基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑電氣設備安全智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

電氣設備安全一直是建筑內(nèi)部安全的重點，每年因電氣設備安全引發(fā)的火災事故很多。電氣設備是否正常運行，對人們的生產(chǎn)和生活造成很大影響。傳統(tǒng)電氣設備往往獨立運行，工作人員很難及時掌握供電系統(tǒng)的安全狀態(tài)，因此，電氣系統(tǒng)能否實現(xiàn)智能監(jiān)測尤為重要。

本文介紹的建筑供電安全監(jiān)測系統(tǒng)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測手段解決上述問題。通過物聯(lián)網(wǎng)終端不斷匯集電氣終端的電壓、電流、溫度等信息，并將信息上傳至供電系統(tǒng)安全監(jiān)測平臺，當終端監(jiān)測到系統(tǒng)故障時，及時安排線下工作人員進行故障排查和維修，將可能發(fā)生的故障遏制在萌芽狀態(tài)。系統(tǒng)實現(xiàn)從前端采集到后端監(jiān)控再到線下維護的閉環(huán)，提升建筑供電系統(tǒng)的安全監(jiān)測能力，降低故障和不良后果發(fā)生的幾率。

一、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由智能采集終端、有線/無線傳輸模塊、智能分析平臺組成。其中采集終端跟各傳感器相連，提供供電、觸發(fā)信號等，并匯集傳感器采集的數(shù)據(jù)；傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的傳輸；系統(tǒng)支持有線、無線網(wǎng)絡，能夠提供無線網(wǎng)絡信號不佳、網(wǎng)線鋪設困難等不同場景下的數(shù)據(jù)傳輸能力；供電系統(tǒng)安全監(jiān)測管理平臺則是整個系統(tǒng)的大腦，通過閾值報警和智能分析預警相結(jié)合，實現(xiàn)從單純的信號采集到實現(xiàn)建筑供電回路安全監(jiān)測管理的邏輯轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、應用層三部分，這三部分之間緊密聯(lián)系，又互相解耦。

二、系統(tǒng)功能

（一）電氣回路安全狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集

系統(tǒng)前端基于ARM芯片構(gòu)建一套數(shù)據(jù)采集裝置。采集裝置能夠有效連接溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、剩余電流傳感器，采集電路回路系統(tǒng)中的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。

（二）安全狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能

系統(tǒng)提供基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力。傳輸模塊將采集到的順序數(shù)據(jù)打包成協(xié)議約定的傳輸格式，并將數(shù)據(jù)傳輸至指定的服務器端。

（三）后臺數(shù)據(jù)可視化功能

系統(tǒng)web端讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并在前端頁面進行展示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化功能，主要包括實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢、數(shù)據(jù)的各類圖表顯示等。

（四）智能數(shù)據(jù)分析功能

后端除了能夠?qū)崿F(xiàn)基于閾值的報警功能外，還能根據(jù)特征數(shù)據(jù)實現(xiàn)異常點的故障預警。系統(tǒng)采用智能分析算法，綜合系統(tǒng)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)離群點的檢測，對可能發(fā)生的異常數(shù)據(jù)進行報警。

三、前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊的設計

前端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能。模塊以ARM芯片為核心構(gòu)建。包括MCU、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊、通信模塊等，另附狀態(tài)監(jiān)測燈、聲光報警裝置等。

（一）MCU

終端設計采用的STM32F103RCT6是意法半導體推出的STM32系列MCU，具有DAC和ADC通道，可滿足電氣回路安全監(jiān)測對于三相電壓、三相電流、剩余電流、溫度的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆⑶岸寺暪鈭缶男枨?、設備互聯(lián)的需求。

（二）數(shù)據(jù)預處理模塊

數(shù)據(jù)預處理主要通過預處理芯片實現(xiàn)。預處理芯片能夠?qū)﹄娏麟妷耗M信號進行數(shù)字化，輸出系統(tǒng)需要的相關參數(shù)。

要實現(xiàn)三路電壓和電流的監(jiān)測，至少需要6路ADC輸入接口，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)傳輸至MCU相應的SPI接口。

剩余電流的監(jiān)測可以采用單相計量芯片，負責對剩余電流信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同樣將數(shù)據(jù)傳輸至MCU相應的SPI接口。

（三）數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要實現(xiàn)兩部分功能，一部分功能是網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)采集后數(shù)據(jù)向后端平臺的傳輸，另一部分功能是設備互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)前端不同節(jié)點的設備互聯(lián)。

前端的網(wǎng)絡通信支持有線網(wǎng)絡和4G無線通信。通過有線和無線結(jié)合的傳輸方式，實現(xiàn)前端的靈活部署，降低部署成本。

設備互聯(lián)則可以有效解決建筑內(nèi)部網(wǎng)絡信號差的區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸問題。信號差區(qū)域的設備可以級聯(lián)到附近的傳輸節(jié)點，不必全部都直接與后端連接，大大降低了設備的安裝難度。

（四）聲光報警模塊

MCU通過SPIO接口連接狀態(tài)燈、報警燈和喇叭。狀態(tài)燈主要顯示前端設備的工作狀態(tài)；在前端接收到的相電流、相電壓、剩余電流超出閾值規(guī)定的范圍時，報警燈和喇叭在沒有后端支撐的情況下可以實現(xiàn)快速報警，提醒現(xiàn)場工作人員。

四、后端智能監(jiān)測分析系統(tǒng)的設計

后端除具備基本的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)圖表化展示和閾值報警外，還具備智能分析功能。系統(tǒng)以三相電壓、三相電流、剩余電流和溫度為特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建特征向量，采用K-means算法進行離群點的檢測。

后端平臺會按照一定周期對數(shù)據(jù)進行分析，輸出分析結(jié)果，并在平臺上進行展示。系統(tǒng)將根據(jù)K-means算法的輸出結(jié)果，劃分正常和異常數(shù)據(jù)。如果異常數(shù)據(jù)超出一定數(shù)量，則認為監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，觸發(fā)系統(tǒng)預警，并通過平臺向使用者發(fā)出預警提示。使用者接收到預警信息后，對前端的供電回路進行檢修維護，若下一個周期內(nèi)離群點數(shù)量恢復到正常狀態(tài)，則解除預警，由此完成系統(tǒng)的閉環(huán)。

五、結(jié)語

本文詳細介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的一套建筑電氣回路安全智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)前端基于ARM芯片構(gòu)建前端采集系統(tǒng)和通信傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對電氣回路基本狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖撕?，一方面實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)顯示和異常報警，另一方面采用K-means聚類算法實現(xiàn)對離群點的檢測，通過離群點出現(xiàn)的數(shù)量判斷是否發(fā)生預警，并及時反饋給現(xiàn)場工作人員，實現(xiàn)流程閉環(huán)。

該系統(tǒng)能夠滿足建筑供電回路安全監(jiān)測的使用需求，具有一定的應用價值。下一步，將進一步提高系統(tǒng)智能分析能力，改進和更新算法，加強實驗和驗證，提升預警的準確性。

文章來源：  《產(chǎn)品可靠性報告》   http://12-baidu.cn/w/kj/32519.html