基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)實施

摘 要：智能電力監(jiān)控系統(tǒng)（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）的構(gòu)成部分比較多，其中之一即為智能電力設(shè)施輔助監(jiān)控系統(tǒng)。從智能電力監(jiān)控系統(tǒng)（基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）現(xiàn)實需要入手，進(jìn)行了智能電力設(shè)施輔助監(jiān)控系統(tǒng)（基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）構(gòu)建，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引進(jìn)并應(yīng)用于該系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的感知終端設(shè)備（數(shù)量龐大）完成各種各樣的數(shù)據(jù)采集，再利用網(wǎng)絡(luò)向上層應(yīng)用發(fā)送，智能化管理、分析及電力設(shè)施智能化水平提升目標(biāo)就此逐一實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);機(jī)器視覺;智能監(jiān)控

物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)上屬于互聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)的延伸、拓展，其主要通過智能設(shè)備與感知技術(shù)識別物理世界，以網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)為基礎(chǔ)展開知識挖掘與處理、計算，就此達(dá)成物與物、物與人之間的無縫鏈接與信息交流的目標(biāo)，以此在科學(xué)決策基礎(chǔ)上精確管理、實時控制物理世界[1]。清潔能源需求增大、高效安全的電力供應(yīng)增長持續(xù)凸顯了可持續(xù)發(fā)展方面存在的問題，進(jìn)一步加劇了能源短缺現(xiàn)象，從世界電力發(fā)展趨勢來看，智能電網(wǎng)的核心地位已成事實。中國國家電網(wǎng)公司業(yè)已明確了智能電網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)，即互動化、自動化、信息化，意在一體化電力領(lǐng)域內(nèi)的業(yè)務(wù)流、信息流、電力流[2]。

信息技術(shù)迅猛發(fā)展提下的自動化電力系統(tǒng)主要是指基于電網(wǎng)運(yùn)行信息收集、處理目標(biāo)實現(xiàn)的系統(tǒng)?；诩夹g(shù)應(yīng)用的研究結(jié)果證實，只有全面展開自動化電力系統(tǒng)研發(fā)，從技術(shù)角度支持電力發(fā)展，才能將通信技術(shù)與電腦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)同工作目標(biāo)順利實施[3]。從現(xiàn)實需求分析，只有基于能源節(jié)約視角優(yōu)化、強(qiáng)化資源配置，才能有效契合現(xiàn)代中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。而只有自源頭節(jié)約、利用電能，從而將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)工作模式全面顛覆，才能實現(xiàn)這一目標(biāo)，促進(jìn)國內(nèi)電力系統(tǒng)競爭力提升，強(qiáng)化其行業(yè)發(fā)展的可持性。

系統(tǒng)保護(hù)也極為關(guān)鍵，而高壓運(yùn)行系統(tǒng)即為系統(tǒng)保護(hù)的主要目標(biāo)，有效保護(hù)電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電過程，將現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以全面利用，能進(jìn)一步滿足現(xiàn)代公眾的生產(chǎn)與生活需要，創(chuàng)造出更多便利性，這是因為一旦將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面引進(jìn)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，智能電網(wǎng)中的諸多現(xiàn)實制約即會迎刃而解，顯著提升其運(yùn)行可靠性與安全性，持續(xù)加快國內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展的效率、質(zhì)量與速度。

一、智能電力監(jiān)控系統(tǒng)

1.1智能電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

以向前推動，從而使氣體鉆井速度大大提高，以內(nèi)部技術(shù)框架為標(biāo)準(zhǔn)可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)劃分為三種不同的層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層通過一系列終端設(shè)備以及基站等基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集工作，感知層在整體結(jié)構(gòu)上處于物聯(lián)網(wǎng)體系的最下層，是幫助物聯(lián)網(wǎng)展開全面感知必不可少的重要組成部分;網(wǎng)絡(luò)層是基于互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)局域網(wǎng)等多項網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時準(zhǔn)確的傳輸，它的存在使物聯(lián)網(wǎng)的可靠性在原有基礎(chǔ)之上大大提升;應(yīng)用層的作用在于采用科學(xué)智能的方式方法處理相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)客戶的實際需求進(jìn)而設(shè)計出與之對應(yīng)的個性化服務(wù)。

感知層的主要構(gòu)成有獲取實時溫度的智能傳感器以及搭建在基站上的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、煙霧傳感器等多項采集設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)層充分借助工業(yè)以太網(wǎng)的強(qiáng)大功能進(jìn)而將采集到的重要數(shù)據(jù)及時傳輸給上一層并加以應(yīng)用。應(yīng)用層將下層傳輸來的數(shù)據(jù)加以整理并歸入數(shù)據(jù)庫中，同時對其展開智能分析，此外應(yīng)用層還可以實具有查詢早期的原始數(shù)據(jù)以及對相關(guān)漏洞進(jìn)行檢修的功能。

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)以先進(jìn)科學(xué)且應(yīng)用較為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為研究基礎(chǔ)，同時經(jīng)過充分考量進(jìn)而選擇以安防監(jiān)控以及智能檢修模塊為切入點展開深入細(xì)致的調(diào)研。由于感知層上所搭載的多項采集設(shè)備在接入方式上差異不大，因此將設(shè)備的實時熱點溫度監(jiān)控放在研究的重要位置上。

在電力設(shè)施中，過度承載以及無法及時散熱等多種因素都可能導(dǎo)致電纜接頭、閘刀觸點等較為重要的結(jié)點連接處發(fā)生損壞，進(jìn)而造成設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，將科學(xué)合理的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)巧妙地融入智能檢修系統(tǒng)中可以大大提升監(jiān)控和預(yù)警功能的實際效果，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障并對其進(jìn)行檢修處理。因為電力設(shè)備中的很多重要點位處于電壓較高并且電磁干擾持續(xù)不斷的危險環(huán)境中，以往所運(yùn)用的溫度監(jiān)控手段已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的實際需要。同時熱點的數(shù)量較多且價格需要控制在合理的范圍內(nèi)。因此，在挑選最為合適的溫度監(jiān)控方式時需要綜合考量電壓以及設(shè)備的具體價格等多種因素。目前，國際上對于電力設(shè)備的一些重要點位的實時溫度監(jiān)控研究大多集中于現(xiàn)實中的溫度測量手段。

1.2智能電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)涉及監(jiān)控端節(jié)點較多，在端節(jié)點中的傳感器節(jié)點的具體組成主要有前期的數(shù)據(jù)采集單元、對采集數(shù)據(jù)加以傳輸?shù)膯卧约敖K端的數(shù)據(jù)處理單元和電源。采集單元的作用在于廣泛采集自身所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，處理單元實際上充當(dāng)?shù)氖菙?shù)據(jù)儲存站的角色，傳輸單元則是運(yùn)用無線傳輸模式在多個節(jié)點之間傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，電源負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)中的電量供應(yīng)。

本文設(shè)計中，無線溫度傳感器節(jié)點處于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的底端，其主要作用在于采集重要的數(shù)據(jù)信息并及時將其發(fā)送出去，由溫度傳感器和匯聚節(jié)點共同組成。溫度傳感器則充分發(fā)揮采集實時溫度數(shù)據(jù)的重要功能，匯聚節(jié)點則起到實際控制溫度傳感器運(yùn)行以及無線收發(fā)來自相關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)的作用。溫度傳感器、單片機(jī)和無線收發(fā)模塊是端節(jié)點的基本組成單元。

首先中轉(zhuǎn)節(jié)點接收端節(jié)點圖片發(fā)送請求，如果端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是真正有效圖片數(shù)據(jù)而不是干擾信號，那么中轉(zhuǎn)節(jié)點收到端節(jié)點發(fā)送過來的信息時會自動將圖片存入中轉(zhuǎn)節(jié)點的存儲介質(zhì)中，并且在中轉(zhuǎn)節(jié)點硬件平臺上對圖片進(jìn)行壓縮，所采用的算法是小波變換壓縮算法，然后管理系統(tǒng)服務(wù)器成功建立套接字Socket通信并把處理后的圖片經(jīng)4G無線網(wǎng)傳至管理系統(tǒng)服務(wù)器端，與此同時，通知指定用戶獲取圖片。

管理系統(tǒng)服務(wù)器端在接收到圖片后，將其保存，然后自發(fā)解壓文件以得到正常格式的圖片，只要監(jiān)控人員想要在頁面中間顯示圖片，他們直接點擊獲取圖片按鈕，就可瀏覽圖片。而且管理系統(tǒng)服務(wù)器端還可以進(jìn)行“遠(yuǎn)程拍照”，在接收到套字之后，就可以點擊按鈕，向端節(jié)點發(fā)出拍照的要求，然后再重復(fù)節(jié)點拍照的流程即可。管理系統(tǒng)服務(wù)器端若想撤銷套接字鏈接的監(jiān)聽，至只需要通過按“終止監(jiān)聽按鈕”，端節(jié)點就會自己關(guān)閉監(jiān)控系統(tǒng)。

二、智能電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1功能需求

該電力設(shè)施智能系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)思，目的在于確保電力監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時不斷降低經(jīng)濟(jì)成本支出，并使其安全性在原有基礎(chǔ)之上顯著提升。在設(shè)計目的基本確立后展開需求分析。硬件、后臺監(jiān)控及預(yù)警平臺功能主要包括五個部分：實時數(shù)據(jù)采集：采用串口通訊模式來廣泛收集傳感節(jié)點的實時溫度信息;實時數(shù)據(jù)顯示：可對設(shè)備中一切傳感節(jié)點的實時溫度信息進(jìn)行準(zhǔn)確的顯示;數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：查詢早期的溫度傳感節(jié)點的歷史溫度數(shù)據(jù)并對其展開分析;平臺資源管理：對傳感節(jié)點中反映出的信息以及傳輸?shù)交局行畔⒓右怨芾?預(yù)測預(yù)警信息：無線溫度傳感節(jié)點短期溫度預(yù)測值及預(yù)警信息的顯示。

2.2性能需求

以硬件、軟件的具體性能為切入點展開分析，系統(tǒng)投入使用的時間越長，其內(nèi)部所包含的信息和用戶量也會在原有基礎(chǔ)之上不斷增加，這時我們一定要保證系統(tǒng)在接收到用戶發(fā)出的請求后能夠及時準(zhǔn)確的做出反應(yīng)。

2.3擴(kuò)展需求

以擴(kuò)展性角度為切入點展開深入分析，由于智能電力監(jiān)控系統(tǒng)仍處于初步構(gòu)建以及不斷補(bǔ)充完善的階段，因此在系統(tǒng)設(shè)計階段必須充分考量多變因素，確保系統(tǒng)在信息變化的情況下仍可以穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)業(yè)務(wù)擴(kuò)充時，系統(tǒng)在進(jìn)行擴(kuò)展的過程中也不能改變原有的基本架構(gòu)，同時與上層應(yīng)用進(jìn)行及時準(zhǔn)確的銜接。

2.4運(yùn)行需求

以運(yùn)行角度為切入點展開分析，良好的跨平臺性也是系統(tǒng)不可或缺的獨(dú)特優(yōu)所在，在不改變代碼的情況下將其轉(zhuǎn)移到相關(guān)系統(tǒng)平臺。

2.5安全需求

以安全需求為切入點展開充分的考量，該系統(tǒng)借助互聯(lián)網(wǎng)的支持可以保證用戶實時瀏覽和訪問，因此系統(tǒng)安全性的提升不容忽視?？梢酝ㄟ^設(shè)置相關(guān)權(quán)限同時完善信息加密傳輸來提升系統(tǒng)安全性。

三、智能電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點硬件設(shè)計

通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的分析，對其終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點的重要組成模塊進(jìn)行分解，分別是：（1）射頻模塊;（2）繼電器模塊;（3）主控模塊 CC2530;（4）DS18B20溫度及電流傳感器模塊。在分析電氣故障過程中，通常表現(xiàn)為設(shè)備氣流增大和溫度升高兩種現(xiàn)象。因此，在檢測環(huán)節(jié)應(yīng)針對故障的具體表現(xiàn)進(jìn)行檢測，具體檢測流程包括：信號采集（溫度和電流傳感器模塊）——數(shù)據(jù)傳遞（ZigBee 組網(wǎng)）——數(shù)據(jù)包處理及上傳（主控模塊 CC2530）。當(dāng)節(jié)點控制器獲得指令時，繼電器模塊的工作是負(fù)責(zé)整個設(shè)備高壓真空開關(guān)的操作，而射頻模塊作為自帶模塊，設(shè)備需要通過此模塊完成 ZigBee組網(wǎng)，最后是電源模塊。

為了確保斷電環(huán)境下數(shù)據(jù)的自動保存，在 DS18B20 傳感器系統(tǒng) EEPROM 的幫助下保證數(shù)據(jù)安全，同時也能及時供應(yīng)智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對于信號采集的需求，是采集溫度的重要手段，這也是該傳感器最主要的優(yōu)勢。

3.2 4G與ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)傳遞技術(shù)在我國應(yīng)用十分廣泛，目前大部分公司都會選擇 4G和ZigBee組網(wǎng)兩種模式，這兩種模式在個個方面都有著突出的優(yōu)點。首先ZigBee網(wǎng)絡(luò)速度特別快，在短短幾秒內(nèi)就可以傳輸出大批數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)大范圍組網(wǎng)。其次，4G的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距傳輸數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)質(zhì)量不會隨距離的增加而發(fā)生變化，這項技術(shù)對于偏遠(yuǎn)地區(qū)人民有著劃時代的作用。

首先要克服的難題是：如何將采集回來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析和重塑。對數(shù)據(jù)進(jìn)行包封裝、解析、重新包封裝是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾鞒?。只有?jīng)過三重歷練的數(shù)據(jù)才是有效的，才可以被傳輸?shù)礁骷腋鲬?。在這種模型下我們需要用到的技術(shù)有以下幾種：第一ME3760網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片，第二S3C2240A微處理器，第三CC2530芯片。

3.3 4G與ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點微處理器模塊

目前兩種技術(shù)在性能上存在較大差異。首先4G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)幀不同。針對這種現(xiàn)象，處理辦法是：將兩大系統(tǒng)處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)可以使用。第二兩種技術(shù)成本不同，為了擴(kuò)大技術(shù)的覆蓋面積，下面將采用S3C2240A微處理器作為網(wǎng)關(guān)處理器。

S3C2240A基本符合這一特征，它擁有強(qiáng)大的16/32位RISC微處理器，核心技術(shù)為ARM9芯片。這種芯片目前在國內(nèi)很流行，其先進(jìn)性表現(xiàn)在以下幾個方面：第一緩沖速度頂尖;第二核心技術(shù)為Harvard、MMU、AMBA;第三主板設(shè)備齊全。S3C2240A以兩個分開的16KB集合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.4 4G模塊硬件電路設(shè)計

4G模塊在進(jìn)行選擇時應(yīng)用ME3760模塊，這與其入網(wǎng)速度快、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可以實現(xiàn)LTE數(shù)據(jù)的高性能傳輸和雙模多頻、對數(shù)據(jù)和IP協(xié)議棧、分集天線接口和高速USB2.0接口數(shù)據(jù)的傳輸?shù)闹С值葍?yōu)良性能有著直接關(guān)系。此次的接口設(shè)計依舊采用USB接口，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交換可以使ME3760無線傳輸模塊和S3C2240A芯片相連。

ME3760模塊在系統(tǒng)中啟動時存在以下幾種信號：電源復(fù)位信號、USB信號、SIMCard信號和喚醒信號是ME3760模塊系統(tǒng)在啟動時的主要信號，另外在該模塊中有的也可以不使用引腳，例如模塊復(fù)位控制、模塊喚醒以及模塊開關(guān)機(jī)信號等，因為它們在頻率較低的時候也可以發(fā)揮作用。該模塊的電源組信號線由VDD3.3V電源進(jìn)行供電，其地信號組直接接地即可。

3.5 USB接口模塊硬件電路設(shè)計

USB接口是連接網(wǎng)關(guān)微處理器和ME3760的中間橋梁，其中在微處理器中有兩個控制器，一個是USB主機(jī)控制器，另一個是一路期間控制器。在一個主機(jī)上進(jìn)行USB接口的拓展，可以解決在接下來添加新的模塊功能以及預(yù)防USB接口不夠用，在完成這一步之后再選擇一個USB接口用于連接4G模塊和S3C2440A芯片。系統(tǒng)使用的USB集線器控制器芯片是AU6256，它能夠?qū)⒔涌谶M(jìn)行轉(zhuǎn)換，最多可以轉(zhuǎn)換成四個。該芯片的供電電源為3.3V，任何擴(kuò)展腳都能實現(xiàn)微處理器和ME3760模塊的連接，網(wǎng)關(guān)芯片的USB設(shè)備的引腳PDNO與AU6256芯片中的USB-DM相連，PDPO與USB-DP相連。GPC5控制著S3C2440A中USB接口的D+，在設(shè)備的電頻過高時，它就會利用電阻上拉，與+5V電壓相連，啟動設(shè)備;相反，如果電平較低時就會將電阻下拉，與GDN相連，設(shè)備停止運(yùn)作。

四、智能電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究為監(jiān)控界面設(shè)計了用戶登錄環(huán)節(jié)，合理分配了完整性和使用權(quán)利，并且需要預(yù)先設(shè)定用戶名和密碼。程序從主函數(shù)入口進(jìn)去，開始初始化，使 1、2、3、5 這幾個按鈕都不可用，然后再將 login 類實例化，實例化后就開始創(chuàng)建登錄框架，并且將其居中顯示，接下來就是等待按鍵按下，一共有三種按下情況，登錄、關(guān)閉和取消按鈕，如果登錄鍵按下，那么就需要確認(rèn)登錄名和密碼是否匹配，如果匹配，就開始運(yùn)行開始工作的程序;如果不匹配，回到上一層，繼續(xù)重復(fù)工作，直到用戶名和密碼匹配為止，當(dāng)工作主程序開始啟動后，緊接著開始創(chuàng)建主框架，并且也要居中顯示，然后判斷開始監(jiān)聽按鈕是否按下，如果按下，繼續(xù)工作;如果沒按下，返回上一層循環(huán)工作，直到確定按鈕按下為止，按下后就接著執(zhí)行新的程序，此時按鈕全部可用，然后程序結(jié)束。再回到判斷關(guān)閉按鈕是否按下，如果按下，整個程序就結(jié)束終止工作;如果沒有，那么就前往取消按鈕再進(jìn)行判斷，如果取消按鍵沒被按下，則返回判斷按鈕是否按下的工作層繼續(xù)工作，如果按鈕按下，則結(jié)束程序。

五、結(jié)語

研究機(jī)器視覺的發(fā)展及現(xiàn)狀，針對電力監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求，對物體檢測的方法技術(shù)進(jìn)行了梳理和總結(jié)。闡述將智能電力監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計模式，并具體從硬件、軟件方面做了詳細(xì)介紹。

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作者簡介：程軍強(qiáng)（1978-），男，漢族，河南信陽人，工程師，碩士，研究方向：系統(tǒng)集成與電子智能化。