劉南艷　付秋實(shí)　劉　菁

(西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1,陜西 西安　710054；西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2,陜西 西安　710054)

開(kāi)關(guān)柜智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉南艷1付秋實(shí)2劉菁1

(西安科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1,陜西 西安710054；西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2,陜西 西安710054)

摘要：針對(duì)目前開(kāi)關(guān)柜在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能對(duì)未來(lái)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的問(wèn)題，在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計(jì)出一種智能開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高精度數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)溫度值進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警；分別基于Qt和HTML編寫(xiě)人機(jī)交互界面，使監(jiān)測(cè)人員可以方便地獲取溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和短期預(yù)測(cè)，能夠滿足實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜溫度預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能電網(wǎng)溫度傳感器人機(jī)交互界面DS18B20ARM

0引言

近年來(lái)，全球環(huán)境資源面臨越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求日益提高，更加安全、環(huán)保的智能電網(wǎng)逐漸發(fā)展起來(lái)[1]。電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)是智能電網(wǎng)研究的重要領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)就屬于這一范疇[2]。開(kāi)關(guān)柜是電網(wǎng)系統(tǒng)中一個(gè)重要電氣設(shè)備，中高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱量較大，對(duì)其內(nèi)部刀閘觸頭、電纜接頭進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要條件[3-4]。傳統(tǒng)的在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不具備對(duì)未來(lái)溫度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)的功能，在溫度上升斜率較大的情況下，這種監(jiān)測(cè)方式往往具有滯后性，從而錯(cuò)過(guò)了最佳排查故障的時(shí)間，導(dǎo)致安全隱患。因此，在溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中加入溫度預(yù)測(cè)功能很有必要。傳統(tǒng)的溫度預(yù)測(cè)方法主要是對(duì)環(huán)境進(jìn)行溫度場(chǎng)分析[5]，然而開(kāi)關(guān)柜是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)[2]，建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，效果也不甚理想。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由Rumelhart等人給出的一種按誤差反向傳播訓(xùn)練的前饋網(wǎng)絡(luò)[6]，輸入與輸出之間存在著某種映射關(guān)系，而事先并不知道描述這種關(guān)系的函數(shù)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，得到其中蘊(yùn)含的影響溫度變化的因子，再對(duì)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行泛化并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，從而能夠有效預(yù)防電氣設(shè)備故障的發(fā)生。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由底層到上層可分為3個(gè)部分。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

①底層硬件：包括微處理器、溫度傳感器等硬件，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集。

②網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理：包括溫度處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)溫度預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交換等。

③終端設(shè)備：主要是搭載瀏覽器的計(jì)算機(jī)、置于現(xiàn)場(chǎng)的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (thin film transistor，TFT)觸摸屏。終端設(shè)備有顯示、查詢、設(shè)置的功能。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括電源模塊、中央處理單元、內(nèi)存(Flash和RAM)、以太網(wǎng)適配器、溫度采集模塊、TFT觸摸顯示屏幕、報(bào)警模塊。

電源模塊經(jīng)過(guò)整流、斬波后輸出12 VDC供系統(tǒng)使用。中央處理單元采用S3C2440微處理器，這是一款基于ARM9架構(gòu)的32位處理器。中央處理器接收溫度采集模塊測(cè)得的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理；將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在人機(jī)界面上。

溫度測(cè)量模塊的核心是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其特點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果輸出為數(shù)字信號(hào)，這樣便可省去ADC電路。中央處理單元通過(guò)單總線對(duì)傳感器發(fā)出初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等命令，最后測(cè)量結(jié)果再經(jīng)過(guò)單總線傳輸?shù)街醒胩幚韱卧腉PIO接口。

內(nèi)存是所有軟件、數(shù)據(jù)的物理載體。Flash內(nèi)部包含了Linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)等；RAM用來(lái)保存臨時(shí)數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)適配器的型號(hào)為DM9000，微處理器通過(guò)以太網(wǎng)適配器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，這樣遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)就可以通過(guò)瀏覽器客戶端獲取測(cè)量和預(yù)測(cè)的結(jié)果。TFT觸摸屏用來(lái)顯示圖形化人機(jī)界面。

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

3軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)、傳感器驅(qū)動(dòng)程序、溫度處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、人機(jī)界面、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)等。在Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序猶如一個(gè)溝通底層硬件和上層應(yīng)用的橋梁。溫度處理程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序獲取溫度值，并將數(shù)據(jù)存入測(cè)量數(shù)據(jù)表單；然后再調(diào)用溫度預(yù)測(cè)函數(shù)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻溫度，并存入預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表單中。用戶通過(guò)瀏覽器或人機(jī)交互界面即可獲取溫度值。

系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖

3.1溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)傳感器硬件抽象化，為上層的溫度處理程序提供接口。這樣溫度處理程序只需要通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備文件的讀和寫(xiě)即可操作DS18B20。驅(qū)動(dòng)程序直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，比如拉高總線、釋放總線、讀取傳感器內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)等。驅(qū)動(dòng)程序源文件主要包括初始化、寫(xiě)一個(gè)字節(jié)、讀一個(gè)字節(jié)、讀取溫度、操作函數(shù)集映射等。最后將編寫(xiě)好的驅(qū)動(dòng)程序編譯成內(nèi)核模塊，使用時(shí)直接利用insmod命令安裝即可。安裝完成后，使用cat命令查看主設(shè)備號(hào)，再利用mknod命令將主設(shè)備號(hào)與設(shè)備文件名關(guān)聯(lián)即可。

3.2溫度處理程序設(shè)計(jì)

溫度處理程序主要負(fù)責(zé)溫度測(cè)量、溫度預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形界面更新等，用戶自定義報(bào)警值用ts表示，測(cè)量值用tm表示，預(yù)測(cè)值用tp表示。處理程序不斷循環(huán)工作。

為了將溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，并實(shí)現(xiàn)溫度智能預(yù)測(cè)，需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。SQLite是一種小巧、靈活，但功能強(qiáng)大的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)較小等特點(diǎn)，適合在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用[7]。其基本操作如下。

①打開(kāi)或新建數(shù)據(jù)庫(kù)(若不存在)。

sqlite3 *db = NULL ;

result = sqlite3_open ("/DS18B20/DS18B20.db",&db );

其中db表示數(shù)據(jù)庫(kù)句柄，/DS18B20/DS18B20.db為數(shù)據(jù)庫(kù)文件名(含路徑)。打開(kāi)名為/DS18B20/DS18B20.db的數(shù)據(jù)庫(kù)，并用db表示其句柄。

②關(guān)閉已經(jīng)打開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

sqlite3_close (db )

③執(zhí)行SQL語(yǔ)句。

sqlite3_exec(db,"create table DS18B20(ID integer primary key ,temperature float,TimeStamp NOT NULL DEFAULT (datetime('now','localtime')));",0,0 ,&errmsg);

建立一個(gè)帶有時(shí)間戳的名為DS18B20的表，用來(lái)保存溫度。其中序列號(hào)ID為主鍵值。

溫度處理程序流程如圖4所示。

圖4　溫度處理程序流程圖

3.3基于CGI的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)

通用網(wǎng)關(guān)接口(common gateway interface ，CGI) 是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口[8]。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，瀏覽器傳遞信息給Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器去啟動(dòng)所指定的CGI程序來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及其他特定的功能。CGI程序工作原理如圖5所示。

圖5　CGI程序工作原理圖

通過(guò)CGI接口，客戶端向Web服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器獲取請(qǐng)求信息后轉(zhuǎn)交給指定的CGI程序進(jìn)行處理，CGI程序?qū)臄?shù)據(jù)庫(kù)查詢到的溫度數(shù)據(jù)結(jié)果返回給瀏覽器。為了更加方便地編寫(xiě)CGI程序，本系統(tǒng)移植了第三方的CGIC庫(kù)。CGIC是專(zhuān)門(mén)為CGI開(kāi)發(fā)的一個(gè)ANSI C庫(kù)。

3.4人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中包含TFT觸摸屏，用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。人機(jī)交互的方式有多種，其中基于GUI的方式較為直觀、方便。Qt是Trolltech公司發(fā)布的一款開(kāi)發(fā)工具，它的類(lèi)庫(kù)采用C++封裝，包含豐富的控件資源，移植性較好[9]。使用Qt designer可以方便地設(shè)計(jì)出優(yōu)美的圖形界面。首先利用Qt designer設(shè)計(jì)好圖形界面，然后利用ui2cpp工具將圖形界面轉(zhuǎn)為源代碼，再利用Qt的信號(hào)-槽機(jī)制將GUI上面的控件與槽函數(shù)建立映射關(guān)系，具體代碼為：

connect(pushButton_start,SIGNAL(clicked()),timer1,SLOT(start()));

其中，pushButton_start為信號(hào)發(fā)出者，是一個(gè)開(kāi)始按鈕；clicked()表示信號(hào)為單擊；timer1為信號(hào)接收者，是一個(gè)定時(shí)器；start()為槽函數(shù)，表示開(kāi)啟定時(shí)器。這句代碼表示：按下開(kāi)始按鈕，就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器的start()函數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。

3.5網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)采用超文本標(biāo)記語(yǔ)言(hyper text markup language，HTML)和JavaScript腳本語(yǔ)言編寫(xiě)。本系統(tǒng)可通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度，也可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查詢歷史曲線，設(shè)置溫度警戒值。由于HTML只適合顯示靜態(tài)文本，無(wú)法達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示和交互的目的，所以必須配合JavaScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)采用AJAX(異步JavaScript和XML)技術(shù)對(duì)后臺(tái)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，這樣就可以在無(wú)需重新加載整個(gè)頁(yè)面的情況下更新部分網(wǎng)頁(yè)。AJAX并非一種編程語(yǔ)言，而是對(duì)現(xiàn)有諸多Web技術(shù)的整合，用于創(chuàng)建交互性更強(qiáng)的應(yīng)用[10]。

4基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包含3層，分別是輸入層、隱含層、輸出層[11]。本系統(tǒng)溫度傳感器每隔10 s采集一次數(shù)據(jù)，將溫度序列記為{Ti}。由于歷史溫度序列的走向在一定程度上可以反映未來(lái)的溫度，所以擬采用歷史數(shù)據(jù)作為輸入。結(jié)合實(shí)驗(yàn)精度和運(yùn)算量綜合考量，采用4維輸入較為合適，所以輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為4，用Tk+4表示當(dāng)前測(cè)量值。輸入向量p(k)=[TkTk+1Tk+2Tk+3]T，即選取Tk+4的前4個(gè)值為輸入。隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)可以按照經(jīng)驗(yàn)選取為10個(gè)。輸出層神經(jīng)元為1個(gè)，期望輸出值向量d(k)為一維向量，且d(k)=Tk+4。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。圖6中，隱含層的激活函數(shù)為tansig，輸出層的激活函數(shù)為purelin。

圖6　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

學(xué)習(xí)算法描述如下。

①初始化。設(shè)置權(quán)值和閾值為最小隨機(jī)數(shù)。

③對(duì)各個(gè)訓(xùn)練樣本，計(jì)算隱含層和輸出層神經(jīng)元的輸出。

vj(n)=∑wji(n)yi(n)

(1)

yj(n)=φj[vj(n)]

(2)

④計(jì)算誤差信號(hào)和代價(jià)函數(shù)。

ej(n)=dj(n)-yj(n)

(3)

(4)

⑤改變隱含層與輸出層的權(quán)值。

⑥令n=n+1，返回步驟③，直到滿足停止準(zhǔn)則。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)、精密儀器所測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、利用智能算法計(jì)算出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1測(cè)量結(jié)果分析

5.2預(yù)測(cè)結(jié)果分析

為便于分析，直接對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行泛化。由于需要將某一時(shí)刻溫度的前4個(gè)值作為輸入，所以預(yù)測(cè)值從第5個(gè)序列號(hào)開(kāi)始。預(yù)測(cè)值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.19 ℃，可見(jiàn)提出的預(yù)測(cè)算法具有較高的準(zhǔn)確性。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化程度也不斷提高。針對(duì)目前開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)都比較準(zhǔn)確，可以滿足實(shí)際需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 張文亮,劉壯志,王明俊,等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13)：1-3.

[2] 袁甄.利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度預(yù)測(cè)[C]//第六屆ABB杯全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師論文大賽,2013：266-268.

[3] 邵艷婷,鄭劼.開(kāi)關(guān)柜溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析[J].煤炭工程,2013(6)：130-131.

[4] 李赫.變電站高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[5] 左志宇,毛罕平,張曉東，等.基于時(shí)序分析法的溫室溫度預(yù)測(cè)模型[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(11)：173-174.

[6] 謝永成,董今朝,魏寧.基于模式相關(guān)的改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013,22(12)：101-102.

[7] 武寧寧,鮑玉琦.基于SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)的溫濕度實(shí)時(shí)存儲(chǔ)程序的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(10)：42-43.

[8] 王俊,郭書(shū)軍.嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)及其CGI應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(21)：152-153.

[9] 連照亮,徐世國(guó).基于Qt/Embedded在嵌入式Linux下的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(11)：81-82.

[10]華嘯,姜平,陳瑞祥.Ajax 技術(shù)在電子商務(wù)遠(yuǎn)程管理中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(1)：52-53.

[11]張澤旭.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與MATLAB仿真[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011：56-57.

Design of the Intelligent Temperature Monitoring System for Switcher Cabinet

Abstract：Aiming at the problem of existing on line temperature monitoring system for switcher cabinets,i.e.,it is unable to accurately predict future temperature,a new type of temperature monitoring system with BP Neural network algorithm is designed based on traditional switch cabinet temperature monitoring system.In the system,high-accuracy digital temperature sensors are adopted for data acquisition,and the data are stored in SQLite database; then the neural network algorithm is used to predict the temperature value and issue alarm information.The Qt-based human-computer interaction interface HTML-based enable the technician obtain temperature data conveniently.The experimental results show that the system can monitor and short-term forecast the temperature in switcher cabinet,and meet the actual requirements.

Keywords:Switcher cabinetTemperature warningMonitoring systemNeural networkSmart gridTemperature sensorHuman machine interfaceDS18B20ARM

中圖分類(lèi)號(hào)：TH8;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605020

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013JK1188)。

修改稿收到日期：2015-09-01。

第一作者劉南艷(1966-)，女，1989年畢業(yè)于西安科技大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要研究方向?yàn)榍度胧健⒒ヂ?lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘等。