韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘　要：本文針對當前校園、工廠(chǎng)和小區等場(chǎng)所的安全用電隱患突出，用電安全事故頻發(fā)，傳統的被動(dòng)安全用電保護措施已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì )的需求。本系統運用人工智能和大數據分析技術(shù)，設計了一款基于云端的安全用電智能監控系統，系統主要由智能監控硬件終端、網(wǎng)關(guān)和云端監控系統組成。硬件終端實(shí)時(shí)采集用電參數，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)接收到數據后進(jìn)行過(guò)濾并轉發(fā)到云端，云端系統對上傳的電參數和信息進(jìn)行分析，系統還可以下發(fā)指令到硬件終端進(jìn)行控制和報警。實(shí)驗結果表明，該系統穩定可靠，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；監控；人工智能；大數據；LoRa；云端

       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(chǎng)和小區等場(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 )導致不可預見(jiàn)的損失，而用電安全是預防安全事故的重要措施。線(xiàn)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(xiàn)路由于電氣絕緣老化和當時(shí)電氣保護裝置的技術(shù)水平，容易導致用電安全事故發(fā)生，雖然新安裝的線(xiàn)路中增加了很多過(guò)載和漏電保護裝置，但是由于保護裝置質(zhì)量和人為安裝不規范等原因，還是會(huì )出現用電安全事故，從而發(fā)生火災和觸電，導致人員傷亡。

       電已經(jīng)成為現代生活的必需品，但是電是把劍，提供便利的同時(shí)，稍有不慎，將成為巨大的風(fēng)險源，超負荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著(zhù)社會(huì )技術(shù)的發(fā)展，特別是當代我國互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，大數據和人工智能技術(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(lái)很大的推動(dòng)作用。

本系統運用人工智能和大數據分析技術(shù)，設計了一款基于云端的安全用電智能監控系統。通過(guò)大數據的分析，能判斷出線(xiàn)路容易出現過(guò)載和漏電的時(shí)間段和大概線(xiàn)路位置，從而可以準確做好應對措施以及迅速進(jìn)行故障排除；結合人工智能技術(shù)，系統實(shí)時(shí)監測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數，能實(shí)時(shí)準確地對故障線(xiàn)路進(jìn)行斷電和恢復，發(fā)出語(yǔ)音播報警告等提示信息。

       系統由智能監控硬件終端、智能網(wǎng)關(guān)和云端服務(wù)器組成。智能終端采集線(xiàn)路的電參數，通過(guò)RoLa無(wú)線(xiàn)傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)過(guò)濾數據后由GPRS網(wǎng)絡(luò )上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器存儲、分析和顯示數據。系統設計框圖如圖1所示。各個(gè)采集終端與網(wǎng)關(guān)構成了星型網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是平等的，直接和云端服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)通訊。

2.1采集終端設計

2.1.1 STM32F407ZET6單片機

        STM32F4ZET6是由意法半導體開(kāi)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168MHz，芯片內嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數據，并且對數據能實(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，為了準確而穩定地采集電路參數，選用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一顆高精度三相電能專(zhuān)用計量芯片，適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)應用，能滿(mǎn)足了采集電路數據的要求。

2.1.3 LoRa通訊技術(shù)

       采樣終端采集數據后，需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳輸到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)上傳到云端服務(wù)器，所以要求終端數據的傳輸須穩定可靠，考慮到部節約成本和部署采集終端的靈活性等原因，選用了LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)，LoRa無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有傳輸距離遠，頻段免費，部署方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)設計

        SIM7600CE是一款可以實(shí)現2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò )通信的全網(wǎng)通模塊，智能網(wǎng)關(guān)系統是以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模塊接收的數據，準確、穩定地通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )上傳到云端服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)還具有斷線(xiàn)自動(dòng)重連、網(wǎng)絡(luò )監測等功能，保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。智能網(wǎng)關(guān)的系統框架如圖2所示。智能網(wǎng)關(guān)的數據傳輸全部通過(guò)自主設定的加密算法進(jìn)行加密運算，可以保證重要數據的安全性。

       服務(wù)器軟件系統的設計主要劃分為HTTP服務(wù)和Socket服務(wù)。業(yè)務(wù)邏輯和數據顯示等由HTTP服務(wù)完成，網(wǎng)關(guān)終端與服務(wù)器之間的數據通信則由Socket服務(wù)完成。

3.1 HTTP服務(wù)

       HTTP服務(wù)的設計采用了PHP語(yǔ)言，PHP易于學(xué)習，使用廣泛，主要適用于Web開(kāi)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(cháng)久連接，要求網(wǎng)關(guān)終端須實(shí)時(shí)連接服務(wù)器，以便于數據及時(shí)處理和監控采樣終端，因此了Swoole引擎開(kāi)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(xiě)高性能的異步并發(fā)TCP服務(wù)。

3.3 B/S構架服務(wù)器設計

       為了減少開(kāi)發(fā)量和滿(mǎn)足系統跨平臺、多終端使用的要求，提高系統使用的便捷性，云端監控系統采用了B/S構架設計，云端監控系統的設計框圖如圖3所示。

       終端采集數據后，對數據進(jìn)行加密處理，通過(guò)自主制定的網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議把數據由網(wǎng)關(guān)上傳到由Swoole引擎編寫(xiě)的高性能Socket服務(wù)器上，Socket服務(wù)器采集數據后進(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數據，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的軟件算法，可以實(shí)時(shí)準確地分析線(xiàn)路的運行情況。再運用大數據技術(shù)進(jìn)行分析處理，可以預測可能發(fā)生安全用電事故的線(xiàn)路位置，及時(shí)通知維修人員進(jìn)行維護處理。

       系統部署某公園的照明電路線(xiàn)路中，監控照明線(xiàn)路的電參數情況，測試系統的各項指標數據。在線(xiàn)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(xiàn)路，防止發(fā)生嚴重的電類(lèi)事故，異常報警動(dòng)作反應時(shí)間和準確率如表1所示。

       通過(guò)出現各類(lèi)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(shí)，能在2秒以?xún)妊杆偾袛嗑€(xiàn)路，符合要求。而且通過(guò)研發(fā)的干擾過(guò)濾算法，能讓智能終端報警準確率保持95%。

5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹

        Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、報警、記錄，并且通過(guò)云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對上傳至云端的數據進(jìn)行分析，為用戶(hù)提供火災隱患的相關(guān)數據，能夠及早的發(fā)現問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對用戶(hù)的長(cháng)遠發(fā)展具有戰略意義。此外，該系統通過(guò)集中監控，使得數據通過(guò)每個(gè)節點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò )傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進(jìn)行統一的監控和管理。

       （1）安全用電監管服務(wù)系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。

       （2）安全用電監管服務(wù)系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實(shí)時(shí)監測數據及變化曲線(xiàn)、歷史數據與變化曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)報警數據等，能實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)服務(wù)次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產(chǎn)品維護等數據，監管數據能保存十年以上。

       （3）手機APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機APP對每條報警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

       （4）能對各個(gè)單位及設備的電氣安全運行情況進(jìn)行自動(dòng)統計和分析評估，并隨時(shí)展示電氣安全運行分析報告。

       （5）監控探測終端產(chǎn)品滿(mǎn)足國家法律法規和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過(guò)國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監測檢驗中心提供的消防3C認證。

       （6）漏電探測器能同時(shí)探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )接入安全用電監管系統平臺。

5.2  產(chǎn)品選型

5.2.1 漏電火災監控探測器