電子發(fā)燒友App
摘要：本文針對當(dāng)前校園、工廠、社區(qū)等場所的安全用電隱患，電力安全事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的被動安全用電保護(hù)措施已不能滿足社會的需要。該系統(tǒng)采用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計了基于云的安全電力智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能監(jiān)控硬件終端、網(wǎng)關(guān)和云監(jiān)控系統(tǒng)組成。硬件終端實時采集電力參數(shù)，智能網(wǎng)關(guān)通過Lora無線接收數(shù)據(jù)過濾轉(zhuǎn)發(fā)到云。云系統(tǒng)還可以分析上傳的電力參數(shù)和信息
0引言
安全一直是社會關(guān)注的焦點，尤其是校園、工廠和社區(qū)的安全。這些地方空間狹窄，人員密集。一旦發(fā)生安全事故，將造成不可預(yù)見的損失，電力安全是預(yù)防安全事故的重要措施。線路過載、短路、漏電是安全用電的首要考慮因素。由于當(dāng)時電氣保護(hù)裝置的電氣絕緣老化和技術(shù)水平，舊線路容易發(fā)生電氣安全事故。雖然新安裝的線路增加了大量的過載和漏電保護(hù)裝置，但由于保護(hù)裝置的質(zhì)量和人工安裝不規(guī)范，仍會發(fā)生電氣安全事故，導(dǎo)致火災(zāi)和觸電，造成人員傷亡。
電已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品，但電是一把雙刃劍。在提供便利的同時，稍有不慎就會成為巨大的風(fēng)險源，過載的電流會瞬間殺死人。隨著社會技術(shù)的發(fā)展，特別是當(dāng)代中國互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起，不僅改變了人們的生活方式，也極大地促進(jìn)了各行各業(yè)的發(fā)展。
該系統(tǒng)采用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計了一個基于云的安全電力智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過對大數(shù)據(jù)的分析，可以判斷線路容易過載和泄漏的時間段和一般線路位置，準(zhǔn)確采取對策，快速排除故障；結(jié)合人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實時監(jiān)控電壓、電流、泄漏電流和功率參數(shù)，實時準(zhǔn)確地切斷和恢復(fù)故障線路，發(fā)出語音廣播警告等提示信息。
1系統(tǒng)設(shè)計原理。
該系統(tǒng)由智能監(jiān)控硬件終端、智能網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器組成。智能終端采集線路的電參數(shù)，通過Rola無線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)過濾數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器。云服務(wù)器存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。每個采集終端和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個星網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是平等的，與云服務(wù)器直接通信。
2 硬件系統(tǒng)
2.1采集終端設(shè)計
STM32F4ZET6是一款高性能的單片機(jī)，其Flash容量512KB,RAM容量為192KB,CPU頻率達(dá)到168MHz，芯片內(nèi)嵌資源豐富。該采集終端需要采集大量的電量數(shù)據(jù)，且能夠進(jìn)行實時的分析處理，所以本采集終端采用STM32F407ZET6作為主CPU。
2.1.2參數(shù)采集電路。
在采集端，采集電路的電能、功率、功率、電流、電壓等電參量進(jìn)行采集，以便準(zhǔn)確穩(wěn)定地采集電路參數(shù)；選擇ATT7022E型單片機(jī)，ATT7022E是一顆精密的三相電能測量芯片，該系統(tǒng)可用于三相三線及三相四線制系統(tǒng)，可滿足電路數(shù)據(jù)采集要求。
2.1.3LoRa通信技術(shù)。
采集完數(shù)據(jù)后，需要以無線方式傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點上載至云服務(wù)器，因此，要求終端數(shù)據(jù)傳輸要穩(wěn)定可靠，考慮到部門節(jié)省成本以及部署采集終端的靈活性等因素，采用LoRa無線通信技術(shù)，LoRa無線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、自由頻帶、易于部署的特點。
2.2智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計。
SIM7600CE是一款可實現(xiàn)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信的全網(wǎng)通模塊，該系統(tǒng)采用STM32F103作為核心處理器，外接全網(wǎng)通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊組成。利用自己開發(fā)的軟件算法，將LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地上載至云服務(wù)器，同時該網(wǎng)關(guān)還具有斷線自動重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能，保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。圖2顯示了智能網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)。智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸都是通過自主設(shè)定的加密算法進(jìn)行加密操作，以保證重要數(shù)據(jù)的安全。
3 軟件系統(tǒng)
對服務(wù)器軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要分為HTTP服務(wù)和Socket服務(wù)。通過HTTP服務(wù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)顯示等功能，通過Socket服務(wù)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。
3.1HTTP服務(wù)。
HTTP服務(wù)是用PHP語言設(shè)計的，PHP易于學(xué)習(xí)，應(yīng)用廣泛，主要用于Web開發(fā)；NGINX是一種高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器，該系統(tǒng)通過PHP7和NGINX實現(xiàn)HTTP服務(wù)。
3.2ocket服務(wù)。
因為網(wǎng)關(guān)終端到云服務(wù)器的TCP長時間連接，因此要求網(wǎng)關(guān)終端必須實時連接服務(wù)器，為了方便數(shù)據(jù)的及時處理和監(jiān)測采集終端，Swoole引擎開發(fā)了Socket服務(wù)，Swoole是一種產(chǎn)品導(dǎo)向型PHP異步網(wǎng)絡(luò)通信引擎，它能編寫高性能的異步并發(fā)TCP服務(wù)。
3.3B/S架構(gòu)的服務(wù)器設(shè)計。
為降低開發(fā)工作量，滿足系統(tǒng)跨平臺、多終端使用的需要，并提高系統(tǒng)使用的便捷性，云端監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計，云監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計框圖見圖3。
在采集到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，并通過自主制定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到Swoole引擎編寫的高性能Socket服務(wù)器，然后Socket服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù)，利用自主開發(fā)的軟件算法，對線路運行情況進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的分析。再次利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析處理，可以預(yù)測可能發(fā)生安全用電事故的線路位置，及時通知維修人員進(jìn)行維修處理。
4 系統(tǒng)應(yīng)用效果和性能驗證
系統(tǒng)部署某公園的照明電路線路中，監(jiān)控照明線路的電參數(shù)情況，測試系統(tǒng)的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)。在線路發(fā)生漏電、過流和過壓等不正常的情況時，智能終端能迅速切斷線路，防止發(fā)生嚴(yán)重的電類事故，異常報警動作反應(yīng)時間和準(zhǔn)確率如表1所示。
通過出現(xiàn)各類安全事情，智能終端的運行情況，可以得出智能終端能在電路發(fā)生不安全狀況時，能在2秒以內(nèi)迅速切斷線路，符合要求。而且通過研發(fā)的干擾過濾算法，能讓智能終端報警準(zhǔn)確率保持100%。
5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
? ?該系統(tǒng)可對剩余電流、設(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實時監(jiān)測、報警、記錄，并可在云上遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)備與云中的通信方向不受限制，可以上載數(shù)據(jù)，傳輸指令，并在時間上顯示實時狀態(tài)。它通過對上載到云的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以盡早發(fā)現(xiàn)問題，實施排查，避免火災(zāi)發(fā)生。另外，云平臺還能提供超大容量的存儲和穩(wěn)定的服務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量，對用戶長期發(fā)展有重要的戰(zhàn)略意義。另外，通過集中監(jiān)測，使各節(jié)點的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云上集中管理和監(jiān)控，主控端布置在城市消防大隊，從而使采集的信息能夠得到統(tǒng)一的監(jiān)測和管理。
平臺的整體結(jié)構(gòu)圖
具體功能如下：
（1）安全電力監(jiān)督服務(wù)系統(tǒng)包括安全電力管理云平臺、計算機(jī)終端顯示系統(tǒng)、移動應(yīng)用程序、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全電力監(jiān)督服務(wù)系統(tǒng)平臺可顯示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和變化曲線、歷史數(shù)據(jù)和變化曲線、實時報警數(shù)據(jù)等，可實時顯示現(xiàn)場服務(wù)數(shù)量、隱患數(shù)量、隱患數(shù)量、報警數(shù)量、常規(guī)檢驗和產(chǎn)品維護(hù)數(shù)據(jù)，監(jiān)督數(shù)據(jù)可保存10年以上。
(3)手機(jī)APP軟件還有IOS版和Android版，可以通過手機(jī)APP呼叫每個報警記錄，方便用電單位在緊急情況下盡快通知。
（4）可自動統(tǒng)計、分析和評估各單位和設(shè)備的電氣安全運行情況，并隨時顯示電氣安全運行分析報告。
(5)監(jiān)控探測終端產(chǎn)品符合國家法律法規(guī)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB14287.2《剩余電流電氣火災(zāi)監(jiān)測探測器》和GB14287.3《溫度測量電氣火災(zāi)監(jiān)測探測器》)的要求，并通過國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認(rèn)證。
（6）漏電探測器可以同時檢測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)無線接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。
5.2 產(chǎn)品選型
5.2.1 漏電火災(zāi)監(jiān)控探測器
5.2.2 故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3電流限制保護(hù)裝置。
本產(chǎn)品采用ASCP200-1型限流保護(hù)，具有三個電流等級，可以監(jiān)控電路短路過載等故障信息，出現(xiàn)故障時報警并產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧引發(fā)火災(zāi)。
與AF-GSM400合作，ASCP200-1可以直接與安全電源平臺連接，還可以通過插入SIM卡直接上載至平臺。
ASCP200-1的主要特性如下：
防短路功能。保護(hù)裝置實時監(jiān)控供電線路電流，當(dāng)線路短路故障時，可在150微秒內(nèi)實現(xiàn)限流保護(hù)，同時發(fā)出聲光報警信號。
超載保護(hù)功能受保護(hù)線路電流過載，過負(fù)荷持續(xù)時間超過動作時間(3.60秒)時，保護(hù)器啟動限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報警信號。
表里溫度過高保護(hù)功能。保護(hù)裝置在保護(hù)裝置內(nèi)的溫度過高時啟動超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報警信號。
過載欠壓保護(hù)功能。在保護(hù)裝置檢測到線路電壓過壓或欠壓情況下，保護(hù)器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)定是否啟動限流保護(hù)。
配線電纜溫度監(jiān)控功能。若監(jiān)測到的線纜溫度超過報警設(shè)定值，保護(hù)器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)置有無啟動限流保護(hù)。
漏電檢測功能。若監(jiān)測線路漏電超過報警設(shè)定值，保護(hù)器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)置有無啟動限流保護(hù)。
該保護(hù)裝置有1路RS485接口，1路2G無線通信，可向后臺發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
6 結(jié)束語
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用電的各項參數(shù)，還能夠根據(jù)電路的漏電電流、過流和過壓值等，迅速做出判斷并且可以即時斷開線路，保證線路的安全，防止觸電等各類電類事故的發(fā)生，系統(tǒng)可以在不改變原來線路的情況下進(jìn)行加裝，部署方便，成本低，實用可靠。
作者簡介：張星，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。
審核編輯：符乾江
工商網(wǎng)監(jiān)
評論