朱明星

（国网蚌埠供电公司，安徽 蚌埠233000）

水土环境信息是输变电工程水土保持管理工作开展的重要参考依据，要求环境监测数据具有较高的准确性和实时性[1]。因此，开发一套环境在线监测系统显得尤为重要。虽然中国在数据信息传输方式和信息采集设备控制两个方面研究取得了一些成果，但是缺少信息传输方式和设备集成控制的有效结合研究[2-3]。本文将选取STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，提出在线监测系统关键技术研究。

1 基于传感器技术的在线监测系统设计

1.1 系统总体框架结构设计

本文针对输变电工程水土保持监测问题，引入双通信建设模式，采用无线传输模式传送水土环境信息。系统总体框架结构设计方案如图1 所示。

本系统主要由信息采集终端、远程监控中心、用户手机以及无线传输模块四部分构成。其中，信息采集终端是水土环境信息采集模块，在单片机控制下，利用传感器分别采集数据信息，通过GPRS DTU 模块将采集到的信息发送远程监测中心，由太阳能供电系统向信息采集终端各个设备提供电能。

图1 系统总体框架结构设计方案

1.2 系统硬件设计

1.2.1 传感器选型

本设计方案根据传感器测量精准度指标信息，结合成本控制要求，合理选取监测系统传感器型号。传感器型号选取方案如表1 所示。

表1 传感器型号选取方案

1.2.2 工程环境信息采集

工程环境信息采集模块是系统硬件设计的核心，选取STM32 系列单片机作为核心控制器，分别对各类传感器、液晶显示屏、外部存储器、实时时钟芯片、GPRS DTU 模块进行控制，形成完善的工程环境信息采集框架结构。

1.2.2.1 单片机最小单元

本研究以STM32F103C8T6 型号单片机为核心，开发了一套监测系统。

该单片机具有较强的抗干扰能力，运行速度较快，功耗较低，内部含有DMA 控制器、定时器、看门狗、多通信接口、Flash 存储器、SRAM 存储器等外内外设，满足在线监测系统开发需求，工作电压范围为2.0～3.6 V。

1.2.2.2 外部存储器

本系统选取M25 P128 芯片作为外部存储器控制器件，作为单片机外部信息存储单元，用来存储工程现场水土环境数据信息。

1.2.2.3 GPRS DTU 模块

该模块是信息采集终端数据信息传输设备，通过RS-485接口连接到单片机上建立通信连接，串口波特率范围300～115200 bps，工作电压范围5～18 V，电流范围50～200 mA，可以在-40～80 ℃环境下正常作业。考虑到本系统数据采集周期较长，所以设置模块作业频率为9600 bps。

1.2.2.4 系统供电模块

由于本系统需要长期在外部环境下连续作业，所以对供电要求较高。为了满足此供电需求，本系统设计方案选取了节能环保供电方法，选取太阳能电池板作为电能获取装置，将多余电量存储至蓄电池中，利用蓄电池充放电控制器调节蓄电池作业模式，从而为系统连续供电。其中，蓄电池存储电量可以在雨天为系统连续供电5 d。

1.3 系统软件设计

1.3.1 信息采集

本系统利用C 语言作为程序开发工具，编写系统软件运行程序。由于信息数据类型较多，采集时间不同，所以需要分别设置各类传感器信息采集时间间隔。其中，土壤水分数据、风向数据、风速数据、空气湿度数据、空气温度数据5项指标采集时间间隔均为1 min，雨量数据信息采集时间间隔为1 h。

1.3.2 数据通信

本系统数据通信分为GPRS DTU 无线通信、GSM 无线通信、RS-485 总线通信3 部分，其中，GPRS DTU 无线通信与RS-485 总线通信两个模块软件开发较为成熟，此处着重介绍GSM 无线通信。该通信模块以SIM900A 芯片为核心控制器，通过发送AT 指令，实现手机短消息发送。借助远程监测服务器，按照文本格式编辑工程水土环境数据信息，发送至用户手机。

1.3.3 数据分析终端

本系统数据分析终端主要是读取数据，将经过CRC 校验的数据作为监测结果。

分析过程：通过对数据分析模块进行初始化处理，而后读取各类传感器数据，判断传感器数据是否读取完毕，如果读取完毕，则采取CRC 校验，剔除错误数据，从而提高数据采集精准率，如果还存在没有读取的数据，则继续读取数据。经过CRC 校验后的数据将存储至数据包中，生成工程水土环境监测数据表。

2 系统测试分析

本测试项目利用环境监测系统采集数据，观察监测中心计算机操作界面数据显示情况，与现场实地勘察获取数据进行对比分析。如果各类监测数据精准度超过97%，则认为本系统开发方案满足工程水土环境监测需求，监测结果可以作为水土保持管理参考依据。监测中心计算机工程水土环境监测界面如图2 所示，工程水土环境监测数据精准度测试结果如表2 所示。

图2 监测中心计算机工程水土环境监测界面

表2 工程水土环境监测数据精准度测试结果

通过观察图2 中监测界面可知，本系统可以监测工程水土环境信息。表2 中数据监测精准度统计结果表明，本系统信息采集精准度在98%以上，并且监测数据实时性较强，符合系统开发要求。

3 总结

本文围绕输变电工程水土保持问题展开研究，为了实时获取工程水土环境信息，选取STM32 系列单片机作为核心处理器，提出在线监测系统设计研究。该系统支持远程监测、手机用户监测两种工程现场信息获取方式，为工程水土保持防治工作开展提供了便利条件。系统测试结果表明，本系统可以准确采集工程环境信息，准确率在98%以上，满足系统开发要求。