CN203101975U - 基于web和wsn的站房环境监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：包括复数个智能控制器、复数个通信管理机以及复数个客户端；所述的客户端通过以太网登录到一WEB服务器；所述的WEB服务器通过光纤与所述通信管理机通信；所述的通信管理机经WSN网络与所述的智能控制器通信；所述智能控制器包括一微处理器以及与该微处理器连接开关量监测单元、温湿度采集模块、继电器输出单元、无线通信模块、RS-232/RS-485通信及存储电路扩展模块。本实用新型结构简单，能够解决现有技术中，人们无法实时了解环境信息并进行实时自动或远程控制的需求问题，能够实现对站房内的空调、抽湿机等设备的远程控制，进而调节站房的温湿度。

Description

基于WEB和WSN的站房环境监控系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统自动化监控领域，特别是一种站房环境监控系统。

背景技术

随着电力网络的深入布局与大面积覆盖，尤其在山区郊区等偏远人稀地带，站房电力设备工作环境恶劣，温度起伏变化、湿度过大都对站房电力设备的安全运行构成威胁。因此人们对站房环境监测和控制提出了更多的需求，人们需要有更加完整和全面的系统对站房进行环境监测和环境控制，以满足人们对站房环境进行实时监控的需求。

 目前，对于传统的站房没有较为完整的环境监测和控制系统，较多的只有提出环境监测，并没有一个比较完整的环境监测和控制系统。然而要对各个站房进行环境监测和控制，目前的环境监测造价高，运行操作复杂且功能不全，广泛推广遇到很大的阻力和困难。因此如何搭建一个成本低、维修和操作方便的环境监测和控制显得尤为重要。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题，在于提供基于WEB和WSN的站房环境监控系统 ，能够解决现有技术中，人们无法实时了解环境信息并进行实时自动或远程控制的需求问题。

本实用新型是通过采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：包括复数个智能控制器、复数个通信管理机以及复数个客户端；所述的客户端通过以太网登录到一WEB服务器；所述的WEB服务器通过光纤与所述通信管理机通信；所述的通信管理机经WSN网络与所述的智能控制器通信；所述智能控制器包括一微处理器以及与该微处理器连接的开关量监测单元、温湿度采集模块、继电器输出单元、无线通信模块、RS-232/RS-485通信及存储电路扩展模块。

在本实用新型一实例中，所述的开关量监测模块设置两路的开关量采集。

在本实用新型一实例中，所述的通信管理机包括RCM6710模块以及与该RCM6710模块连接的以太网模块、ZigBee无线模块、GPRS无线模块、程序烧写模块以及LED指示灯模块。

在本实用新型一实例中，所述的微处理器的型号是PIC24FJ64GA004。

在本实用新型一实例中，所述WSN网络是ZigBee无线网络，所述的无线通信模块是ZigBee无线模块。

本实用新型基于WEB和WSN的站房环境监控系统 ，功能齐全，运行稳定，人机交互界面友好，并具有一定的扩展性，能给用户提供实时环境信息和设备运行信息并可实时对设备进行控制。本实用新型优势在于其能实现网络化的非接触式数据传输，不需要布线就可以监测到站房内的温湿度信息和控制站房内设备的运行状态，具有很强的环境适用能力和性价比，管理人员可远程了解设备的运行状况，不需要再安排专人进行定期巡检，减少了工作量，简化了工作流程，极大提高了站房综合自动化水平，减少了安全隐患，保证了设备的安全稳定的运行，该系统的研制具有很强的现实意义和实用价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述的基于WEB和WSN的站房环境监控系统的结构示意图。

图2是本实用新型所述的智能控制器的电路原理框图。

图3是本实用新型通信管理机中RCM6710模块与外围设备的连接示意图。

图4是本实用新型所述的电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

请参见图1至图4，本实例的监控系统由三大部分组成，分别是上层所述的上位机、中间层所述的通信管理机和底层所述的智能控制器，底层采用SHT11数字温湿度传感器对环境温湿度进行采集，并采用基于PIC24FJ64GA004的智能控制器对数据进行处理，判断是否启动站内的抽湿机、空调等设备来调节环境温湿度。系统还通过开关量采集单元以此来采集开关设备的运行状态；所述的控制器将采集到的数据通过ZigBee发送到通信管理机，所述的通信管理机对底层发来的数据进行保存管理并根据设定的规约转成以太网数据，通过所述的sock接口建立套接字进行数据传输。所述的上位机采用Java开发的人机界面对数据进行转换和显示，管理人员可以通过人机界面实时监控现场的温湿度和空调、抽湿机等的工作情况。主站主要实现对数据的召唤、设备的管理、历史数据的保存、还有参数的设置等功能。

所述的智能控制器部分：

    所述的智能控制器主要包括PIC24FJ64GA004微处理器、电源、开关量监测单元、温湿度采集、继电器输出、ZigBee模块和RS-232、RS-485通信及存储电路扩展模块。系统通过所述的温湿度传感器对站房温湿度进行实时采集，所述的智能控制器对采集的数据进行处理并通过所述的ZigBee收发模块将数据通过无线网络发送到所述的通信管理机，通过对温湿度的检测，控制站房内空调、抽湿机等设备正确工作，使站房温湿度保持在规定值内；为了方便以后功能的扩展和更改我们预先设置了所述的RS-485、所述的RS-232通信模块和增加了存储电路用于存储微处理器数据。

    所述的智能控制器CPU采用16位闪存单片机PIC24FJ64GA004，工作电压为+3.3V，晶振为11.0592MHz。同时集成有SPI、两个UART、IIC、定时器、10位A/D转换器等外设。通过UART实现单片机与ZigBee等外设通信，通过IIC实现温湿度传感器数据传递。

    所述的智能控制器工作在高压或者潮湿的环境中，电磁干扰很强，电源模块设计主要从防干扰入手，通过并接去耦电容使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。电源输入端先通过带隔离的5V转5V电源模块，接着再转换成3.3V。

    所述的温湿度传感器的SCK和DATA引脚分别接到微处理器设定的IIC总线的SCK和DATA上。所述的温湿度传感器采用瑞士SENSIRION数字温湿度传感器SHT11。湿度的测量范围为0~100%RH，精度为±3%RH，分辨率0.03%RH；温度测量范围为-40℃~+123.8℃，精度为±0.9摄氏度，分辨率0.01℃。由于其输出为数字量，接口为IIC接口，因此可以直接与单片机I/O引脚相连。所述的温湿度采集模块主要实现对站房温湿度数据的采集、存储和发送给CPU的功能。

    所述的继电器与所述的CPU设定的I/O端口通过光耦合器连接，使控制电路与所述的继电器完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计，所述的继电器触点设有RC滤波器防止电压尖峰损坏继电器。根据所述的CPU输出的电平作出相应的动作，控制站房内空调、抽湿机等设备的工作状态。

    所述的无线网络采用Digi公司提供的XBee PR0 ZB模块。所述的CPU的UART资源的TXD和RXD分别和所述的XBee PR0 ZB模块的UART资源的RXD和TXD相连接。通过Digi公司提供的所述的XBee PR0 ZB模块配置软件将所述的XBee PR0 ZB模块的通信模式及其他相关参数进行合理设置，所述的控制器的CPU将数据通过UART发给参数已正确配置的所述的XBee PR0 ZB模块，所述的XBee PR0 ZB模块自动按照ZigBee Pro协议建立路由连接，寻找路径，将数据发送到目的地址。参数设置内容包括：网络、地址、射频RF（Radio Freqency）接口、网络安全、串行接口、I/O设置、诊断命令等。

    所述的开关量监测单元设置两路的开关量采集，开关量输入与所述的CPU的I/O端口通过光电耦合器隔离连接，响应速度快，无触点，寿命长，使输入输出的回路之间没有电气联系，避免了产生共阻抗耦合的干扰信号，且容易和逻辑电路配合。该模块主要用于检测开关的接通情况，当断路器处于闭合状态时输入低电平，当断路器为断开状态输入高电平，所述的CPU将接收到的信号经ZigBee发送到通信管理机，上位机即可实时显示开关设备的运行状态。

    所述的存储电路采用X5045芯片，X5045是一种3合1功能监控芯片，具有EEPROM、电压跌落监测、看门狗复位。当电源电压为1V时仍可保证复位输出；对不同芯片可选择不同工作电压；硬件及指令写保护，使数据更安全；读写速度快；温宽为-40~84度；是兼具有存储监测的单片机系统最佳选择。其容量512KB，足够作为备用扩展存储器。该模块运用SPI接口技术实现与所述的CPU的数据传输，SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成， 通信时，数据由 SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过16 次时钟的改变，完成16 位数据的传输。

     所述的RS232和所述的RS485通信模块采用MAX公司提供的MAX232、MAX485芯片完成TTL←→EIA双向电平转换，实现通信功能。所述的RS-232和所述的RS-485通信模块和存储电路模块作为智能控制器的扩展，便于未来的进一步开发利用。

所述的通信管理机部分

    所述的通信管理机主要包括以太网模块、ZigBee无线模块、GPRS无线模块、程序烧写模块、LED指示灯模块还有电源模块等。还带有多个所述的RS-485、所述的RS-232模块以及所述的GPRS无线模块以备后续扩展开发。所述的通信管理机需要管理大量的数据，以及作为规约转换器，因此我们采用迪进公司研发的RCM6710模块。所述的RCM6710模块支持 10/100 Base-T 以太网、安全的 802.11a/b/g 和 WPA2 能实现最高水平的安全性。并带有实时时钟，频率最高可达200MHz，带有1 MB的内部RAM为程序存储,多达4 MB的串行Flash或web页面的数据记录存储。并带有RJ45以太网接口，6个高速, CMOS 相容端口：所有 6 个均可配置为异步(与IrDA), 4个可配置为时钟串行(SPI),2个可配置为 SDLC/HDLC，1个时钟串行口与编程口共享。最大异步波特率=CLK/8，计时器：十个8位定时器(从第一个开始为6个级联定时器),1个配备2个匹配寄存器的10位计时器,以及1个拥有4个输出和8个设置复位寄存器的16位计时器。并且携带??C/OS-II实时操作系统，保证了底层大量数据与所述的上位机间可靠的传输。

    图3为所述的RCM6710模块与外围设备的连接图，通信接口有RS-485接口、RS-232接口、ZigBee无线模块、RJ45以太网接口等。采用的都是FIFO（先进先出）通信方式。

①所述的RJ45接口有Tx+（发信号+）与芯片3脚相连、Tx-（发信号-）与芯片5脚相连、Rx+（收信号+）与芯片4脚相连、Rx-（收信号-）与芯片6脚相连和LNK（以太网连接指示灯）与芯片7脚相连、ACT（以太网应答指示灯）与芯片8脚相连。                                                        

②考虑到通信距离问题，所述的集中器的无线通信模块选用增强型无线通信模块XBee Pro ZB模块，U.F.L天线，外接5dB全向天线。所述的ZigBee接口有ZB_RXF、ZB_TXF、ZB_RTS。所述ZigBee模块DOUT引脚为发送引脚与芯片20脚(ZB_RXF)相连，所述ZigBee模块DIN引脚为接收引脚与芯片19脚(ZB_TXF)相连，所述ZigBee模块RTS引脚为复位引脚与芯片34脚(ZB_RTS)相连。滤波及退耦合电容E4和C15与ZigBee模块电源相连越靠近所述的ZigBee模块效果则越好。配置时必须将ZigBee的波特率与所述的CPU的波特率设置成相同。

③系统还设置了多个RS-485和RS-232接口分别与芯片的串口相连用于外部扩展，以备后续的开发。

④程序烧写接口有STATUS（47脚）为烧写的状态线，SMODE（49脚）为模式选择线，在烧写程序时要使其电平为高，TXA（48脚）和RXA（50脚）则为数据传输线与。

    所述的电源模块采用的是12V输入，采用专用供电芯片MIC29302转3.3V输出，芯片外设5个引脚，IN引脚为电压输入，与外部电源连接。OUT引脚为输出引脚，输出3.3V为系统供电分别与ZigBee模块电源引脚相连和管理机芯片的电源引脚（VCC）和掉电保存引脚（VBAT）相连。ADJ引脚与电阻分压器相连，通过设置电阻值设置输出电压。系统供电则采用如图4的供电方式，D1的设计是为了防止电池回流在断电的时候对芯片跟ZigBee供电。而D2则是为了防止电源对电池进行充电而发生事故。在芯片及ZigBee的电源引脚分别放置了滤波及耦合电容，以免芯片及ZigBee的工作受到干扰。   

所述的上位机部分

    主要技术特征：与所述的通信管理机的连接关系：所述的通信管理机对底层发来得数据进行保存管理并将数据转成以太网数据，通过sock接口建立套接字把数据传输到WEB服务器。所述的上位机主要是通过以太网链接WEB服务器对数据进行储存处理，实现对数据进行转换和显示，管理人员可以通过人机界面实时监控现场的温湿度和空调、抽湿机等的工作情况。在软件结构上，分成通信层和应用层。

    通信层主要包括以太网通信模块和WEB服务器模块。所述的以太网通信模块主要负责传输通信管理机要上传的数据。所述的WEB服务器模块实现对数据的收发和存储。

    应用层主要包括一些服务类应用模块，有：参数设置模块、设备管理模块、当前数据处理模块、数据查询模块、状态查询模块、告警事件模块、打印服务模块等等，这些功能模块相互配合，共同完成对开关柜环境监控的工作。

    参数设置：设置控制器的启动值和抽湿机、风机、空调、加热器启动时的温湿度值。

    设备管理：添加管理机或者控制器，选择所要控制的站房房间和通信管理机的IP地址。用户可以对各个开关柜的地址自定义和备注名称。

    当前数据：实时显示当前站房的温湿度信息，站房空调、抽湿机、风机等设备的运行状态；还可以实时召唤所有设备的数据。

    历史数据：用于查询开关柜历史温湿度信息，通过作图分析变电站的运行情况。

    状态查询：对站房内的空调、抽湿机、抽风机等设备运行状态的查询。

    告警事件：存储空调、抽湿机、抽风机等设备的历史运行状态和显示测温节点是否离线等信息。

 打印服务：提供站房相关数据信息的打印。

本实用新型具备以下优点：

目前，对于传统的站房较多的只有提出环境监测，并没有一个比较完整的环境监测和控制系统。本实用新型能够针对工作环境恶劣的站房，尤其在山区郊区等偏远人稀地带，能够实现对站房电力设备工作环境进行环境监测和环境控制，以满足人们对站房环境进行实时监控的需求。本实用新型功能齐全，运行稳定，本实用新型由三大部分组成，分别是上层所述的上位机、中间层所述的通信管理机和底层所述的智能控制器，底层采用所述的SHT11数字温湿度传感器对环境温湿度进行采集，并采用基于PIC24FJ64GA004的智能控制器对数据进行处理，所述的控制器将采集到的数据通过ZigBee发送到通信管理机，所述的通信管理机对底层发来的数据进行保存管理并根据设定的规约转成以太网数据，通过所述的sock接口建立套接字进行数据传输。所述的上位机采用Java开发的人机界面对数据进行转换和显示，管理人员可以通过人机界面实时监控现场的温湿度和空调、抽湿机等的工作情况。主站主要实现对数据的召唤、设备的管理、历史数据的保存、还有参数的设置等功能。

    本实用新型优势在于其能实现网络化的非接触式数据传输，不需要布线就可以监测到站房内的温湿度信息和控制站房内设备的运行状态，具有很强的环境适用能力和性价比，管理人员可远程了解设备的运行状况，不需要再安排专人进行定期巡检，减少了工作量，简化了工作流程，极大提高了站房综合自动化水平，减少了安全隐患，保证了设备的安全稳定的运行，该系统的研制具有很强的现实意义和实用价值。

    本实用新型的客户端采用Java针对用户不同需求进行开发的人机界面，人机界面实时显示站房内的温湿度信息和站房内设备的运行情况。还可通过人机界面对站房的历史数据和告警事件进行查询。人机交互界面友好，并具有一定的扩展性，能给用户提供实时环境信息和设备运行信息并可实时对设备进行控制。

 目前的环境监测造价高，运行操作复杂且功能不全，广泛推广遇到很大的阻力和困难。因此如何搭建一个成本低、维修和操作方便的环境监测和控制显得尤为重要。本实用新型底层将采集到的数据通过ZigBee发送到通信管理机，对各个站房进行环境监测和控制。ZigBee技术作为新兴技术，是目前最为流行的无线通信工具，相对于其他方式ZigBee具有明显的优势，且ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。因此本实用新型的底层数据传输拟采用ZigBee无线网络。大部分站房都有铺设光纤，因此大部分站房顶层选取以太网进行数据传输。然而底层的大量数据要通过以太网传输则需要对数据进行规约转换和数据管理。本实用新型选用Digi公司生产的RCM6710模块作为处理器对监测区域各监测点进行信息的汇总、处理和传送到WEB服务器。极大提高了本实用新型的运行稳定性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。 

Claims (5)

1.一种基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：包括复数个智能控制器、复数个通信管理机以及复数个客户端；所述的客户端通过以太网登录到一WEB服务器；所述的WEB服务器通过光纤与所述通信管理机通信；所述的通信管理机经WSN网络与所述的智能控制器通信；所述智能控制器包括一微处理器以及与该微处理器连接的开关量监测单元、温湿度采集模块、继电器输出单元、无线通信模块、RS-232/RS-485通信及存储电路扩展模块。

2.根据权利要求1所述的基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：所述的开关量监测模块设置两路的开关量采集。

3.根据权利要求1所述的基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：所述的通信管理机包括RCM6710模块以及与该RCM6710模块连接的以太网模块、ZigBee无线模块、GPRS无线模块、程序烧写模块以及LED指示灯模块。

4.根据权利要求1所述的基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：所述的微处理器的型号是PIC24FJ64GA004。

5.根据权利要求1所述的基于WEB和WSN的站房环境监控系统，其特征在于：所述WSN网络是ZigBee无线网络，所述的无线通信模块是ZigBee无线模块。

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