安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制

劉榮章

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院 廣東省廣州市 510080）

安全問題一直是社會關(guān)注的焦點，特別是校園、工廠和小區(qū)等場所的安全，這些場所空間窄、人員密集，一旦發(fā)生安全事故，則會導(dǎo)致不可預(yù)見的損失，而用電安全是預(yù)防安全事故的重要措施。線路過載、短路和漏電是安全用電必須要考慮的問題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當(dāng)時電氣保護(hù)裝置的技術(shù)水平，容易導(dǎo)致用電安全事故發(fā)生，雖然新安裝的線路中增加了很多過載和漏電保護(hù)裝置，但是由于保護(hù)裝置質(zhì)量和人為安裝不規(guī)范等原因，還是會出現(xiàn)用電安全事故，從而發(fā)生火災(zāi)和觸電，導(dǎo)致人員傷亡。

電已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品，但是電是把雙刃劍，提供便利的同時，稍有不慎，將成為巨大的風(fēng)險源，超負(fù)荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會技術(shù)的發(fā)展，特別是當(dāng)代我國互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起，不僅僅改變了人們的生活方式，還對各行各業(yè)的發(fā)展起來很大的推動作用。

本系統(tǒng)運(yùn)用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計了一款基于云端的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過大數(shù)據(jù)的分析，能判斷出線路容易出現(xiàn)過載和漏電的時間段和大概線路位置，從而可以準(zhǔn)確做好應(yīng)對措施以及迅速進(jìn)行故障排除；結(jié)合人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實時監(jiān)測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數(shù)，能實時準(zhǔn)確地對故障線路進(jìn)行斷電和恢復(fù)，發(fā)出語音播報警告等提示信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)由智能監(jiān)控硬件終端、智能網(wǎng)關(guān)和云端服務(wù)器組成。智能終端采集線路的電參數(shù)，通過RoLa 無線傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)過濾數(shù)據(jù)后由GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(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。各個采集終端與網(wǎng)關(guān)構(gòu)成了星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是平等的，直接和云端服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)通訊。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 采集終端設(shè)計

2.1.1 STM32F407ZET6 單片機(jī)

STM32F4ZET6 是由意法半導(dǎo)體開發(fā)的一種高性能微控制器，它的Flash 有512KB，RAM大小為192KB，CPU頻率可達(dá)168MHz，芯片內(nèi)嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)能實時分析處理，因此本采集終端使用了STM32F407ZET6 作為主CPU。

2.1.2 電參數(shù)采集電路

采集終端需要采集電路的電能、功率、功率因素、電流和電壓等電參數(shù)，為了準(zhǔn)確而穩(wěn)定地采集電路參數(shù)，選用了ATT7022E 芯片，ATT7022E 是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能滿足了采集電路數(shù)據(jù)的要求。

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

圖3：B/S 系統(tǒng)框架

2.1.3 LoRa 通訊技術(shù)

采樣終端采集數(shù)據(jù)后，需要通過無線的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳到云端服務(wù)器，所以要求終端數(shù)據(jù)的傳輸必須穩(wěn)定可靠，考慮到部節(jié)約成本和部署采集終端的靈活性等原因，選用了LoRa 無線技術(shù)，LoRa 無線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)，頻段免費，部署方便等優(yōu)點。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

SIM7600CE 是一款可以實現(xiàn)2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)通信的全網(wǎng)通模塊，智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是以STM32F103 為核心處理器，外接全網(wǎng)通模塊SIM7600CE 和LoRa 通信模塊構(gòu)成的。通過自主研發(fā)的軟件算法，可以高效地把LoRa 模塊接收的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、穩(wěn)定地通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)還具有斷線自動重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等功能，保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。智能網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)框架如圖2 所示。智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸全部通過自主設(shè)定的加密算法進(jìn)行加密運(yùn)算，可以保證重要數(shù)據(jù)的安全性。

3 軟件系統(tǒng)

服務(wù)器軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要劃分為HTTP 服務(wù)和Socket 服務(wù)。

業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)顯示等由HTTP 服務(wù)完成，網(wǎng)關(guān)終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信則由Socket 服務(wù)完成。

3.1 HTTP服務(wù)

HTTP 服務(wù)的設(shè)計采用了PHP 語言，PHP 易于學(xué)習(xí)，使用廣泛，主要適用于Web 開發(fā)領(lǐng)域；NGINX 是一個高性能的HTTP 和反向代理服務(wù)器，本系統(tǒng)的HTTP 服務(wù)采用了PHP7 和NGINX 完成。

3.2 Socket服務(wù)

由于網(wǎng)關(guān)終端與云服務(wù)器的連接的TCP 長久連接，要求網(wǎng)關(guān)終端必須實時連接服務(wù)器，以便于數(shù)據(jù)及時處理和監(jiān)控采樣終端，因此了Swoole 引擎開發(fā)Socket 服務(wù)，Swoole 是一個面向生產(chǎn)環(huán)境的PHP 異步網(wǎng)絡(luò)通信引擎，可以編寫高性能的異步并發(fā)TCP 服務(wù)。

3.3 B/S構(gòu)架服務(wù)器設(shè)計

為了減少開發(fā)量和滿足系統(tǒng)跨平臺、多終端使用的要求，提高系統(tǒng)使用的便捷性，云端監(jiān)控系統(tǒng)采用了B/S 構(gòu)架設(shè)計，云端監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖3 所示。

終端采集數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，通過自主制定的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)上傳到由Swoole 引擎編寫的高性能Socket服務(wù)器上，Socket 服務(wù)器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和分析。

服務(wù)器上通過采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù)，通過自主開發(fā)的軟件算法，可以實時準(zhǔn)確地分析線路的運(yùn)行情況。再運(yùn)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)行維護(hù)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。

表1：異常動作時間和準(zhǔn)確率

通過出現(xiàn)各類安全事情，智能終端的運(yùn)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 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。