基于低功率433MHz模块的换流站数据传输系统

摘

要：换流站是直流输电系统的重要组成部分。由于在设计时无法实现对站内设备全方位监控，因此对部分设备隐患，如端子排发热等无法进行不间断监控，影响设备正常运行。现基于低功率433MHz模块，配以不同的信号增益方案，设计出了一套可用于换流站的数据传输系统，并经过实地测试表明该系统可以有效实现数据传输，且不需用物联网，传输距离可控，可以保护敏感数据免遭拦截和监听。关键词：433MHz模块；换流站；数据传输系统

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引言换流站内设备众多，加上换流站复杂的电磁环境，使换流站在日常运维中面临巨大的设备隐患跟踪压力。在实际运行中，现有监控系统只能对主设备和核心控制保护装置的运行工况进行监控，对于如端子排发热、空开发热等设备隐患缺乏有效的不间断监控方式，仅能依靠定期巡视进行设备隐患跟踪。一旦设备缺陷恶化，往往无法第一时间获悉，给直流系统的安全可靠运行埋下巨大隐患。此外，出于信息安全考虑，如果将数据以物联网的方式上传至云服务器实现设备监控，则有可能出现信息泄漏风险。因此，本文使用低功率433

MHz模块为数据传输介质，建立了一套换流站数据传输系统，通过在数据发射端接入传感器，实现对换流站内设备的有效不间断监控，同时杜绝了在互联网中信息泄漏的风险，并以低功率433MHz模块搭配不同的信号增益方案，实现信号传输距离可控，使数据难以传输到远方，防止被远距离监听，且无需在现有监控系统中接入任何设备，按需灵活配置监控装置，隐患消除后即可撤离设备，实现成本最小化。

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系统总体架构根据换流站现场实际使用场景，本系统总体架构[1]如图1所示。如图1所示本系统总体由发射端和接收端组成。为了简化系统，降低功耗，本系统采用单向通信设计，即信号仅由发射端发出，接收端仅接收信号。因此，可以实现多个发射端同时发射，一个或多个接收端同时接收或分别接收。其中，发射端由传感器、发射端控制模块、433MHz模块、信号增益模块组成。接收端由液晶显示器、接收端控制模块、433MHz模块、信号增益模块组成。发射端中的传感器根据实际需要，可以接入非接触式红外传感器、液位传感器等；发射端和接收端的信号增益模块根据发射端离接收端的距离，可以分别采用垂直极化433MHz天线、433MHz信号放大器等；接收端的液晶显示器可以根据发射端数量灵活采用不同样式，如液晶数码管等；发射端和接收端的控制模块采用具有串口通信的单片机。

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设备选型2.1

传感器传感器根据实际需要，可以灵活选用。在换流站中，设备隐患通常是发热形式。因此，本系统选用MLX9014AAA非接触式红外测温模块。该模块温度解析度可达0.01℃，可以同时测量环境温度和被测物体温度。模块的EEPRAM有32个16位存储单元，其中存储单元Tomax、Tomin、Ta分别是物体温度上下限和环境温度范围，可以通过PWM信号从管脚输出温度数据。2.2

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MHz模块本系统采用HC-12433MHz无线串口模块。该模块可以设置128个频道，当频道为基准频道时，频率为433.0MHz，频道步进为0.4MHz，第100频道的工作频率为473.0MHz。两个同频道的模块之间可以成对进行通信，而不会受其他频道干扰。HC-12433MHz无线串口模块有两个天线端口，其中为预设的SMA天线座，可以接入SMA天线，或使用转接头接入其他类型天线；另一个天线端口为焊盘，可以通过焊接接入弹簧天线、外接底座、PCB蛇形天线等。当进行成对通信时，发射端模块从RXD端口输入数据，从天线端口发射信号，接收端模块通过天线端口接收信号，并从TXD端口输出数据。2.3

控制模块由于本系统不需要进行复杂运算，因此选用基于STM32F103C8T6单片机的最小系统开发板。该单片机具有高性能、低成本、低功耗的优点，片上资源包括48kBSRAM、256kBFlash、11个定时器、2个IIC、5个串口、1个USB、3个SPI、3个12位ADC、2个12位DAC及51个通用I/O口。因此，使用本模块，接收端理论上可以同时接入56个HC-12433MHz无线串口模块，即同时监控56个传感器数据。开发板电源为5V，可以使用USB供电，方便在换流站现场布置，必要时也可以用电池或移动充电电源供电，使应用场景最大化。2.4

信号增益模块本系统选用低功耗433MHz模块的目的是为了降低无线信号传输能力，通过信号增益模块调节信号传输距离，使信号传输距离可控。信号增益模块是直接接入到HC-12433MHz无线串口模块的信号发射/接收端上，用以增强信号发射和接收能力。根据现场实测，如果接收端和发射端的HC-12433MHz无线串口模块仅使用弹簧天线，在湿度为58.0%的气象条件下，信号传输距离仅有15m左右，且穿墙能力低下，不能满足换流站实际需求。因此，本系统中的信号增益模块必不可少。为了简化系统架构，在本系统中信号增益模块仅使用两种，分别是垂直极化433MHz天线和XQ-433双向信号放大模组。垂直极化433MHz天线是常规全向天线，适用于433MHz频段。本系统中，该天线的规格为1.5m长，带磁吸座，增益3.0dB，驻波比系数为＜1.5，功率容量50W，通过IPX/SMA转换接头接入到HC-12433MHz无线串口模块的SMA座。XQ-433双向信号放大模组工作频段为400～480MHz，接收增益为（13±2）dB，发射增益可通过调节设置在模组上的电位器，在（10±2）～（20±2）dB进行调整，输入功率范围为3～20dBm，最大发射功率为33dBm。该装置使用方便，根据INPUT端口和OUTPUT端口的信号流方向，可以实现发射和接收的自动转换。在装置上有电位器，通过调节电位器即可调节发射功率。由于本系统数据传输方式为串口通信，因此不存在饱和失真问题。如果需要远程传输数据，可直接调节电位器，使增益达到最大，实现距离最大化。

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具体设计3.1

硬件接线本系统具体接线方式如图2所示。在发射端中，传感器和控制模块的具体接线由传感器通信方式决定，若为串口通信，则可接入至控制模块的串口端口或通用I/O端口；若为传感器输出的是模拟信号，则可以接入至通用I/O端口中。控制模块预留一个串口与HC-12433MHz无线串口模块的RXD端口相接，该串口作为控制模块的输出端口，向HC-12433MHz无线串口模块的RXD端口用串口通信的方式输出传感器的测量数据。HC-12433MHz无线串口模块的信号收发端口根据实际需求，接入信号增益模块。在接收端中，HC-12433MHz无线串口模块的信号收发端口接入垂直极化433MHz天线，接收自发射端同频道HC-12433MHz无线串口模块从垂直极化433MHz天线发出的信号，TXD端口接入控制模块的其中一个串口，将信号输入到控制模块中。接收端根据实际需要，接入相应的显示模块。3.2

软件设计本系统软件较为轻量化，分为发射端、接收端和HC-12433MHz无线串口模块三部分。发射端定期扫描读取传感器数据，经过处理后，将数据输出到与HC-12433MHz无线串口模块RXD相接的串口中。接收端定期扫描全部接入HC-12433MHz无线串口模块的端口，读取从HC-12433MHz无线串口模块TXD输出的数据，并将数据显示至显示模块中。HC-12433MHz无线串口模块的软件是设置性的，根据实际需要设置波特率，并以AT指令的方式根据实际需要设置收发功率。由于HC-12433MHz无线串口模块的发射功率较低，因此可以默认将收发功率设为最高值，提高信号收发效果。

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现场测试根据前文所述，搭建了一个单发射、单接收的最小系统，以测试本系统在换流站复杂电磁环境下的可用性。为了实现软硬件测试，在发射端接入了一个MLX9014AAA非接触式红外测温模块，如果系统能正常工作，接收端可以获得传感器测量到的温度数据。测试环境[2]：气温29℃，空气湿度58.0%，接收端信号接收模块均为垂直极化433MHz天线。换流站距离实测表如表1所示。以西电东送工程在广东地区的7座换流站为例，主控室距离站内最远端直流场设备的距离为251m，