物聯網技術在電力隧道自動預警系統中的應用

曹舉文

（中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州,730000）

0 引言

物聯網是繼互聯網技術出現后的又一先進科學技術，其簡單來說是通過通信技術將真實的設施與虛擬的信息連通，從而分析解決，或者建立線上處理平臺，加快數據傳輸的效率，提升解決速度。物聯網技術融合許多虛擬技術，包括傳感器，服務器等，其是集成分析服務和多樣技術的融合產物[1]。由于其特殊性，被應用于數字網絡的各個平臺。其中，應用效果最好的是自動預警系統。自動預警系統指的是面臨各項指標異常時，可以及時檢測并觸發報警，方便其進行處理，避免災難的發生。利用物聯網可以將預警系統中的傳感器靈敏度提高，平臺的處理效率也會隨之提高。因此需要設計基于物聯網的自動預警系統。

1 硬件設計

1.1 LM358運算芯片

由于檢測器的信號輸出在微伏或毫伏級，信號很微弱，因此前端電路需設置為高增益低噪聲。高增益是獲得SV 周圍的電壓信號，低噪聲是獲得高于電壓信號的相對數值[2]。前端運算芯片的運算指數需要進行額外的規劃，得到高信噪比的信號后，利用下一級放大電路進一步放大，所以前置放大電路采用低偏置精度。在整個運算過程中，選用LM358運算芯片進行初級規劃，有利于解決現階段的問題，使其避免受電源電壓和電壓的影響，可以達到適當的信噪比。

1.2 PM611紅外傳感器

PM611是一種無源熱釋電紅外傳感器，探測距離只有2m左右，限制了應用范圍。添加Finier鏡頭可以增加距離，擴大視野；選擇合適的焦距安裝在探頭前面。環境溫度補償電路中的熱釋電探測器可以在沒有Finier透鏡的情況下使用[3]。當光信號通過鏡頭和檢測器時，變成交變脈沖信號，但此時的脈沖信號非常微弱，需要進行預處理后才可以進行后續的傳輸。

2 軟件設計

2.1 采集電力隧道預警數據

數據采樣主要是通過熱釋電傳感器對測量對象的輻射信息和環境波長信息進行采樣。傳感器有限的監測范圍和硬件電路的延遲響應要求MCU持續檢測信號。MCU第一次向轉換芯片發送轉換信號后，開始對通道數進行計數和管理。由于只有兩個信號，因此只需要利用第一個和第二個通道。如果有異常信息，會發送基于EOC的一個中斷信號；如果是高電平，則要求MCU中斷。響應請求后，執行中斷服務程序，轉換結果為MCU；開始下一次轉換，再執行此循環。

信息采集過程中的熱釋電溫度測量必須經過校準才能更準確。目標物體的溫度通常使用標準黑體作為標準輻射源，并使用待校準的測溫系統來檢測表面溫度。根據實驗數據顯示，其可以在黑體溫度和溫度測量系統輸出的電信號之間創建一條曲線并進行校正。常見的測溫校準方法有兩種[4]，其中一種是輻射法，另一種是熱電偶法。輻射法利用被測對象的輻射能與溫度的對應關系測量其溫度，動態響應快，適應特殊場合，測溫范圍無上限。而熱電偶法測量精度高，不受中間介質的影響，測量范圍廣，構造簡單，使用方便。

2.2 基于物聯網設計自動預警監控主界面

本文設計的系統發展方向應強調整個系統的功能性和操作簡便性。主界面的開發主要包括窗口、菜單、工具欄、搜索欄等，可以實現信息的加載、保存、搜索和查詢。功能菜單代表一些成熟先進的管理軟件的豐富界面，如SQL數據庫軟件、MATLAB軟件等，因此功能菜單可以實現圖形化窗口控制和程序操作控制，還可以實現編輯、顯示、插入、工具、輔助系統、專業模型等。

雖然工具欄只是知名軟件的常見應用，但在開發專業軟件系統時，還是要考慮到設置工具欄的需要。它可以幫助系統提高對數據的打印、存儲和格式轉換的能力，還可以分析預警報告。為體現技術獨立性，預警模型參考模塊的設計引入專業知識，作為數據分析的參考或直接參與模型調用的計算。

數據管理接口可以實現對監控數據的加載、維護、更新、查詢、輸出、用戶信息管理等功能。根據監測數據管理接口的基本要求，可在監測軟件系統或數據庫系統中設計6個模塊。首先在窗口中輸入監控的基本信息和動態變化值，或采用特定文件的特定格式的文件輸入，來提高本系統與其他系統的數據信息交互性能。設計數據保存功能可以實現系統中重要信息的自動糾錯、備份和恢復。其次數據更新模塊可分為軟件程序更新和數據信息更新。

數據瀏覽功能允許用戶查看加載到系統數據庫中的所有信息，包括監測點數、現場設備型號、數量和位置等監測信息。數據輸出功能可以保存采集到的監測數據，同時將數據或分析結果轉換為EXCEL、WORD等通用文件格式，實現與其他系統的信息交換。讓管理員可以快速輕松地獲得分析結果，減少調整文件輸出格式的步驟，讓預警信息快速披露給管理員。

2.3 建立電力隧道自動預警平臺架構

基于物聯網建立電力隧道自動預警平臺架構，實際上是將云端協同的物聯網系統架構應用到安全預警方向。其目的是引入一種新的計算模型來進行云平臺架構邊緣計算，從而完成部分邊緣層數據處理任務，減少上傳到云中心的數據量，降低云計算資源消耗。通過云側協同提高數據安全性能，減少系統消耗；合理分配延遲和系統資源，同時加強數據保護，滿足預警系統的實時性、安全性和效率要求。設計的架構如圖1所示。

圖1 自動預警平臺架構

如圖1所示，終端層主要由傳感器和監控設備組成，它可以檢測和收集數據信息并傳輸到上層。終端層通常包含大量的監控設備，可以將收集檢測到的數據通過數據源形式向上層傳輸。邊緣計算層主要由各種邊緣計算節點組成，廣泛分布在端點和云端之間。另外，不同的邊緣節點可以完成的內容也有很大的不同點，它們的資源是動態的。為完成相應功能，邊緣計算層可以合理分配邊緣計算節點。云計算在基于云側協同的系統架構中，是最強大、最重要的數據中心。一些在該層難以完成的分析處理任務仍需要在云端完成，云端可以合理分配邊緣計算層的功能和任務，兼顧資源分配。

2.4 實現電力隧道自動預警

每個節點同時作為網絡上的數據采集器和數據傳輸站不僅可以采集數據，還可以接收來自相鄰節點的數據，并直接或間接地傳輸到中心節點，即所有節點形成網狀拓撲。中心節點是一個特殊的節點，本文設計的系統中只有一個節點，它不收集本地數據，主要作為無線電接收器，接收整個無線網絡中各個節點發送的數據，并發送給PC串行端口。通過中心節點的串口，系統還可以處理運行在PC端的管理軟件無線報警參數的狀態。

一個系統的誤報率與紅外探測器的安裝位置和周圍環境有很大關系。紅外探測器通常安裝在比較高的地方，環境溫度的變化也會影響紅外報警的準確性。另外，對于遠距離傳輸，終端節點必須連接SMA天線，利用路由節點的位置進行有效定位，以保證數據的正常傳輸，不會出現數據丟失或無法找到設備等問題。

3 實驗

3.1 實驗準備

監測模塊小于30m時，符合探測距離，輸出溫度變化信號，在溫度變化異常時，設計的預警系統會發出報警的聲音，同時向路由節點發出信號，而路由節點在整個系統中采集紅外模塊信息，并向周圍的路由節點或者其他的終端節點發送警報，還可以把周圍的溫度情況實時地傳輸給管理中心。通過Zigbee無線網絡按照預定的協議分別向管理平臺發送警報信息，并由管理平臺進行處理。

3.2 實驗結果與討論

控制電力隧道中的溫度，安裝自動預警系統，設置標準溫度為40度。超過40度即觸發報警裝置，分別調試電力隧道中的溫度數值，進行檢測，實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

由表1可知，本文設計的基于物聯網的電力隧道自動預警系統可以成功地對超出標準的溫度進行預警，并觸發報警裝置，靈敏度高，性能良好。

4 結束語

自動預警系統在預防即將發生的災難，防止人員傷亡和物資損失方面有重要作用，本文基于物聯網技術設計電力隧道預警系統。經過測試證明，本文設計的自動預警系統可以成功地進行預警，且其觸發報警的時間短，靈敏度高，性能良好。但由于僅對較低溫度的閾值進行測試，可能存在一定的誤差，因此需要在不斷地實踐中進行改進。