基于電磁場的用電設備監(jiān)測智能終端設計及應用

廣西科桂興信息技術有限責任公司 周文彬

一直以來工業(yè)中小企業(yè)融資貸款難的問題一直沒有很好的解決，其根本原因之一是政府部門和融資貸款服務機構沒有一套行之有效的風控體系。目前主要的風控手段是企業(yè)每月、每季、每年定期上報財務報表至監(jiān)管部門，由于政府部門數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，企業(yè)將財務報表上報到財政局的同時還要上報到其他監(jiān)管部門，如工信局、工商局等，同一份數(shù)據(jù)企業(yè)要重復上傳很多次，導致企業(yè)的管理負擔很重，且這種方式非常低效和滯后，數(shù)據(jù)準確性、真實性很難有保障。

大部分工業(yè)企業(yè)都有抵押物，如廠房、用電設備、產(chǎn)品等，企業(yè)拿到融資貸款后，有沒有真正投入生產(chǎn)經(jīng)營，政府部門和融資貸款服務機構沒辦法做到及時跟蹤和監(jiān)管[1]。如沒有一套及時有效的監(jiān)管和風控體系對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營情況進行實時的監(jiān)控和預警，企業(yè)什么時候已停工停產(chǎn)政府部門和融資貸款服務機構都不知情，因此導致融資貸款服務機構不敢提供貸款、工業(yè)中小企業(yè)貸不到款的局面。

基于電磁場的用電設備監(jiān)測智能終端，是在對當前用電設備用電環(huán)境零影響的情況下對用電設備的開機狀態(tài)進行監(jiān)測，通過用電設備在開機和關機狀態(tài)下的磁感應強度不同來反應當前設備是否是開機或關機的狀態(tài)，通過統(tǒng)計企業(yè)用電設備的開機率來反應企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營狀況，從而為政府部門和融資貸款服務機構隨時掌握貸款企業(yè)的經(jīng)營狀況提供強有力的數(shù)據(jù)支撐，達到風險控制的目的[2]。

1 用電設備監(jiān)測智能終端設計原理

奧斯特實驗表明通電導線周圍存在磁場，磁場方向和電流方向有關。電流越大周圍的磁場就越大，電流的磁感應強度計算公式為B=μ0I/(2πr)，μ0是真空磁導率（μ0=4π×10-7T·m/A），r 是這一點到導線的水平距離，I 是電流。由此可見，無限長載流直導線周圍的磁感應強度B 與導線到場點的距離成反比，與電流成正比。

一般用電設備銘牌上都明確標注電流、電壓、功率等信息，因此可以計算出用電設備在正常工作情況下的磁感應強度。用電設備監(jiān)測智能終端通過監(jiān)測用電設備輸電導線周圍的磁感應強度的變化來判斷用電設備的開機狀態(tài)等信息，并及時上報到工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺進行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)可視化、風險預警等。用電設備監(jiān)測智能終端主要由電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡模塊、接口模塊、安全模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、集成計算模塊等七個模塊組成。

電源模塊：配置低功耗電池，在突然斷電情況下繼續(xù)供電一段時間，確保數(shù)據(jù)不丟失；數(shù)據(jù)存儲模塊：用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、心跳數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、配置信息，在沒有網(wǎng)絡或網(wǎng)絡狀態(tài)較差的情況下先暫存到本地，待網(wǎng)絡恢復后自動補傳，保證數(shù)據(jù)安全、完整；網(wǎng)絡模塊：支持4G、5G、WIFI 等多種網(wǎng)絡協(xié)議，用于數(shù)據(jù)上傳和通訊；接口模塊：RS232485、USB、LAN 口、WAN 口；安全模塊：用于保障數(shù)據(jù)存儲安全、傳輸安全；數(shù)據(jù)顯示模塊：用于各種數(shù)據(jù)的顯示，如磁感應強度、時間、網(wǎng)絡、電量等；集成計算模塊：集成線性霍爾元件（隨著磁場的大小輸出不同的電壓信號(模擬信號)，線性霍爾的輸出電壓與傳過其本身的磁場強度成正比，根據(jù)磁場特性和強度其輸出電壓上升或下降。通過磁場強度的變化可以得知相應位置數(shù)據(jù)的改變，輸出電壓與感應到的磁場極性和強度的關系固定），主要用于磁感應強度測量和計算。

2 用電設備監(jiān)測智能終端的特點

安裝方便。安裝時不需要改動現(xiàn)有的用電環(huán)境和設施，只需將用電設備監(jiān)測智能終端安裝在被監(jiān)控的用電設備通電導線、用電插座、空氣開關、變壓器附近即可。

零風險。對比現(xiàn)有的用電設備開機狀態(tài)監(jiān)測，大多數(shù)是通過安裝智能插座、更換或安裝智能電表或其他傳感器，這些手段都有一個共同的弊端，就是要在斷電情況下進行。工廠生產(chǎn)過程中，停掉大型的用電設備、給第三方公司安裝監(jiān)控設備基本上不可能，用于工業(yè)生產(chǎn)的設備停電、啟動的過程較長且風險不可控，設備計劃外停機不僅嚴重影響了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，也給工業(yè)企業(yè)帶來高額的維護保養(yǎng)成本，再則企業(yè)對第三方機構或部門安裝的監(jiān)控設備質(zhì)量存在質(zhì)疑，稍有不慎導致設備缺電、短路及損壞的可能性極大。用電設備監(jiān)測智能終端一舉解決了以上所有難題，若監(jiān)測智能終端出現(xiàn)故障對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)不會產(chǎn)生任何影響和損失[3]。

自動上傳。用電設備監(jiān)測智能終端集成有網(wǎng)絡模塊，對收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過加密存儲到本地存儲模塊，并通過4G5Gwifi 網(wǎng)絡上傳到工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺，實現(xiàn)企業(yè)、政府部門、融資貸款服務機構三者數(shù)據(jù)共享；自動預警。用電設備監(jiān)測智能終端長時間離線或磁感應強度跟用電設備正常開機狀態(tài)下的強度不匹配（允許有合理范圍的誤差），則觸發(fā)報警并上傳到工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺，并提醒（支持短信、郵件、釘釘、企業(yè)微信等）相關政府部門、融資貸款服務機構注意防范風險。

通用性強。用電設備監(jiān)測智能終端與用電設備的品牌和種類無關，適用于所有品牌、所有種類的生產(chǎn)設備實時監(jiān)控和管理；數(shù)據(jù)安全。采用軟件+硬件兩者相結合加密的方式保障數(shù)據(jù)安全。軟件層面采用非對稱加密技術（RSA）對數(shù)據(jù)傳輸過程進行加密；硬件層面通過專用的硬件加密芯片（ESAM模塊）實現(xiàn)密鑰運算和存儲。

3 用電設備監(jiān)測智能終端的應用

用電設備監(jiān)測智能終端作為一種數(shù)據(jù)采集終端，是工業(yè)大數(shù)據(jù)的底座，是構建工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺的基礎。

圖1 工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺架構

工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺采用微服務架構和分布式部署架構，滿足高內(nèi)聚、高可用、高伸縮、高性能的要求。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺中數(shù)據(jù)分析處理的核心，是連接終端與工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺的橋梁，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能（吞吐能力）、穩(wěn)定性、擴展能力直接影響整個云平臺的業(yè)務化建設。為滿足大數(shù)據(jù)處理的要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理相分離的架構模式，兩者間通過數(shù)據(jù)調(diào)度服務進行任務調(diào)度，采集和處理分別支持分布式部署，提高了數(shù)據(jù)處理和擴展能力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構為分布式采集服務-任務調(diào)度服務-分布式解析服務。

用電設備監(jiān)測智能終端通過5G 網(wǎng)絡定時上傳用電設備（如機械臂、鍋爐、數(shù)控機床(NC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(DIMS)、柔性制造單元(FMC)、大型集成電路和電子制造設備等）的狀態(tài)數(shù)據(jù)、心跳數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行加工、質(zhì)控、存儲，工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺主要對數(shù)據(jù)進行建模、管理、分析、可視化、權限控制、監(jiān)測智能終端遠程升級等，為企業(yè)、政府部門、融資貸款服務機構提供一體化的數(shù)據(jù)共享和決策服務。

幫助企業(yè)了解最新出臺的政策法規(guī)、投融資服務、信息化服務、知識產(chǎn)權服務、人力資源服務、信用評價服務等；幫助政府部門及時了解中小企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀和困難，有針對性的出臺相關扶持政策和技術指導；幫助融資貸款服務機構實時、準確掌握貸款企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營狀況（如設備開機率、故障率、設備異常工時占比），降低貸款風險和成本。

綜上，一個企業(yè)的用電情況直接體現(xiàn)一個企業(yè)日常生產(chǎn)經(jīng)營狀況，尤其是工業(yè)企業(yè)，而企業(yè)的用電數(shù)據(jù)只掌握在電網(wǎng)公司手里，其他部門或機構想要獲取這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過嚴格的授權和非常復雜的審批流程。用電設備監(jiān)測智能終端另辟蹊徑，通過構建工業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，讓政府部門和融資貸款服務機構及時了解貸款企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營狀況更加便捷高效，降低了風控成本、精減了融資貸款流程、減少了貸款企業(yè)的負擔，進而解決中小企業(yè)融資難、融資貴、政府部門和融資貸款服務機構資金利用率低的難題。