基于物联网的电力通信机房监测系统设计.pdf

工程设计中国宽带 2023 年 5 月-92-引言随着社会和科学技术的发展，电力自动化系统的建设与管理水平也取得了相应的提高1-4。电力通信网是调度和协调各个地区用电的核心枢纽，电力通信领域的发展离不开电力通信机房的建设，因此电力公司不断加大力度建设电力通信机房，以保证电力通信网的正常运行5-8。目前，国内大多数电力企业采用人工定期巡检与信息化方法相结合的方法对电力通信机房进行运维管理。这种传统方法最突出的弊端就是如果没有人工监测，就会很容易丢失机房的环境信息，严重时甚至会酿成各类电力事故。本文在结合了机器视觉和物联网技术基础上设计出一套机房实时监测系统，该系统能够实时监测机房的环境信息和机房电力设备的生产数据。监测系统既提高机房的智能化程度和安全性的同时，又降低了人工成本。一、系统整体框架设计本研究设计的监测系统由两部分构成：机房监测终端和数据处理平台端。监测终端则由传感器仪表的采集端和视觉信息采集端两部分组成。视觉信息采集端的实现由两部分组成：能够采集图像并对所采集的图像进行处理的图像采集器；LoRa 通信模块。机柜上的信息需要通过摄像头进行实时采集，采集到的图像在预处理后通过设计好的视觉算法转换为字符串，之后把经过处理的信息通过 LoRa模组传送到网关。传感器终端节点由三部分组成：MCU 芯片；LoRa 通信模组；用于采集环境信息的多个类型的传感器。终端上的传感器采集通信机房内的各种物理信息之后，使用 LoRa 模组发送至搭载了 NB-IoT 模组的网关，该模组通过基站将收集到的数据上传至云端，数据进入云端后被解析和保存，以供后续分析，并在云端搭建 Web 页面将数据可视化，实现实时监测。使用 MQTT/HTTP 协议，可以实现终端和平台之间的实时通信。此外，系统采用成熟的B/S架构进行开发设计。功能主要包括终端设备管理（含设备日志管理）、配置管理和业务管理三部分功能。系统通过管理后台的操作界面实现采集器终端状态的实时监控以及电力终端的设备控制、异常恢复和历史回放等功能。同时为了便于操作跟踪分析等目的，在设备管理模块添加了日志管理功能，实现设备运行日志和操作日志的查询和设置。为了实现终端的添加和删除，连接配置以及系统登录账户管理等功能，系统也设计了相应的配置管理功能，方便相关参数配置。二、系统硬件设计（一）传感器终端节点设计环境信息的采集终端包括信息采集和信息传输两个部分，通过传感器终端来采集信息，而信息的传输，本方案使用 LoRa 技术连接网关，最后将信息传递到云端以便分析和监测。LoRa 节点的硬件设计由四个部分组成：MCU 芯片电路；LoRa 通信电路；外围传感器电路；电源电路。经过性能对比后，传感器采集节点的 MCU 芯片决定采用 STM32F103VET6 芯片，该部件起到控制系统运行、协调各模块工作、数据处理和发送的作用，数据处理好后，LoRa 模块会将该数据传送到网关。LoRa 模块与 MCU 之间通过对应的串口进行连接，在进行 AT 参数配置之后即可接收 MCU 传输的数据。传感器外围电路主要用于采集机房环境信息，包括温度、湿度、烟雾等。（二）网关系统电路设计设计的终端采集节点的信息流向为从采集终端到网关，再从网关上传到云端平台，数据存入云端后用于后续的数据监控及分析。在设计网关电路的过程中，仍然利用 LoRa 模块接收终端数据，针对向云端数据的发送，使用 NB-IoT 窄带物联网技术，该数据发送技术具有功耗低、范围广的特点。其中，NB-IoT 通信电路的硬件设计主要分为两部分，一基于物联网的电力通信机房监测系统设计 夏祥【摘要】电力通信机房的建设是我国智能电网建设的重要一环，为确保系统运行安全这就要求实时监测机房的内部运行情况。针对某电力公司的电力通信机房由于人工巡检带来的效率低下和安全隐患问题，本文设计了一套结合机器视觉技术和物联网技术的电力通信机房实时监测系统。该监测系统具有便捷性、实时性，大幅提升了机房管理效率，推进了通信机房的信息化、集约化管理水平。【关键词】电力通信机房；监测；远距离无线电(LoRa)工程设计中国宽带 2023 年 5 月-93-基于物联网的电力通信机房监测系统设计 夏祥部分是 MCU 通信模组互联电路的设计，另一部分则M5311 的外围电路设计。（三）图像采集设计本研究的图像采集与分析使用摄像头和树莓派，树莓派开发技术相对成熟，学习也相对成熟。在树莓派系统处理完图像后，仍然采用 LoRa 模块发送识别后的数据到网关。LoRa 通信模块与树莓派之间的通信协议为串口通信，根据要求，连接两者对应的引脚之后再连接地极和电源就能正常进行通信。三、系统软件设计（一）系统软件总体设计前端设备系统软件程序编写分为终端节点系统程序总体设计和网关中心到云端的发送程序设计，终端采集节点程序主要由图像识别及处理程序和传感器信息采集程序组成。针对机房部分电力设备不支持 485 通信或直接进行数据采集的情况，通过采用仪表面板扫描读取的方式进行数据采集，运行传感器终端节点时，首先需要采集机柜仪表图像，之后对采集到的图像进行识别，与此同时，单片机系统、各传感器模组和LoRa 模块开始初始化，初始化完成后，处理后的图像数据和传感器检测到的数据将会被分别传送到LoRa 模块，根据不同的定时器设置，LoRa 模块中的信息会按照设定好的频率上传至网关。网关中心进行系统和 LoRa 模块的初始化操作之后，NB 模块开始尝试连接云端，LoRa 模块也开始接收子节点所发送来的数据并将数据发送至 NB 模块，NB 模块如果未接收到信息则进入休眠状态，收到数据时则发送至云端。在 Keil MDK V5 平台上进行软件的编译及调试工作，使用 C 语言进行程序编写和调试。MDK V5 相比 MDK V4，增强了对 Cortex-M 内核的针对性，并且能够支持更多的库文件，是一个集成开发平台，具有编译、调试、性能分析等工具。（二）图像识别设计在进行图像识别之前，需要对输入图像进行预处理，本研究采用灰度化处理，灰度化方式为加权平均值法，如式(1)所示：Gray(i,j)=0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)(1)式(1)被叫作加权平均值法,该方法首先对RGB 三种分量的值求加权，之后取平均值，这个平均值就是图像灰度化之后的灰度值。下一步进行滤波处理，原始图像中一般存在干扰噪声，图像信息受噪声影响产生失真，为了尽可能地减少噪声带来的影响，通过中值滤波（式(2)）对图像中的噪声进行去除。f(x,y)=mediang(s,t)(2)中值滤波的具体实现过程是：选择待处理的像素目标点周围的 MN 区域，根据该区域目标点的像素值进行降序排列，这组序列中的中值就是该点的灰度值。接着采取 Ostu 即最大类间差别法进行二值化处理。借助 OpenCV 完成图像处理之后，得到了纯数字的图层方便系统自动识别。边缘处理有许多可选算子，如 prewitt 算子、Robinson 算子等，需要选择合适的算子进行边缘检测。最后进行字符分割，采用垂直投影法，获取特征之后通过 CNN 进行特征的分类识别。（三）节点采集程序设计为了能够实时采集机房的环境信息，本检测系统分别针对温度、湿度和可燃气体选择了两种传感器，分别是 DHT11 型和 MQ-2 型传感器，这两个传感器是传感器终端的主要组成部分。设备能够支持阿里云开放平台的入网协议，通过协议及参数配置能够快速接入平台，实现数据的实时采集。运行时，只需要对 MQ-2 传感器进行初始化，包括连接引脚初始化和数模转换模块初始化。通过数模转换模块多次读取采集到的模拟量信号，之后求和取平均值，本研究次数选择为 50 次，再通过一些数学运算得到数值信息。（四）LoRa 无线通信程序设计使用星型结构进行网络传输，该结构具有一个中心结点，其余子节点均与该中心结点相连，呈现星型。星型结构的优点兼顾了控制简单和低功耗，之后再由网关中心上传至云端平台。LoRa 通信的程序主要分为两个部分，第一部分是子节点的发送程序，第二部分是网关节点中 LoRa 接收的程序。（1）发送程序LoRa 模块发送数据的步骤为：第一步，创建一个发送缓冲区，之后将这个新建区域进行初始；第二步，在没有进行数据发送工作时，模块处于待机状态，串口发送缓冲区暂存在该缓冲区内的信息压入另一个缓冲区，即 FIFO 缓冲区，之后修改寄存器状态；第三步，检测发送缓冲区指针位置，要求指针处在缓冲区的末尾位置，为了节约能源，在无数据发送需求时，模块会自动进入节电模式，只有当产生新的数据发送需求时，才会在重写 FIFO 缓冲区后继续发送数据。（2）接收程序网关中心的 LoRa 模块会在接收到数据时进行初始化，初始化地址设置为 0XFFFF，初始化信道设置为 0X40，并且将射频模式变更为接收模式以工程设计中国宽带 2023 年 5 月-94-接收各个节点发出的信息。初始化操作完成之后，LoRa 模块在软件控制下进入连续接收模式，这个模式下，模块的工作需要前导号码，只有在规定的时间内搜索到前导号码，模块才会进入正常工作状态，否则会产生一个中断信号使模块进入待机休眠状态。正常工作状态下需要进行信息校验，只有等所有信息接受完全之后才会进行 CRC 冗余校验。如果检验正确则数据的完整性通过，等待读取下一次接收到的数据。四、阿里云物联网平台作为开发平台与功能测试本研究选择阿里云物联网平台作为开发平台，平台提供全托管的企业级实例服务，具有低成本、高可靠、高性能、高安全的优势，无须自建物联网基础设施即可接入各种主流协议设备，管理运维亿级规模设备，存储备份和处理分析 EB 量级的设备数据，帮助企业快速实现设备数据和应用数据的融合，实现设备智能化升级，技术成熟稳定可靠。向下，该平台支持协议内的多设备连接，且支持设备数据传输至云端；向上，提供云端的开放 API 接口，我们可以根据业务需要实现自有系统的业务对接和设备的远程控制能力。另外，考虑到实际应用需要对信息进行实时可视化监控，本研究基于阿里云平台的Web开发功能，设计了一个 Web 页面。该平台的 Web 开发不需要使用者具备编程经验和编写代码能力，即使你是没有Web 开发知识的入门者，也可以简便、快捷地实现Web 界面的构建。在一定程度上减少了系统的开发成本和后续的运维成本。本研究中的网关设备、节点设备统一接入到阿里云平台并在该平台上进行展示、存储采集到的数据。物联网仪表只需要接上电源，即可连接到阿里云平台。在该平台上可以查看各个网关设备及仪表的状态信息和采集数据。通过完成设备与平台的对接，终端就开始实时地向云端传输接收到的物理数据信息，包括：温度、湿度、气体浓度以及通过图像处理及识别流程后得到的仪表信息，预定的上传数据周期为 5 至 8 秒。针对采集到的数据，我们根据业务需求可以定制开发各类业务展示页面，通过计算还能够对环境及设备进行预警。经过开放平台的接口开发，数据预警推送模块及时准确地将相关消息推送到管理人员的终端。如电脑端 PC 浏览器、移动手机等。消息推送渠道有手机短信、阿里云钉钉消息、大屏弹窗等等。这样各级管理人员就能够对机房的设备及环境做到了如指掌，做到对电力通信机房能够随时、随地进行实时监测。五、应用扩展通过基础的环境及设备指标的采集应用，我们可以大胆地尝试应用更多智能的物联网终端设备对电力通信机房进行智能化管控。比如增加门禁、水侵终端防止无人值守机房遭遇洪水和加强防盗的防范。亦可加入视频摄像机进行视频数据的采集，实现对电力通信机房的现场进行远程监控。通过软件开发实现场景联动触发（如遇到开门或红外入侵检测触发报警后能够自动调用视频监控系统开启自动报警及录像存储）可以让通信机房运维更加智能化和便捷化，为电力企业的管理水平提升助力。六、结论本文通过结合物联网技术平台的开发，实现了对电力通信机房环境监测、电力设备数据采集与视频监控。管理人员能够实现远程在系统上实时监测机房中电力设备的电信息和其他环境的物理信息，通过场景联动开发我们还可以实现防盗、防水淹的自助报警和自动录像存储功能。设计的监测系统与其他监测系统相比，在具有更低价格的同时，能完整地完成各类监测任务。除了能够提高机房运维质量和安全系数，还能够降低运维成本，本研究的方案可以作为其他电力通信机房实时监控的参考方案。参考文献：1 肖龙海,张海春,高倩,袁国珍,方鑫勇,王大健.县域数智新型电力系统示范建设的路径探索J.农村电气化,2023(03):7-13.2 莫非.新型电力系统亟待加快建设 N.中国电力报,2023-03-09(001).3 吴 雪 松,李 夏 阳,付 菁,雷 丽 仙.建 设新型电力系统背景下电源调峰路线研究 J.红水河,2023,42(01):90-93.4 石俊杰,赵子岩,何永远,闫龙川,彭元龙,马睿,李进.提升信息通信数字化能力支撑新型电力系统建设 J.中国电力企业管理,2023(01):86-87.5 亢旭源,杨梅青,童强等.基于数字孪生驱动的电力通信机房智能化运维应用研究 C/中国水力发电工程学会自动化专业委员会.中国水力发电工程学会自动化专委会 2022 年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会会议论文集.出版者不详,2022:152-155.6 邢骏.电力通信机房动环设备故障诊断研究D.华北电力大学,2021.7 曲 向 华,李 博.电 力 通 信 机 房 动 力 及环境监控系统研究与设计 J.自动化技术与应用,2019,38(10):152-155.8 丁嘉祺.电力信息通信机房的智能巡检技术J.科技视界,2019(10):71-72.作者简介：夏祥（1971.2-），男，汉族，江苏南京人，硕士，中级工程师，电子信息。（作者单位：中国电信股份有限公司南京分公司）电力通信系统中无线专网技术的应用 黄海丽