基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火電廠數(shù)據(jù)采集智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

陳東偉，蘭秀蔚

（江蘇利港電力有限公司，江蘇 無錫 214400）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的技術(shù)，將傳感器、設(shè)備與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸以及處理。無線數(shù)據(jù)采集是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及交通數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，從而為企業(yè)和個(gè)人提供更為高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理和決策支持。文章將從物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用技術(shù)入手，介紹利用該技術(shù)采集發(fā)電廠煤倉、疏水管道溫度數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景，并提出一些研究思路和展望。

1 物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳感器可以分為多種類型，包括光學(xué)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器以及壓力傳感器等。傳感器技術(shù)是無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的核心，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高精度采集和無線傳輸，對物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

2.4 GHz 通信技術(shù)是一種短距離高速率無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸，還可以與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，適用于數(shù)據(jù)量較大的短距離傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集中，2.4 GHz 通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備端和控制端之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制，提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）通信技術(shù)是一種長距離低速率無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸功耗低以及傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)量較小的長距離傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集中，LoRa 通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備端和云端之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制，為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理提供重要技術(shù)支持[1]。

消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）服務(wù)器是一種專門用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析以及展示。在物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集中，MQTT 服務(wù)器可以根據(jù)訂閱規(guī)則和訂閱主題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端或傳感器端與云端之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制，提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 火電廠物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場景

原煤倉發(fā)電廠中，輸送煤炭的重要部件一旦溫度過高，就會出現(xiàn)煤倉自燃、爆炸以及管道炸裂等嚴(yán)重事故。為了解決溫度過高問題，文章利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了煤倉測溫系統(tǒng)。通過在原煤倉安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測原煤倉溫度變化，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，可以通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，預(yù)測溫度變化趨勢，提前預(yù)警，從而避免事故的發(fā)生。

發(fā)電機(jī)的疏水管道是保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分。然而，由于疏水管道長時(shí)間運(yùn)行，管道內(nèi)積存的水垢等污物會導(dǎo)致管道出現(xiàn)老化、破裂等問題，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)發(fā)電機(jī)事故。為了解決該問題，文章利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了發(fā)電機(jī)疏水管道測溫系統(tǒng)。通過在發(fā)電機(jī)疏水管道上安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道溫度變化，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行維修，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和安全性[2]。

機(jī)組蓄電池是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要設(shè)備之一。然而，由于蓄電池的老化、損壞等，電壓監(jiān)測不精確，會影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行。通過在機(jī)組蓄電池上安裝電壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池電壓變化，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，在數(shù)據(jù)中心中，可以通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化預(yù)測蓄電池的壽命，提前預(yù)警電壓異常，降低蓄電池的損壞程度和更換頻率，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

3 系統(tǒng)整體構(gòu)架

系統(tǒng)整體構(gòu)架由硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)2 部分組成。

3.1 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備包括傳感器、控制器、通信模塊以及云服務(wù)器等。傳感器用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)。控制器用于控制硬件設(shè)備的運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理。通信模塊主要與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)MQTT 云服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理以及交互等功能。

原煤倉通過配置ATE100M 磁吸式無線測溫傳感器、ATC600 無線測溫收發(fā)器采集數(shù)據(jù)。其中，ATE100M 磁吸式無線測溫傳感器可用于戶內(nèi)開關(guān)柜，包括中置柜、手車柜、固定柜以及環(huán)網(wǎng)柜等多種開關(guān)柜，也可用于其他任何發(fā)熱點(diǎn)上，并利用LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至接收器，環(huán)境空曠時(shí)其傳輸距離為0 ～150 m，在開關(guān)柜內(nèi)其傳輸距離為0 ～10 m，溫度測量范圍為-40 ～+125 ℃。輸水管道通過配置K 型熱電偶合無線溫度探頭、ZigBee無線測溫收發(fā)器采集溫度數(shù)據(jù)。其中，K 型熱電偶合無線溫度探頭采用螺孔固定，可用于高溫設(shè)備、管道測溫，環(huán)境空曠時(shí)其傳輸距離為0 ～300 m，溫度測量范圍為0 ～600 ℃。蓄電池?cái)?shù)據(jù)通過連接直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器直接讀取。原煤倉、輸水管道以及蓄電池的數(shù)據(jù)通過USR-G771 物聯(lián)網(wǎng)模塊連接云服務(wù)器進(jìn)行交互[3]。

云服務(wù)器采用私有化方式部署公司局域網(wǎng)隔離區(qū)（Demilitarized Zone，DMZ），在該云服務(wù)器中運(yùn)行核心服務(wù)程序，以提供私有化的云計(jì)算服務(wù)。該云服務(wù)器具有如下特點(diǎn)：一是可以控制訪問和管理權(quán)限，提高數(shù)據(jù)的安全性和可控性；二是可按實(shí)際需要進(jìn)行定制和配置，滿足不同的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景；三是可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展和升級，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性；四是相對于公有化部署云服務(wù)器，私有化部署可以更好地控制成本和資源使用，降低企業(yè)或組織的運(yùn)營成本。硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件、MQTT 服務(wù)軟件以及可視化平臺等。數(shù)據(jù)采集軟件用于采集控制傳感器的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析處理軟件用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；MQTT 服務(wù)器用于存儲、處理以及分析采集到的數(shù)據(jù)，還可以設(shè)置訂閱規(guī)則和訂閱主題，建立設(shè)備端或者傳感器端與MQTT 服務(wù)器之間的訂閱關(guān)系；數(shù)據(jù)可視化平臺將處理后的數(shù)據(jù)以圖表、地圖等形式展示出來，方便用戶直觀地了解數(shù)據(jù)變化趨勢。此外，還可以使用數(shù)據(jù)可視化工具，如Tableau、Power BI 等，也可以根據(jù)實(shí)際需求在安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）、微信小程序端自行開發(fā)數(shù)據(jù)可視化軟件。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

最后，搭建無線數(shù)據(jù)采集平臺。集成設(shè)計(jì)好的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，并與MQTT 服務(wù)器和數(shù)據(jù)可視化平臺連接，從而建立無線數(shù)據(jù)采集平臺。在使用該平臺的過程中，設(shè)備端或者傳感器端通過2.4 GHz 通信技術(shù)、LoRa通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鳎刂破髟賹?shù)據(jù)傳輸?shù)組QTT 服務(wù)器和數(shù)據(jù)可視化平臺。在數(shù)據(jù)可視化平臺上處理和分析采集到的數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的報(bào)表和圖表，為用戶提供數(shù)據(jù)分析和決策支持。同時(shí)，可以將數(shù)據(jù)應(yīng)用于其他方面，如設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測以及能源管理等[4]。

4 物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集的研究思路和展望

傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸功耗低以及傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在無線數(shù)據(jù)采集中具有廣泛的應(yīng)用前景。未來，研究可以聚焦于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，如研究更為高效、穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議，提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能夠加深用戶對數(shù)據(jù)的理解。未來，研究可以聚焦于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，如研究如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維展示和交互。

物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用場景。未來，研究可以聚焦于應(yīng)用場景的創(chuàng)新和拓展。例如，研究如何將物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，提高人們的生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。另外，物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集中，數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護(hù)是一個(gè)重要的問題。未來，研究可以聚焦于物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集中的安全保障技術(shù)，如研究如何利用加密技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)等，保障數(shù)據(jù)的安全和隱私[5]。

5 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及交通數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理。在無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)中，傳感器技術(shù)、2.4 GHz 通信技術(shù)、LoRa 通信技術(shù)等的應(yīng)用，提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性。物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用場景廣泛，包括工業(yè)制造、環(huán)境監(jiān)測、能源管理以及物流管理等領(lǐng)域。未來，研究可以聚焦于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、安全保障技術(shù)以及應(yīng)用場景創(chuàng)新等方面，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)也將繼續(xù)發(fā)展和完善，為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的改善帶來更多的機(jī)遇。