物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力隧道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹舉文

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅蘭州,730000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后的又一先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，其簡單來說是通過通信技術(shù)將真實(shí)的設(shè)施與虛擬的信息連通，從而分析解決，或者建立線上處理平臺(tái)，加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，提升解決速度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合許多虛擬技術(shù)，包括傳感器，服務(wù)器等，其是集成分析服務(wù)和多樣技術(shù)的融合產(chǎn)物[1]。由于其特殊性，被應(yīng)用于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)平臺(tái)。其中，應(yīng)用效果最好的是自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)指的是面臨各項(xiàng)指標(biāo)異常時(shí)，可以及時(shí)檢測(cè)并觸發(fā)報(bào)警，方便其進(jìn)行處理，避免災(zāi)難的發(fā)生。利用物聯(lián)網(wǎng)可以將預(yù)警系統(tǒng)中的傳感器靈敏度提高，平臺(tái)的處理效率也會(huì)隨之提高。因此需要設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 LM358運(yùn)算芯片

由于檢測(cè)器的信號(hào)輸出在微伏或毫伏級(jí)，信號(hào)很微弱，因此前端電路需設(shè)置為高增益低噪聲。高增益是獲得SV 周圍的電壓信號(hào)，低噪聲是獲得高于電壓信號(hào)的相對(duì)數(shù)值[2]。前端運(yùn)算芯片的運(yùn)算指數(shù)需要進(jìn)行額外的規(guī)劃，得到高信噪比的信號(hào)后，利用下一級(jí)放大電路進(jìn)一步放大，所以前置放大電路采用低偏置精度。在整個(gè)運(yùn)算過程中，選用LM358運(yùn)算芯片進(jìn)行初級(jí)規(guī)劃，有利于解決現(xiàn)階段的問題，使其避免受電源電壓和電壓的影響，可以達(dá)到適當(dāng)?shù)男旁氡取?/p>

1.2 PM611紅外傳感器

PM611是一種無源熱釋電紅外傳感器，探測(cè)距離只有2m左右，限制了應(yīng)用范圍。添加Finier鏡頭可以增加距離，擴(kuò)大視野；選擇合適的焦距安裝在探頭前面。環(huán)境溫度補(bǔ)償電路中的熱釋電探測(cè)器可以在沒有Finier透鏡的情況下使用[3]。當(dāng)光信號(hào)通過鏡頭和檢測(cè)器時(shí)，變成交變脈沖信號(hào)，但此時(shí)的脈沖信號(hào)非常微弱，需要進(jìn)行預(yù)處理后才可以進(jìn)行后續(xù)的傳輸。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集電力隧道預(yù)警數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采樣主要是通過熱釋電傳感器對(duì)測(cè)量對(duì)象的輻射信息和環(huán)境波長信息進(jìn)行采樣。傳感器有限的監(jiān)測(cè)范圍和硬件電路的延遲響應(yīng)要求MCU持續(xù)檢測(cè)信號(hào)。MCU第一次向轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送轉(zhuǎn)換信號(hào)后，開始對(duì)通道數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和管理。由于只有兩個(gè)信號(hào)，因此只需要利用第一個(gè)和第二個(gè)通道。如果有異常信息，會(huì)發(fā)送基于EOC的一個(gè)中斷信號(hào)；如果是高電平，則要求MCU中斷。響應(yīng)請(qǐng)求后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)換結(jié)果為MCU；開始下一次轉(zhuǎn)換，再執(zhí)行此循環(huán)。

信息采集過程中的熱釋電溫度測(cè)量必須經(jīng)過校準(zhǔn)才能更準(zhǔn)確。目標(biāo)物體的溫度通常使用標(biāo)準(zhǔn)黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，并使用待校準(zhǔn)的測(cè)溫系統(tǒng)來檢測(cè)表面溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其可以在黑體溫度和溫度測(cè)量系統(tǒng)輸出的電信號(hào)之間創(chuàng)建一條曲線并進(jìn)行校正。常見的測(cè)溫校準(zhǔn)方法有兩種[4]，其中一種是輻射法，另一種是熱電偶法。輻射法利用被測(cè)對(duì)象的輻射能與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量其溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)特殊場合，測(cè)溫范圍無上限。而熱電偶法測(cè)量精度高，不受中間介質(zhì)的影響，測(cè)量范圍廣，構(gòu)造簡單，使用方便。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)自動(dòng)預(yù)警監(jiān)控主界面

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)展方向應(yīng)強(qiáng)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的功能性和操作簡便性。主界面的開發(fā)主要包括窗口、菜單、工具欄、搜索欄等，可以實(shí)現(xiàn)信息的加載、保存、搜索和查詢。功能菜單代表一些成熟先進(jìn)的管理軟件的豐富界面，如SQL數(shù)據(jù)庫軟件、MATLAB軟件等，因此功能菜單可以實(shí)現(xiàn)圖形化窗口控制和程序操作控制，還可以實(shí)現(xiàn)編輯、顯示、插入、工具、輔助系統(tǒng)、專業(yè)模型等。

雖然工具欄只是知名軟件的常見應(yīng)用，但在開發(fā)專業(yè)軟件系統(tǒng)時(shí)，還是要考慮到設(shè)置工具欄的需要。它可以幫助系統(tǒng)提高對(duì)數(shù)據(jù)的打印、存儲(chǔ)和格式轉(zhuǎn)換的能力，還可以分析預(yù)警報(bào)告。為體現(xiàn)技術(shù)獨(dú)立性，預(yù)警模型參考模塊的設(shè)計(jì)引入專業(yè)知識(shí)，作為數(shù)據(jù)分析的參考或直接參與模型調(diào)用的計(jì)算。

數(shù)據(jù)管理接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的加載、維護(hù)、更新、查詢、輸出、用戶信息管理等功能。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理接口的基本要求，可在監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中設(shè)計(jì)6個(gè)模塊。首先在窗口中輸入監(jiān)控的基本信息和動(dòng)態(tài)變化值，或采用特定文件的特定格式的文件輸入，來提高本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互性能。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保存功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中重要信息的自動(dòng)糾錯(cuò)、備份和恢復(fù)。其次數(shù)據(jù)更新模塊可分為軟件程序更新和數(shù)據(jù)信息更新。

數(shù)據(jù)瀏覽功能允許用戶查看加載到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的所有信息，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備型號(hào)、數(shù)量和位置等監(jiān)測(cè)信息。數(shù)據(jù)輸出功能可以保存采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)或分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為EXCEL、WORD等通用文件格式，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的信息交換。讓管理員可以快速輕松地獲得分析結(jié)果，減少調(diào)整文件輸出格式的步驟，讓預(yù)警信息快速披露給管理員。

2.3 建立電力隧道自動(dòng)預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)建立電力隧道自動(dòng)預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)際上是將云端協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用到安全預(yù)警方向。其目的是引入一種新的計(jì)算模型來進(jìn)行云平臺(tái)架構(gòu)邊緣計(jì)算，從而完成部分邊緣層數(shù)據(jù)處理任務(wù)，減少上傳到云中心的數(shù)據(jù)量，降低云計(jì)算資源消耗。通過云側(cè)協(xié)同提高數(shù)據(jù)安全性能，減少系統(tǒng)消耗；合理分配延遲和系統(tǒng)資源，同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)，滿足預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和效率要求。設(shè)計(jì)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)

如圖1所示，終端層主要由傳感器和監(jiān)控設(shè)備組成，它可以檢測(cè)和收集數(shù)據(jù)信息并傳輸?shù)缴蠈?。終端層通常包含大量的監(jiān)控設(shè)備，可以將收集檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)源形式向上層傳輸。邊緣計(jì)算層主要由各種邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，廣泛分布在端點(diǎn)和云端之間。另外，不同的邊緣節(jié)點(diǎn)可以完成的內(nèi)容也有很大的不同點(diǎn)，它們的資源是動(dòng)態(tài)的。為完成相應(yīng)功能，邊緣計(jì)算層可以合理分配邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。云計(jì)算在基于云側(cè)協(xié)同的系統(tǒng)架構(gòu)中，是最強(qiáng)大、最重要的數(shù)據(jù)中心。一些在該層難以完成的分析處理任務(wù)仍需要在云端完成，云端可以合理分配邊緣計(jì)算層的功能和任務(wù)，兼顧資源分配。

2.4 實(shí)現(xiàn)電力隧道自動(dòng)預(yù)警

每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)傳輸站不僅可以采集數(shù)據(jù)，還可以接收來自相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并直接或間接地傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，即所有節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)狀拓?fù)?。中心?jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它不收集本地?cái)?shù)據(jù)，主要作為無線電接收器，接收整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給PC串行端口。通過中心節(jié)點(diǎn)的串口，系統(tǒng)還可以處理運(yùn)行在PC端的管理軟件無線報(bào)警參數(shù)的狀態(tài)。

一個(gè)系統(tǒng)的誤報(bào)率與紅外探測(cè)器的安裝位置和周圍環(huán)境有很大關(guān)系。紅外探測(cè)器通常安裝在比較高的地方，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響紅外報(bào)警的準(zhǔn)確性。另外，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸，終端節(jié)點(diǎn)必須連接SMA天線，利用路由節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行有效定位，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或無法找到設(shè)備等問題。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

監(jiān)測(cè)模塊小于30m時(shí)，符合探測(cè)距離，輸出溫度變化信號(hào)，在溫度變化異常時(shí)，設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警的聲音，同時(shí)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，而路由節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中采集紅外模塊信息，并向周圍的路由節(jié)點(diǎn)或者其他的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送警報(bào)，還可以把周圍的溫度情況實(shí)時(shí)地傳輸給管理中心。通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)按照預(yù)定的協(xié)議分別向管理平臺(tái)發(fā)送警報(bào)信息，并由管理平臺(tái)進(jìn)行處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

控制電力隧道中的溫度，安裝自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)溫度為40度。超過40度即觸發(fā)報(bào)警裝置，分別調(diào)試電力隧道中的溫度數(shù)值，進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力隧道自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以成功地對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)的溫度進(jìn)行預(yù)警，并觸發(fā)報(bào)警裝置，靈敏度高，性能良好。

4 結(jié)束語

自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)在預(yù)防即將發(fā)生的災(zāi)難，防止人員傷亡和物資損失方面有重要作用，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)電力隧道預(yù)警系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試證明，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以成功地進(jìn)行預(yù)警，且其觸發(fā)報(bào)警的時(shí)間短，靈敏度高，性能良好。但由于僅對(duì)較低溫度的閾值進(jìn)行測(cè)試，可能存在一定的誤差，因此需要在不斷地實(shí)踐中進(jìn)行改進(jìn)。