科技館展品智能中控系統(tǒng)的設(shè)計

劉衛(wèi)莊，方 猛，劉成偉，黃洪明

（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，提高國民的科學(xué)文化素質(zhì)已是擺在各級政府面前的大事，在此背景下，科技館的建設(shè)工作得到全面展開?？萍及l(fā)展迅速，在生活的各個方面都可以發(fā)現(xiàn)開始利用高科技產(chǎn)品更便捷的表達想法。比如科技館、博物館等開始利用智能中控系統(tǒng)來協(xié)助工作，當(dāng)今中控系統(tǒng)也層出不窮、各種各樣。設(shè)計一種優(yōu)化管理、節(jié)約成本、功能集成、技術(shù)水平高的智能中控系統(tǒng)。智能中控系統(tǒng)主要由通用控制單元系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、終端控制器，強電控制器五部分組成。

1 智能中控系統(tǒng)的設(shè)計方案

展廳中控系統(tǒng)綜合多媒體軟件技術(shù)、STM32-ARM 嵌入式單片機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電力監(jiān)測技術(shù)，是一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。中控系統(tǒng)具體是對展廳展項進行集中控制，包括對展品自動、手動開機，展品狀態(tài)監(jiān)測、報警、處理以及客流統(tǒng)計和大數(shù)據(jù)記錄。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

中控系統(tǒng)控制具備以下功能：

（1）一鍵開關(guān)機：通過平板電腦或中控計算機上的操作按鈕，可一鍵控制展品分區(qū)域依次自動供電、斷電，并自動開關(guān)機，同時實現(xiàn)對電腦和投影機的一鍵開關(guān)機。

圖1 中控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

（2）指定區(qū)域或指定展品開關(guān)機：根據(jù)需要可通過平板電腦或中控計算機單獨控制某區(qū)域或任意一鍵展品的自動開、關(guān)機。

（3）應(yīng)急開關(guān)機：系統(tǒng)故障時，管理員通過手動模式控制展品開關(guān)機管理。

（4）監(jiān)測展品開關(guān)機狀態(tài)，并在平板電腦及中控計算機上實時顯示。

（5）展品出現(xiàn)異常自動報警提示，預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)故障，并為展品維護維修提供數(shù)據(jù)支持，單獨顯示界面，正常的展品顯示綠色，有故障的顯示紅色。

（6）展品故障處理：可通過無線終端發(fā)送展品報警信息給操作人員的同時，給出處理選擇，操作人員根據(jù)實際情況選擇處理方式。（報警信息含有處理報警的建議）。

（7）管理展區(qū)及數(shù)據(jù)庫：增加或者去除展區(qū)及下屬展項，調(diào)整名稱及相關(guān)配置。

（8）管理展品：通過中控計算機或手持客戶端增加或者去除展項，調(diào)整名稱及相關(guān)配置。

（9）展品維護時，選擇維修選項，該展品處于鎖死狀態(tài)，優(yōu)先級高于展品的開關(guān)機。

（10）大數(shù)據(jù)記錄信息：對一些需要記錄體驗者信息且信息具有延續(xù)性的展品，由中控服務(wù)器記錄存儲。

（11）客流統(tǒng)計分析：通過人流分析系統(tǒng)得出熱力圖、受歡迎展項列表。并能夠?qū)?shù)據(jù)進行長期存儲及統(tǒng)計分析。

（12）可以實現(xiàn)自定義時間、條件自動開關(guān)機。

2 智能中控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

一個完善可行的中控系統(tǒng)需具備控制器的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、模塊化、可配置、可重構(gòu)、可實現(xiàn)全館總體控制與展廳單獨控制。需要中控系統(tǒng)能實現(xiàn)整館展品控制及信息匯總，制定標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，各展廳控制系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開發(fā)通信接口可接入總控系統(tǒng)。總控系統(tǒng)通過與展廳中控系統(tǒng)通信，實現(xiàn)各展廳展品狀態(tài)監(jiān)測、控制展品開關(guān)機、通斷電等全部控制功能，備份各展廳數(shù)據(jù)，預(yù)留接口，添加新改造展廳的展廳控制系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)對展廳的控制延遲≤5 s。

2.1 一種適用科技館展項的通用控制單元系統(tǒng)

現(xiàn)有科技館展項廠家眾多，展項眾多，控制規(guī)模龐大，接口協(xié)議種類多，非標(biāo)多且大相徑庭。

針對上述難點和需求，結(jié)合多年的展品制作經(jīng)驗設(shè)計一種能基本適用科技館展品的通用控制單元系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于擴展、CPU 處理速度快（32 位寄存器）、可靠性強、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，最重要的是與展廳的中控系統(tǒng)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（Modbus RTU），便于展項乃至展廳升級和數(shù)據(jù)擴容服務(wù)?？刂茊卧Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

控制單元作為展項控制系統(tǒng)的核心，具有很強的擴展功能，結(jié)合設(shè)計的擴展模塊可以靈活的組裝搭配，根據(jù)展項的實際功能擴展其相應(yīng)功能需求。該控制單元核心具備多串口、藍牙、無線等數(shù)據(jù)通信功能。

圖2 控制單元結(jié)構(gòu)

（1）串口功能：串口1 可以和計算機投影機設(shè)備數(shù)據(jù)通信，串口2 可以和UPS 設(shè)備通信，串口3（RS485）可以和終端設(shè)備通信，展項數(shù)據(jù)可上傳中控系統(tǒng)。

（2）藍牙功能：通過藍牙模塊CPU 可以和手機、PAD 等數(shù)據(jù)交互。

（3）無線功能：通過無線數(shù)據(jù)模塊CPU 可以和外接子設(shè)備數(shù)據(jù)交互，對有些不便于布線的設(shè)備可以數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。

（4）LED 顯示功能：LED 顯示模塊可以顯示CPU 的運行情況以及設(shè)置參數(shù)。

（5）輸入功能（X0～X7；X8～X15）：控制單元的輸入接口可根據(jù)展項的輸入設(shè)備的數(shù)量進行配置，選擇相應(yīng)的輸入擴展模塊，這樣可以節(jié)約資源節(jié)省成本。

（6）輸出功能（Y0～Y7；Y8～Y15）：控制單元的輸出接口可根據(jù)展項的控制設(shè)備進行配置，根據(jù)設(shè)備的電壓、電流配置，選擇相應(yīng)輸出控制模塊或相應(yīng)的驅(qū)動設(shè)備。這樣可以節(jié)約資源節(jié)省成本，便于維護和保養(yǎng)。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服電機、步進電機、LED 數(shù)碼串行顯示、語音控制等擴展功能。

2.2 中控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

總控室作為統(tǒng)管展廳設(shè)備系統(tǒng)的核心，具有最高的管理權(quán)限。中控器通過主控電腦連接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)起到橋梁作用。根據(jù)展廳實際布局設(shè)計網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具備交換機、AP、AC 控制器等設(shè)備。實現(xiàn)全展廳覆蓋千兆有線及2.4 G 和5 G 無線網(wǎng)絡(luò)，展廳所有內(nèi)置圖形工作站和工控機的可聯(lián)網(wǎng)展品使用TCP/IP 協(xié)議形成局域網(wǎng)。所有展品與中控室的通信原則上使用無線網(wǎng)絡(luò)，只有無線網(wǎng)絡(luò)無法滿足需求時使用有線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)。

軟件系統(tǒng)的運行服務(wù)器采用高端的機架式服務(wù)器，要求性能高、存儲空間大，模塊組合、增強的散熱系統(tǒng)，可以滿足整個系統(tǒng)監(jiān)控軟件的穩(wěn)定高速運行，同時搭配UPS 保證斷電時的數(shù)據(jù)安全。中控網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖3 所示。

圖3 中控網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.3 中控軟件系統(tǒng)

中控軟件系統(tǒng)采用編程語言python 開發(fā)，后端開發(fā)框架使用的Django，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server，前端開發(fā)框架使用的是基于METRONIC 的Bootstrap 開發(fā)框架，配合Highcharts 提供前端圖表顯示。使用Ajax 做前后端通信技術(shù)，數(shù)據(jù)格式遵循JSON格式。軟件系統(tǒng)流程如圖4 所示。

Pad 客戶端：安裝在Pad 上，提供一鍵開關(guān)機，手動開關(guān)機，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)功能。中控系統(tǒng)管理平臺：在PC 上展示供管理人員使用，提供一鍵開關(guān)機，手動開關(guān)機，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等功能。中控系統(tǒng)接口端統(tǒng)一接入平臺：為系統(tǒng)中樞，提供各個外圍接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和業(yè)務(wù)處理功能。

圖4 中控系統(tǒng)軟件流程

2.4 終端控制器

中控系統(tǒng)與連接展品的終端控制器通過標(biāo)準(zhǔn)接口，獲得展品的運行狀態(tài)、開關(guān)機狀態(tài)、通斷電狀態(tài)以及故障等信息，向展品發(fā)送開關(guān)機，通斷電等指令。終端控制器控制流程如圖5所示。

圖5 終端控制器控制流程

展項中每個用電展項和需要控制的設(shè)備都接有線或無線終端控制盒，它具有WiFi 連接功能，能夠連接展廳的交換機或無線AP 進行通信，具有接收發(fā)送中控系統(tǒng)命令、展品狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警等功能，通過內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)展品開機和關(guān)機控制?？蓪崿F(xiàn)基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警[4]?？刂坪械闹饕δ苡校孩倏刂普蛊冯娫赐〝?；②控制展品內(nèi)的計算機、投影機等設(shè)備統(tǒng)一開機、延時關(guān)機功能（計算機需保存數(shù)據(jù)正常關(guān)機、投影機需關(guān)機后保持通電一段時間以便散熱）；③支持多種通信模塊用于計算機等智能設(shè)備通信；④具有WiFi 模塊及加強天線能夠穩(wěn)定接入中控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)；⑤具有應(yīng)急按鈕，以便維修或維護時能脫離中控系統(tǒng)，獨立啟動或關(guān)閉；⑥具有顯示模塊能直觀顯示展品運行狀態(tài)及故障信息；⑦控制終端的尺寸盡量小型化，長度≤250 mm、寬度≤160 mm、高度≤100 mm。

2.5 強電控制器

強電配電房內(nèi)需要對電控箱進行剩余電流、線纜溫度、故障電弧的實時監(jiān)測及報警，對展區(qū)效果燈進行區(qū)域化控制和方案預(yù)存功能。技術(shù)上采用有線控制模塊來實現(xiàn)，需要配置專用設(shè)備。專用設(shè)備明細見表1。

2.5.1 剩余電流、溫度監(jiān)測

PMC-350-F 安裝在配電箱中既可作為電氣火災(zāi)探測器用于對剩余電流、溫度及相電流的監(jiān)控、預(yù)警、報警與保護，消除電氣火災(zāi)隱患，又能對三相全電量進行測量，實現(xiàn)遙測、遙信和遙控等功能。

2.5.2 故障電弧監(jiān)測

MC-T411 故障電弧探測器按照GB 14287.4—2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)第4 部分：故障電弧探測器》設(shè)計，可對電氣線路中容易引起火災(zāi)發(fā)生的串聯(lián)和并聯(lián)故障電弧進行有效的監(jiān)測和報警，本地發(fā)出聲光報警并將報警信息上傳給監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控設(shè)備，及時通知運維人員排除故障，避免因絕緣不良、線路老化、接觸不良、連接松動等火災(zāi)隱患產(chǎn)生的故障電弧引燃易燃物而造成火災(zāi)發(fā)生。PMC-T411 故障電弧探測器彌補了現(xiàn)有低壓電氣設(shè)備如斷路器以及電氣火災(zāi)監(jiān)控中剩余電流、溫度監(jiān)測與報警的不足。

表1 配置專用設(shè)備明細

3 結(jié)束語

中控是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要各展項公司配合才能做得更好。每個展項需做到展項各設(shè)備的開關(guān)機和狀態(tài)反饋、各設(shè)備的故障報修代碼統(tǒng)計、展項操作的頻次統(tǒng)計等功能。采用統(tǒng)一的RS485 接口和標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，設(shè)計通信協(xié)議可采用標(biāo)準(zhǔn)的MOUBUS-RTU 協(xié)議。中控系統(tǒng)還需做到容易擴展的功能，比如添加相應(yīng)的控制終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即可對展品實現(xiàn)控制，其中強電控制室也可進行方便的控制和擴展。如：從一樓擴展到二樓、三樓、四樓。