胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘 要：本文針對(duì)當(dāng)前校園、工廠和小區(qū)等場(chǎng)所的安全用電隱患突出，用電安全事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的被動(dòng)安全用電保護(hù)措施已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的需求。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(jì)了一款基于云端的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由智能監(jiān)控硬件終端、網(wǎng)關(guān)和云端監(jiān)控系統(tǒng)組成。硬件終端實(shí)時(shí)采集用電參數(shù)，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)LoRa無(wú)線接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行過(guò)濾并轉(zhuǎn)發(fā)到云端，云端系統(tǒng)對(duì)上傳的電參數(shù)和信息進(jìn)行分析，系統(tǒng)還可以下發(fā)指令到硬件終端進(jìn)行控制和報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能有效保障安全用電，減少用電事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：安全用電；監(jiān)控；人工智能；大數(shù)據(jù)；LoRa；云端
0 引言
安全問(wèn)題一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是校園、工廠和小區(qū)等場(chǎng)所的安全，這些場(chǎng)所空間窄、人員密集，一旦發(fā)生安全事故，則會(huì)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(guò)載、短路和漏電是安全用電首須要考慮的問(wèn)題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當(dāng)時(shí)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(guò)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(huì)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S刃劍，提供便利的同時(shí)，稍有不慎，將成為巨大的風(fēng)險(xiǎn)源，超負(fù)荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，特別是當(dāng)代我國(guó)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(duì)各行各業(yè)的發(fā)展起來(lái)很大的推動(dòng)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(jì)了一款基于云端的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)大數(shù)據(jù)的分析，能判斷出線路容易出現(xiàn)過(guò)載和漏電的時(shí)間段和大概線路位置，從而可以準(zhǔn)確做好應(yīng)對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、漏電電流和功率等電參數(shù)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)故障線路進(jìn)行斷電和恢復(fù)，發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)警告等提示信息。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)RoLa無(wú)線傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)過(guò)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(chǔ)、分析和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。各個(gè)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(diǎn)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(jì)
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(duì)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)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(jì)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。
2.1.3 LoRa通訊技術(shù)
采樣終端采集數(shù)據(jù)后，需要通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到云端服務(wù)器，所以要求終端數(shù)據(jù)的傳輸須穩(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(wú)線技術(shù)，LoRa無(wú)線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)，頻段免費(fèi)，部署方便等優(yōu)點(diǎn)。
2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
SIM7600CE是一款可以實(shí)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(guò)自主研發(fā)的軟件算法，可以把LoRa模塊接收的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、穩(wěn)定地通過(guò)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(dòng)重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)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(guò)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(jì)主要?jiǎng)澐譃镠TTP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(jì)采用了PHP語(yǔ)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(gè)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(zhǎng)久連接，要求網(wǎng)關(guān)終端須實(shí)時(shí)連接服務(wù)器，以便于數(shù)據(jù)及時(shí)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(gè)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(jì)
為了減少開發(fā)量和滿足系統(tǒng)跨平臺(tái)、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(jì)，云端監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。
終端采集數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，通過(guò)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(guò)采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)自主開發(fā)的軟件算法，可以實(shí)時(shí)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(cè)可能發(fā)生安全用電事故的線路位置，及時(shí)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(yàn)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(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在線路發(fā)生漏電、過(guò)流和過(guò)壓等不正常的情況時(shí)，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(bào)警動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確率如表1所示。
通過(guò)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(shí)，能在2秒以內(nèi)迅速切斷線路，符合要求。而且通過(guò)研發(fā)的干擾過(guò)濾算法，能讓智能終端報(bào)警準(zhǔn)確率保持100%。
5安科瑞安全用電云平臺(tái)功能介紹及選型
5.1 安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過(guò)云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶睿r(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)上傳至云端的數(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)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺(tái)提供超大容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過(guò)集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖
具體功能如下：
（1）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺(tái)、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機(jī)APP、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等，能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
（3）手機(jī)APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機(jī)APP對(duì)每條報(bào)警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對(duì)各個(gè)單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)估，并隨時(shí)展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。
（5）監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品滿足國(guó)家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》和GB14287.3《測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》）的要求，并通過(guò)國(guó)家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。
（6）漏電探測(cè)器能同時(shí)探測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過(guò)無(wú)線以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。
5.2 產(chǎn)品選型
5.2.1 漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器
5.2.2 故障電弧探測(cè)器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD，共有兩種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)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(tái)，該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3 限流式保護(hù)器
安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1，有三種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過(guò)載且過(guò)載持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
過(guò)、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
5.2.4 剩余電流互感器
5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無(wú)線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無(wú)線模塊，該無(wú)線模塊為安全用電云平臺(tái)專用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報(bào)警，會(huì)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。
5.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準(zhǔn)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護(hù)。
6 結(jié)束語(yǔ)
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用電的各項(xiàng)參數(shù)，還能夠根據(jù)電路的漏電電流、過(guò)流和過(guò)壓值等，迅速做出判斷并且可以即時(shí)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?cè)瓉?lái)線路的情況下進(jìn)行加裝，部署方便，成本低，實(shí)用可靠。
參考文獻(xiàn)
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更新時(shí)間：2023-06-12 
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