基于物联网技术的智能箱式变压器安全系统设计与应用

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-25 论文字数:36695字
论文编号: sb2020032321303130063 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇研究物联网技术的论文,本文主要研究了物联网传感器技术在智能箱式变压器安全系统中的应用、温控模块设计、STM32 芯片电路连接的实现等内容,进行了智能箱式变压器安全系统的
本文是一篇研究物联网技术的论文,本文主要研究了物联网传感器技术在智能箱式变压器安全系统中的应用、温控模块设计、STM32 芯片电路连接的实现等内容,进行了智能箱式变压器安全系统的设计。本文完成的所有工作和研究结论归纳如下:(1)基于物联网 RFID 技术与传感器技术的箱式变压器安全监控系统设计,此部分由数据采集子系统和数据处理子系统两部分组成。数据采集子系统完成箱变的实时环境数据的采集。数据处理子系统则是处理一个箱式变压器内多个数据采集子系统的环境数据,并根据实时情况控制相应设备;(2)基于物联网技术、模糊自适应 PID 原理设计了温度控制模块,对箱变温度进行实时自适应调节;(3)基于μC/OS-II 将系统进行了移植,使之可以在 STM32 上独立运行,并结合远程控制软件,达到实时监控目的。

第一章 绪论

1.1 研究背景
“物联网(Internet of Things)”指的是采用不同类型传感器传感设备,如射频识别器(RFID)、红外线传感器、全球定位系统等,在一定的协议之下,通过无线或有线电信号将物品与网络连接,实现物物相连形成一个巨大的网络,使物品可以进行信息互通,
最终实现智能化的对物体进行识别管理、实时追踪监控,并进行相应控制。当前,物联网技术在各个领域都有广泛的运用,涉及极广,包含了农业、交通、物流、电网、环保、智能、医疗、家居等。
1999 年 “物联网”历史性地被提出来,“物联网之父”的 Kevin Ashton 首次提出了物联网(Internet of Things)一词,并创立了麻省理工学院自动识别中心(Auto-ID Center)[1]。
2005 年物联网开始普及,它的内涵已经不再单单局限于射频识别技术范围,其核心的定义和范畴已经大大改变。
2009 年 IBM 的“智慧地球”与中国的“感知中国”概念的提出,使物联网概念又一次推向一个大发展[2]。
2014 年谷歌收购 NEST 引发了智能硬件的一次热潮,小米生态链也开始产生影响。
2016 年工业物联网平台等概念兴起,但技术当时还不甚完善。
现在,物联网技术普遍应用于生活方方面面,例如基于 RFID 技术的手机公交卡、穿戴式支付方式、ETC 公交通道;基于定位的外卖、共享单车应用;基于图像识别的出行与支付确认。可以说物联网技术已经在这个时候开始走向了成熟阶段。
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1.2 研究意义
在快速发展的现代,作为清洁能源的电力已经在社会的各个方面起到了重要作用。电力的安全使用已经是一个国家民生经济建设的基础。箱式变压器作为电网系统的终端枢纽,起着传输并分配电能的重要作用,是保证供电稳定的重要一环。近年来由于用地紧张原因配电房的建设已经相对较少,而具有体积小、重量轻、低噪声、低损耗、高可靠性箱式变压器的使用已经日益增多、覆盖的区域也越来越广。但是,就目前的管理现状来说,箱式变压器却是电网管理中极为薄弱的一个环节。对箱式变压器传统的管理方法是通过片区维护与人工巡查来发现,无法实时全天候对箱变进行管控,这就使得隐患不能及时地排除,安全问题不能得到迅速解决,这种非智能化的巡检方式已经不符合现在的电力智能化发展的要求,所以结合物联网技术的箱式变压器设备智能化发展应运而生。本课题的研究意义是满足广东电网东莞供电局对提高设备可靠性、设备运维智能化的需要,结合当前电力设备智能化发展的需求,使用物联网相关的传感器与射频识别技术将箱式变压器智能化,利用相关物联网监控装置互联互通数据共享,形成智能化可远控的箱式变压器安全系统,对相关参数加以分析,发出动作与警告或进行精准操控,对箱变温度进行自主调节,实现箱式变压器可靠性与智能化的提高,本系统可以减少故障反应时间,预防事故发生,降低运维风险和繁琐,对东莞地区的供电可靠性增强、设备智能化发展有着重要的现实价值和实践研究意义。而研究设计基于物联网技术的智能箱式变压器系统对于箱变的智能化研究的发展也有着促进作用。
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第二章 智能箱式变压器安全系统总体方案设计

2.1 物联网的概念
物联网技术的定义是:利用物联网传感设备(包括了 RFID 传感器、温湿传感器、GPS 系统设备等),根据一定的协议,将一切物体与互联网连接,使之可以获取和共享数据、信息,最后达到物体智能化的实时位置获取、监控和管理目的的一种网络技术。
物联网(Internet of Things)指的是将无处不在(Ubiquitous)的终端设备(Devices)和设施(Facilities),包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、CNC 系统、家庭智能设备、视频监控系统等、和“外在使能”(Enabled)的[4],如贴上 RFID 射频电子标签的各种资产(Assets)、携带无线用户终端的个人或车辆等等“智能化物体或动物”或“智能尘埃”(Mote),通过各种无线或有线的长距离或短距离数据网络实现互联互通(M2M)、应用大集成(Grand Integration)、以及基于云计算的 SaaS 营运等模式,在内网(Intranet)、专网(Extranet)、和/或互联网(Internet)环境下,采用适当的信息安全保护,提供安全可靠,甚至个性化定制的实时在线监控、跟踪定位、远程控制、策略支持、远程安防等管理和服务功能,实现对“一切物体”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化[5]。
图 5-13 RTC 初始化
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2.2 物联网的核心关键技术
1、传感器技术,也是计算机应用领域的关键核心技术。众所周知,截止到现在,现代的大部分的计算机仅仅只能处理数字信号,对于模拟信号来说是无法直接利用的。由于计算机的这个特性,一直以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理[6]。它利用物理、化学、生物等反应把被测量的非电物理量转化为电量输出,达到对目标数据采集的目的。它在工业自动化测量与检测、航天、医疗等上具有越来越广泛的应用,同时在民用上也越来越普及,对提高居民智能化家居水平、智能化医疗水平有着巨大促进作用。
2、射频识别技术,归根到底也是传感器技术的一种,其在物流领域有着广阔的应用和发展前景。兴起于上个世纪的 90 年代,具有形状多样但体积小、可同时多个读取、寿命长可重复使用等特点,它的承载信息可以加密保护相对比较安全。现在被广泛运用于车辆出入、门禁管理、仓储服务、自动收费、金融一卡通等各个自动化或金融的领域中。
3、嵌入式系统技术,根据英国电气工程师协会( U.K. Institution of ElectricalEngineer)的定义是指植入设备内部,并可以在设备上独立运行应用的一种特殊的计算机应用系统。与诸如个人计算机这样的通用计算机系统有所不同,嵌入式系统通常执行具有特定要求的预先定义好的任务。由于嵌入式系统仅用于特定的任务,因此设计人员能够对它进行优化以减小尺寸和成本。嵌入式系统通常批量生产的,所以能够随着产量放扩单个的成本节约[7]。
4、人工智能,人工智能是一门新的技术科学,主要研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统,它汇集了计算机学、心理学、信息论等多种学科。人工智能在物联网里面一个应用是专家诊断与模式识别。人工智能在人类发展的道路上扮演着日益重要的角色。
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第三章 箱式变压器温度控制策略研究..................................... 15
3.1 模糊自适应 PID 控制器原理与设计................................... 15
3.2 输入输出量模糊化设计............................................16
第四章 智能箱式变压器安全系统硬件方案设计............................... 21
4.1 主要系统硬件选型..................................21
4.1.1 MCU 的选型.........................................21
4.1.2 GSM 模块选型...................................... 23
第五章 智能箱式变压器安全系统软件方案设计............................... 37
5.1 软件开发环境选择...................................................37
5.1.1 软件设计开发环境..................................... 37
5.1.2 软件平台选择....................................... 38

第六章 系统调试与测试

6.1 硬件模块调试硬件调试主要分为两步:
(1)、首先对根据原理图对照电路是否有器件型号、硬件连接错误,再通过仪表对各个引脚进行检测,观察是否有连接错误,并消除短路,开路和虚焊情况。
(2)给电路板通电,用手触摸各元件,看是否有过度发热情况,检查各模块的功能是否能够达到设计效果正常使用。如果电路板或者器件有冒烟或者异味的情况,应该马上切断电源,对硬件电路进行检查。经检测复位电路可以正常使用,显示功能经过调试后可以正常显示,数据采集模块调试后也可以正常运行,继电器可以发挥控制外设的开关。
硬件调试过程中的主要有两个问题,一个问题就是误触发触摸屏中断问题。第二个问题是在汉字显示乱码。第一个问题主要是在最初调试触摸屏程序的时候被发现,调试的时候发现触摸屏总会触发 STM32F103RCT6 的中断,致使 STM32F103RCT6 总是在处理中断。最初被误认为只是程序问题,经过程序修改与调试后,渐渐开始怀疑硬件有问题。通过观察示波器中断信号线上的信号,发现只要触发了一次触摸屏,就会在中断线上产生时间不固定的脉冲信号。脉冲宽度不固定,通过查看 ILI9325 的数据说明,此线上的信号不应该速度有这么快,于是设计中在中端输入线上加入滤波电路,把输入信号的频率限制在 150Hz 以下,再次调试,发现问题已经解决。
图 6-1 电路实体测试图
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总结与展望
本文主要研究了物联网传感器技术在智能箱式变压器安全系统中的应用、温控模块设计、STM32 芯片电路连接的实现等内容,进行了智能箱式变压器安全系统的设计。本文完成的所有工作和研究结论归纳如下:
(1)基于物联网 RFID 技术与传感器技术的箱式变压器安全监控系统设计,此部分由数据采集子系统和数据处理子系统两部分组成。数据采集子系统完成箱变的实时环境数据的采集。数据处理子系统则是处理一个箱式变压器内多个数据采集子系统的环境数据,并根据实时情况控制相应设备;
(2)基于物联网技术、模糊自适应 PID 原理设计了温度控制模块,对箱变温度进行实时自适应调节;
(3)基于μC/OS-II 将系统进行了移植,使之可以在 STM32 上独立运行,并结合远程控制软件,达到实时监控目的。此系统主要目的是在箱变环境异常时,以短信和软件警示提醒的形式通知相关运维人员,以减少财产损失和人员伤亡,并在平时运行时自动调节箱变内部工作温度。本智能箱式变压器安全系统主要特点如下:
结合现实箱式变压器运维要求,从实际出发,解决箱式变压器运行维护中隐患无法及时排查事故无法及时发现的情况,解决了现有相似产品功能不足,对于有效提高运维效率提高设备可靠性具有现实意义,加入箱变温度控制,有效提高箱变运行的安全性。
参考文献(略)

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