字、时间和日期以及常用的测量单位。该模块和 STM32 的连接图如图 11 所示。
图11 SYN6288 语音模块接线图
（6）继电器模块
现场控制器选用一组 2 路光耦隔离继电器模块，用来控制直流 12V 警铃和风扇的开启和关断，可根据箱变排风扇电源类型和功率选择 220V 交流固态继电器。每个继电器回路模块都有常开和常闭触点，以及 LED 状态指示；每个继电器回路均采用光耦隔离，且附带续流二极管，释放继电器感应电压，保护前级电路。当箱变环境温度超过一定的范围时，现场控制器输出高电平，1 路光耦隔离继电器动作打开风扇降温；当发生烟雾浓度过高等严重故障时，控制器驱动另一路光耦隔离继电器接通警铃回路发出现场警报。继电器工作原理图、继电器模块与 STM32 芯片的连接图如图12、13 所示。
图12继电器工作原理图
图13继电器与 STM32 芯片接线图
（7）通信模块
针对10kV 智能箱变远程监控系统的设计要求，智能箱变与云端的通信选择流量费用较低的 GPRS 无线通信方式。机智云固件 GPRS 模块
*机智云固件 GPRS 模块（G510_GAgent 固件）。该模块是运行在各种通讯模组上的一款应用程序，提供云端与产品设备数据的双向传输、设备配置入网、发现绑定和程序升级等功能。GPRS 模块和主控器之间的电路图如图14所示。
图14 机智云固件 GPRS 模块和 STM32 单片机之间的连线图
*GPRS-GA6 模块。该模块可以低功耗的实现语音、短信息和数据的传输。适用于 M2M 应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品的设计。其次，通信协议采用 UART串口总线传输，使用标准的 AT 命令进行模块控制、波特率选择 115200bps。GPRS-GA6 模块与 STM32 单片机的连接电路图如图15所示。
图15 GPRS-GA6 模块和 STM32 单片机之间的连接图
3.3 微机综合保护装置
根据电力变压器保护设计规范（GB/T 50062-2008）规定，10kV 变压器通常需要装设带时限的过电流保护。微机保护装置具有变压器和线路的保护、测量和控制功能，以及数据采集、监控和系统自检等功能，并具有较高的灵敏度和可靠性。
根据学生公寓 10kV 智能箱变的设计要求，选择具有 RS485 通讯功能的安科瑞AM3-I电流型微机综合保护装置，具有 IA、IB、IC、UA、UB、UC、P、Q、Fr 等电参量测量，8 路外部开关量信号采集，以及断路器遥控分闸和合闸操作等功能。AM3-I 微机保护装置接线端子图如图 16所示。
图16 AM3-I 微机保护装置接线端子图
3.4 智能网络电表
智能网络电表用于检测低压配电回路三相电流、电压和功率等电气参数，以及隔离开关、断路器的开合状态等。根据10kV智能箱变二次系统设计要求选用具有RS485通讯功能的安科瑞ACR智能网络电表，ACR智能网络电表与低压电流互感器接线图和开关量输入输出接线图如图17所示。
图17 ACR 智能网络电表低压电流互感器和开关量输入输出接线图
ACR智能网络电表采用Modbus-RTU协议，可以进行电力参数的测量和采集，开关量输入功能可以检测隔离开关和断路器的开关状态，继电器输出功能可以远程开启和关闭断路器。ACR智能网络电表对通讯地址表有统一规划，可以实现遥测、遥信、遥控三遥功能。
（1）交流模拟量信号的 AD 转换和计算
ACR 智能网络电表直接采集的 3 个相电压信号和 3 个电流信号（电流互感器输出信号）都属于模拟量，需要转换成 CPU 能够识别的数字量信号，才能进行数据处理。首先 3 个相电压 220V 和 3 个电流模拟量经过变换器转变为低电压信号，经过电压形成回路转换为 AD 转换器允许的电压；然后经过低通滤波器输入到采样保持器和多路转换开关，经过 AD 转换为数字信号输入到 CPU。交流模拟量的采样和 AD 转换过程示意图如图18所示。
图18 交流模拟量的采样和 AD 转换过程示意图
*模拟量的电压变换和低通滤波。电压形成回路的作用是电气隔离变换电量，一般 AD 转换器要求输入信号是±5V 和±10V，由此可以确定电压变换器的变比。低通滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。有源滤波器由电容、电阻和集成运算放大器组成，在滤波的同时对信号起放大作用，无源滤波只有滤波功能没有信号放大功能。
*模拟量信号采样。采样过程要遵循香农采样定理，即采样频率必须不小于 2 倍的输入信号的最高频率。采样的过程非常快，当前的 AD 转换器采样已经达到纳秒级别，而电力系统自动装置的采样周期是毫秒级别，所以 6 个回路的电压和流信号可以共用 1 个 AD 转换器，但是采样电路须配备采样保持器和多路转换开关。
*AD转换。AD转换器有逐次逼近型、积分型、计数型、并行比较型，以及VFC电压频率变换器。逐次逼近型AD转换器是ADC中速度与精度兼顾的代表，它在较高转换速率下具有较高的转换分辨率。
（2）正弦电量的半周波绝对值积分算法
软件算法的关键在于提高算法运算的精确和速度，智能电表的交流采样算法的关键是解决如何根据正弦信号的瞬时值计算正弦采样信号幅值或有效值。正弦量最常用的算法是半周波绝对值积分算法，半周波绝对值积分算法的原理是正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为常数 S，而且积分值常数 S 与积分起始角无关。基于正弦函数模型的半周波绝对值积分算法如图 19所示。
图19 基于正弦函数模型的半周波绝对值积分算法
应用半周波绝对值积分算法计算电流有效值的表达式为：
式中，S 表示半个周期内绝对值的积分；I 表示电流有效值； i 表示电流瞬时值； 表示角速度；T 表示交流电源周期；f 表示交流电源频率；N 表示 1 个周期内采样次数； Ts 表示采样周期。
3.5 RS485 温湿度烟雾传感器
考虑箱变内供电线路可能出现漏电、过负荷、短路和接触电阻过大等故障引起火灾，可燃油油浸变压器故障可能引起火灾，因此箱变室内需要安装烟雾传感器用于箱变的火灾检测，以便早期发现故障隐患。为保证测量精度，同时降低成本，选用 RS485 温湿度烟雾三合一传感器用于箱变室内温度、湿度和烟雾浓度检测，温湿度传感器采用 SHT30 探头，传感器对 RS485 接口进行多重保护，能够有效消除工业现场浪涌、脉冲的干扰。传感器有红、黑、黄、绿 4 根线，具体接线方法如下表9所示。
表 9 RS485 温湿度烟雾传感器
本系统设计的智能仪表、传感器都采用 Modbus-RTU 协议，在全波特率 1200-115200 范围内可靠通信，智能仪表、传感器波特率统一设定为 9600bps。传感器的数据传输格式和数据转换格式如下：
传感器数据问询帧格式。传感器遵循标准 Modbus-RTU 协议，传感器读数保存在保持寄存器中，功能码为 04。上位机读取传感器数据问询帧格式、下位机传感器数据问询帧格式如表 10、表11所示。
表10 上位机读取传感器数据问询帧格式
表 11 下位机传感器数据问询帧格式
3.6 PT100 温度变送器
PT100 温度变送器用于检测变压器器身温度、高压和低压电缆温度，它适用于各种工业现场。变压器运行时会产生损耗，主要是铁损和铜损，也称铁芯损耗和负荷损耗。铜损大小随负载电流而变化，与负载电流的平方成正比。变压器损耗计算公式如下：
式中，P0 表示变压器在额定电压下空载运行的有功功率； I1和 I2 表示高压线电流和低压侧线电流； R1和 R2 表示高压侧电阻和低压侧电阻。
PT100 温度变送器内嵌 RS485 总线接口，每一个温度变送器可接入 4 路 PT100 温度传感器。热电阻 PT100 的工作原理如图22所示。
图22 PT100 温度传感器工作原理
3.7 水浸传感器
由于箱变基坑水平面较低，大雨过后电缆沟、基坑常有积水，存在电缆漏电的安全隐患，因此需要不定期检查和排水。本设计使用水浸传感器检测箱变基坑积水情况。水浸传感器应用液体导电原理，用电极探测是否有积水存在。选用带有 RS485 通信功能的接触式水浸探测器。水浸探测器的工作原理如图23所示。
图23 水浸变送器工作原理
四、系统软件设计
该系统软件设计包括箱变现场总线局域网软件设计和基于机智云平台的箱变远程监控系统设计两部分。箱变现场总线局域网中微机综合保护装置、智能网络电表以及智能传感器等设备已内嵌应用软件，所以只需要进行箱变现场控制器的软件程序设计。
4.1 箱变现场控制器软件设计
箱变现场控制器为嵌入式系统，其软件系统由应用程序、API、嵌入式操作系统和BSP（板级支持包）组成。根据10kV智能箱变现场控制器采集的参数多、任务多、实时性要求高的特点，选择广泛应用于商业产品开发和教学研究的μC/OS-Ⅲ嵌入式实时操作系统。μC/OS-Ⅲ以任务为最小单元，任何任务不需要关心资源的具体管理方法，由操作系统来决定。μC/OS-Ⅲ默认有 5 个系统任务如表12所示；μC/OS-Ⅲ的任务可分为 5 种状态如表13所示。
表12 μC/OS-Ⅲ操作系统5个系统任务
表13 μC/OS-Ⅲ操作系统的运行状态
4.2箱变现场控制器软件程序设计
整个软件系统设计以智能仪表、传感器、现场控制器和云平台组成的分布式系统为基础，进行应用软件的设计开发，箱变现场总线设备利用串口通信协议进行现场控制器与传感器模块之间的数据传输和交换，现场控制器与机智云服务器利用 GPRS 固件中的机智云通信协议进行数据传输和交换。箱变现场控制器应用软件的主程序流程图如图24 所示.
图24 箱变现场控制器软件主程序的流程图
*软件主程序。首先，系统各部分进行初始化，比如 GPIO、串口、时钟、内存管理等，并且在 μC/OS-Ⅲ中创建好任务。STM32 进行传感器数据采集和处理，将正确的信息发送到LCD显示。同时STM32给GPRS-G510模块发送AT指令，交互数据，通过LwM2M 协议对接机智云平台，并判断 GPRS 通信模块是否连接机智云服务器成功。若连接成功，则进行数据传输。然后判断处理过的数据是否大于设定阈值。
若属于箱变轻微故障，则通过云平台发送数据信息至手机 APP；若属于一般故障，则通过云平台发送数据报警信息至手机 APP，并启GPRS-GA6 通信模块通过手机短信发送报警信息；若属于严重故障，则通过云平台发送数据报警信息至手机 APP，并启动 GPRS-GA6 通信模块通过手机短信发送报警信息和并拨打预设的相关人员电话。具体程序设计源代码如下：
main.c 文件：
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "rs485.h"
#include "led.h"
#include "Modbus.h"
#include "ModbusCRC.h"
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "usart3.h"
#include "timer.h"
#include "gizwits_product.h"
#include "common.h"
#include "includes.h"
#include "task.h"
#include "GA6_module.h"
#include "uart4.h"
#include "uart5.h"
u8 WIFI_start=0;
extern dataPoint_t currentDataPoint;
extern uint8_t text2[];
//协议初始化
void Gizwits_Init(void)
{
//TIM3_Int_Init(9,7199);//1MS 系统定时
usart3_init(9600);//WIFI 初始化
memset((uint8_t*)¤tDataPoint, 0, sizeof(dataPoint_t));//设备状态结构体初始化
//userInit();
gizwitsInit();//缓冲区初始化
//gizwitsSetMode(WIFI_AIRLINK_MODE);//Air-link 模式接入
}
#if 0
void Date_Acquisition(void)
{/*
for(i=0; i<length; i++) //循环发送数据
{
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC== RESET);
USART_SendData(USART1,Receive_Buff[i]);
}*/
if(t%50 == 0)
lcd_show();
if(t>210)
t=0;
t++;
}
#endif
extern OS_TCB StartTaskTCB;
extern CPU_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
int main(void)
{
OS_ERR err;
CPU_SR_ALLOC();
delay_init(); //延时初始化
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//中断分组配置
uart_init(115200); //串口波特率设置
RS485_Init(9600); //初始化 RS485
LED_Init(); //LED 初始化
LCD_Init();
LCD_Clear(BLACK);
POINT_COLOR=WHITE;
KEY_Init(); //按键初始化
uart4_init(115200);
uart5_init(9600);
MY_IO_Init();
Gizwits_Init();
Speak_Init();
for(;;)
{
if(WIFI_start)
{
//Speech(text2,26);
delay_ms(1000);
break;
}
gizwitsHandle((dataPoint_t *)¤tDataPoint);//协议处理
}
OSInit(&err); //初始化 UCOSIII
OS_CRITICAL_ENTER();//进入临界区
//创建开始任务
OSTaskCreate((OS_TCB * )&StartTaskTCB, //任务控制块
(CPU_CHAR * )"start task", //任务名字
(OS_TASK_PTR )start_task, //任务函数
(void * )0, //传递给任务函数的参数
(OS_PRIO )START_TASK_PRIO, //任务优先级
(CPU_STK * )&START_TASK_STK[0], //任务堆栈基地址
(CPU_STK_SIZE)START_STK_SIZE/10, //任务堆栈深度限位
(CPU_STK_SIZE)START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
(OS_MSG_QTY )0,//任务内部消息队列能够接收的最大消息数目,为 0 时禁止接收消息
(OS_TICK )0, //当使能时间片轮转时的时间片长度，为 0 时为默认长度，
(void * )0, //用户补充的存储区
(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR, //任务选项
(OS_ERR * )&err); //存放该函数错误时的返回值
OS_CRITICAL_EXIT(); //退出临界区
OSStart(&err); //开启 UCOSIII
while(1);
}
task.c 文件
#include "task.h"
#include "led.h"
#include "rs485.h"
#include "delay.h"
#include "Modbus.h"
#include "ModbusCRC.h"
## 最后
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