基于人工智能的電力物聯(lián)網(wǎng)通用芯片集成系統(tǒng)

張 雙

（深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

人工智能技術(shù)、VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)在電力企業(yè)生產(chǎn)運營過程中的應(yīng)用，不僅加速了時代與產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，也對電力公司的未來發(fā)展與規(guī)劃提出了更高的要求。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)借助其獨有的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在電力企業(yè)的不同作業(yè)領(lǐng)域中[1]。在深入此項工作的研究時發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)通用芯片是電力企業(yè)內(nèi)部傳感器實現(xiàn)對反饋信息大規(guī)模集成的主要構(gòu)件之一，不同型號的芯片在電力企業(yè)中所發(fā)揮的作用不同，為滿足通用芯片的更高效能與多元化功能，本文將引進人工智能技術(shù)，從硬件與軟件兩個方面開發(fā)一種針對電力物聯(lián)網(wǎng)的通信芯片集成系統(tǒng)[2]。在開發(fā)系統(tǒng)時，應(yīng)嚴(yán)格遵循系統(tǒng)功能的模塊化設(shè)計原則，為提高系統(tǒng)的運行效率并實現(xiàn)對系統(tǒng)后續(xù)運維成本的簡化，應(yīng)根據(jù)芯片的集成需求，設(shè)計不同的功能模塊，再基于總體層面進行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃與部署[3]。同時，還應(yīng)當(dāng)遵循低能耗與低成本原則，保證所選用的系統(tǒng)硬件設(shè)備具有較優(yōu)的綜合性能與實用性。例如，在進行系統(tǒng)核心運行芯片的選擇時，可以對比市場內(nèi)現(xiàn)用的MPS-450芯片與ARM-1000芯片，發(fā)現(xiàn)MPS-450系列芯片的運行能耗較低，因此選擇前者作為本文系統(tǒng)的核心芯片，對電力物聯(lián)網(wǎng)通用芯片集成系統(tǒng)展開設(shè)計。

1 硬件設(shè)計

為確保開發(fā)的系統(tǒng)可以在實際應(yīng)用中達到預(yù)期集成效果，應(yīng)在開發(fā)系統(tǒng)前進行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計[4]。本文開發(fā)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文研究設(shè)計的集成系統(tǒng)是在借助電力企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，對部署在終端的多種電力設(shè)備運行信息進行主動采集，并借助傳感器與主控芯片對終端不同設(shè)備在運行中的射頻信息進行處理。同時，根據(jù)可控傳感器多個通信傳輸線路，在終端進行通用芯片的集成。為確保本文研究的系統(tǒng)在實際應(yīng)用中可以達到預(yù)期的效果，下面將以射頻裝置與MPS-450系列主控芯片為例，進行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1.1 射頻裝置選型

此次研究所選的射頻裝置型號為TT-2350，其中集成了ZigBee構(gòu)件與IEEE705.3.18.20構(gòu)件，可以使用此型號的射頻裝置建立一個成本較低的系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中，使用FT收發(fā)裝置進行8.0～16.0 kB的RAM編程，保證射頻裝置具有不同的運行模式。

1.2 MPS-450系列主控芯片選型

選擇市場內(nèi)某著名IT公司聯(lián)合開發(fā)的低耗能MPS-450-12000型號的芯片，作為本文系統(tǒng)的主控芯片，此芯片在待機狀態(tài)下可以達到180.0 μA的超低耗電狀態(tài)，并可以實現(xiàn)在一個時鐘周期內(nèi)對單條指令的快速執(zhí)行，通過此種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的低耗能性能。此外，在芯片上集成外圍模塊與直接存儲器訪問（Direct Memory Access，DMA）定時裝置，保證系統(tǒng)可以在外接狀態(tài)下執(zhí)行更多的功能。

2 軟件設(shè)計

2.1 芯片運行參數(shù)設(shè)置

在上述硬件設(shè)計與選型的基礎(chǔ)上，針對集成系統(tǒng)軟件部分進行設(shè)置，針對芯片在運行過程中的參數(shù)進行設(shè)置。通過對芯片在不同環(huán)境中運行時的溫度、濕度等最高上限和最低下限進行設(shè)置，規(guī)定合理的閾值范圍。在電力物聯(lián)網(wǎng)實際運行過程中，若某一設(shè)備運行時其相應(yīng)數(shù)值超出了規(guī)定的閾值范圍，則此時集成系統(tǒng)可立即發(fā)出報警，警示燈顯示，從而在第一時間對其進行維護和處理[5]。同時，通過這一設(shè)計能夠為檢修部門提供更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。在具體設(shè)置芯片運行參數(shù)的過程中，為了確保參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性更高，引入對電力物聯(lián)網(wǎng)集成預(yù)測誤差平均值的方法，并對參數(shù)之間的相關(guān)度進行計算。

在計算過程中，首先需要對初始數(shù)據(jù)按照特定的比例進行劃分，并將其分為訓(xùn)練集和測試集。其次，在Web框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，生成多個訓(xùn)練子集[6]。最后，采用加權(quán)平均算法的方式得出電力物聯(lián)網(wǎng)中各參數(shù)之間的相關(guān)度，并將其作為集成輸出。這一過程中，集成輸出結(jié)果為：

式中：Tx為建立物聯(lián)網(wǎng)通用芯片集成結(jié)果；γ為各個組成電力物聯(lián)網(wǎng)的參數(shù)權(quán)值；i為訓(xùn)練集個數(shù)；Ti,x為在某一訓(xùn)練層級當(dāng)中第x個輸出的參數(shù)設(shè)定結(jié)果分量。將上述式（1）作為依據(jù)，以此完成對芯片運行參數(shù)的設(shè)置。

2.2 運行狀態(tài)實時顯示

在整個電力物聯(lián)網(wǎng)運行過程中，為實現(xiàn)對各類設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和顯示，引入CC2530中的Z-S協(xié)議棧，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接。由于電力企業(yè)各類設(shè)備在運行的過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致最后構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加龐大，要想在這一結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運行參數(shù)的實時傳輸相對困難。針對這一問題，引入Z-S協(xié)議棧，在實際應(yīng)用中基于集成系統(tǒng)的思想和事件輪循機制，在協(xié)議棧中的每一層結(jié)構(gòu)完成初始化處理后，自動控制本文集成系統(tǒng)進入到功耗的運行模式中，并當(dāng)具體事件發(fā)生時，可通過直接喚醒的方式將集成系統(tǒng)的相應(yīng)功能喚醒。在完成任務(wù)后，再次進入到低功耗的模型中。因此不僅可以實現(xiàn)對電力設(shè)備運行狀態(tài)的實時顯示，同時還能夠降低本文集成系統(tǒng)的運行負(fù)擔(dān)。將電力設(shè)備運行狀態(tài)的顯示需求，在集成系統(tǒng)上位機當(dāng)中完成，并引入C#語言對上位機中的顯示界面進行開發(fā)。通過C#語言的開發(fā)得到電力設(shè)備運行中各項從芯片上獲取數(shù)據(jù)的實時展現(xiàn)，為了進一步體現(xiàn)集成系統(tǒng)上位機顯示的可視化，將得到的數(shù)據(jù)以曲線的方式進行展示，以此能夠更加直觀地觀測到參數(shù)的變化趨勢。

2.3 基于人工智能的電力物聯(lián)網(wǎng)芯片節(jié)點集成控制

為了實現(xiàn)對電力物聯(lián)網(wǎng)中各個節(jié)點的實時增減，對電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)芯片節(jié)點進行集成控制。在本文集成系統(tǒng)當(dāng)中，基于人工智能技術(shù)引入一個分配器，該模塊的主要運行模式是通過可擴展標(biāo)記語言實現(xiàn)對集成結(jié)果的查詢。同時，在實際應(yīng)用中通過解析器完成對分配器輸出結(jié)果的轉(zhuǎn)換，最終將所需的電力物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)進行展示，并將其交由集成系統(tǒng)用戶層進行處理。針對上述芯片運行參數(shù)設(shè)置和運行狀態(tài)實時顯示層進行管理，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)源信息從注冊階段開始，到數(shù)據(jù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中運維整個階段的集成控制，當(dāng)集成系統(tǒng)接收到查詢相關(guān)電力物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)的請求時，在構(gòu)建的數(shù)據(jù)源集合當(dāng)中找尋這一數(shù)據(jù)信息。在實際應(yīng)用中，通過引入人工智能技術(shù)，可針對各類不同功能芯片進行集中控制和管理，確保對電力物聯(lián)網(wǎng)中各個設(shè)備運行參數(shù)的獲取，使各個芯片的協(xié)作更加有序。同時，在用戶查詢的過程中，可向數(shù)據(jù)源集合中添加一個動態(tài)化的數(shù)據(jù)源信息，在對電力物聯(lián)網(wǎng)芯片節(jié)點集成控制時實現(xiàn)參數(shù)的動態(tài)裝卸，從而進一步提升節(jié)點集成的效果。

3 對比實驗

通過本文上述論述，分別從軟件層面和硬件層面完成了對集成系統(tǒng)理論設(shè)計，為了更直觀地得到該系統(tǒng)在設(shè)計、開發(fā)以及應(yīng)用到實際中的可行性，選擇基于MC68HC08單片機的集成系統(tǒng)作為對照組，本文提出的集成系統(tǒng)作為實驗組，將兩種集成系統(tǒng)應(yīng)用到完全相同的運行環(huán)境當(dāng)中，通過對比所選擇的評價指標(biāo)，實現(xiàn)對其應(yīng)用效果的對比。實驗過程中選擇以某電力企業(yè)作為依托，將該電力企業(yè)當(dāng)前運行過程中現(xiàn)有的多種不同類型芯片作為實驗對象，分別利用兩種系統(tǒng)實現(xiàn)對各個芯片的集成化處理。為了實現(xiàn)對集成效果的檢驗，將集成速率作為評價指標(biāo)，對應(yīng)的計算公式為：

式中：v為集成的速率；c為規(guī)定時間內(nèi)的集成量；t為規(guī)定時間。根據(jù)式（1）計算得出兩種集成系統(tǒng)的集成速率，并將實驗結(jié)果記錄如表1所示。

表1 實驗組與對照組集成系統(tǒng)集成速率對比

從表1中記錄的實驗結(jié)果可以看出，實驗組的集成速率均超過120.00×103bit/s，而對照組集成速率僅為100.00×103～110.00×103bit/s，明顯實驗組系統(tǒng)的集成速率更高。因此，通過上述實驗及得出的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)能夠證明，本文提出的基于人工智能的集成系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對電力物聯(lián)網(wǎng)通用芯片的快速集成，進而促進電力物聯(lián)網(wǎng)運行速率的提升，促進電力企業(yè)整體的智能化發(fā)展。

4 結(jié) 論

信息化建設(shè)作為電力公司構(gòu)建的重點工作，其目的在于實現(xiàn)電力公司相關(guān)部門社會服務(wù)水平的提升。本文在引入人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的集成系統(tǒng)，并結(jié)合對比實驗的方式驗證了這一系統(tǒng)實際應(yīng)用的優(yōu)勢。將這一系統(tǒng)應(yīng)用到電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域可以進一步促進電力物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展，同時促進多種不同應(yīng)用功能芯片的運行質(zhì)量提升。同時，通過該集成系統(tǒng)的建立能夠?qū)崿F(xiàn)對電力物聯(lián)網(wǎng)中各類芯片的自動化監(jiān)控。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，其數(shù)據(jù)的采集需要多種芯片共同協(xié)作完成，并不能通過單獨某一芯片實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，而應(yīng)用本文集成系統(tǒng)后，能夠使芯片的管理和控制達到統(tǒng)一，為電力領(lǐng)域數(shù)據(jù)的采集提供重要的借鑒。

在后續(xù)的研究中，將基于本文上述集成系統(tǒng)的設(shè)計思路把對芯片的集成控制應(yīng)用到通用發(fā)控系統(tǒng)中，并實現(xiàn)對整個電力物聯(lián)網(wǎng)的集成控制和管理，從而進一步提高電力企業(yè)的管理水平。