曹舉文

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司,甘肅蘭州,730000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后的又一先進科學技術(shù)，其簡單來說是通過通信技術(shù)將真實的設(shè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，提升解決速度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合許多虛擬技術(shù)，包括傳感器，服務(wù)器等，其是集成分析服務(wù)和多樣技術(shù)的融合產(chǎn)物[1]。由于其特殊性，被應(yīng)用于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的各個平臺。其中，應(yīng)用效果最好的是自動預警系統(tǒng)。自動預警系統(tǒng)指的是面臨各項指標異常時，可以及時檢測并觸發(fā)報警，方便其進行處理，避免災難的發(fā)生。利用物聯(lián)網(wǎng)可以將預警系統(tǒng)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(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的自動預警系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)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(shè)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(shù)值[2]。前端運算芯片的運算指數(shù)需要進行額外的規(guī)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(guī)劃，有利于解決現(xiàn)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?shù)男旁氡取?/p>

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(yīng)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(huán)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(xù)的傳輸。

2 軟件設(shè)計

2.1 采集電力隧道預警數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)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(huán)境波長信息進行采樣。傳感器有限的監(jiān)測范圍和硬件電路的延遲響應(yīng)要求MCU持續(xù)檢測信號。MCU第一次向轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送轉(zhuǎn)換信號后，開始對通道數(shù)進行計數(shù)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(fā)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(yīng)請求后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)換結(jié)果為MCU；開始下一次轉(zhuǎn)換，再執(zhí)行此循環(huán)。

信息采集過程中的熱釋電溫度測量必須經(jīng)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(tǒng)來檢測表面溫度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，其可以在黑體溫度和溫度測量系統(tǒng)輸出的電信號之間創(chuàng)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(yīng)關(guān)系測量其溫度，動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)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(zhì)的影響，測量范圍廣，構(gòu)造簡單，使用方便。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計自動預警監(jiān)控主界面

本文設(shè)計的系統(tǒng)發(fā)展方向應(yīng)強調(diào)整個系統(tǒng)的功能性和操作簡便性。主界面的開發(fā)主要包括窗口、菜單、工具欄、搜索欄等，可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫軟件、MATLAB軟件等，因此功能菜單可以實現(xiàn)圖形化窗口控制和程序操作控制，還可以實現(xiàn)編輯、顯示、插入、工具、輔助系統(tǒng)、專業(yè)模型等。

雖然工具欄只是知名軟件的常見應(yīng)用，但在開發(fā)專業(yè)軟件系統(tǒng)時，還是要考慮到設(shè)置工具欄的需要。它可以幫助系統(tǒng)提高對數(shù)據(jù)的打印、存儲和格式轉(zhuǎn)換的能力，還可以分析預警報告。為體現(xiàn)技術(shù)獨立性，預警模型參考模塊的設(shè)計引入專業(yè)知識，作為數(shù)據(jù)分析的參考或直接參與模型調(diào)用的計算。

數(shù)據(jù)管理接口可以實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的加載、維護、更新、查詢、輸出、用戶信息管理等功能。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理接口的基本要求，可在監(jiān)測軟件系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中設(shè)計6個模塊。首先在窗口中輸入監(jiān)控的基本信息和動態(tài)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(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互性能。設(shè)計數(shù)據(jù)保存功能可以實現(xiàn)系統(tǒng)中重要信息的自動糾錯、備份和恢復。其次數(shù)據(jù)更新模塊可分為軟件程序更新和數(shù)據(jù)信息更新。

數(shù)據(jù)瀏覽功能允許用戶查看加載到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的所有信息，包括監(jiān)測點數(shù)、現(xiàn)場設(shè)備型號、數(shù)量和位置等監(jiān)測信息。數(shù)據(jù)輸出功能可以保存采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)或分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為EXCEL、WORD等通用文件格式，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的信息交換。讓管理員可以快速輕松地獲得分析結(jié)果，減少調(diào)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(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)建立電力隧道自動預警平臺架構(gòu)，實際上是將云端協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)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(gòu)邊緣計算，從而完成部分邊緣層數(shù)據(jù)處理任務(wù)，減少上傳到云中心的數(shù)據(jù)量，降低云計算資源消耗。通過云側(cè)協(xié)同提高數(shù)據(jù)安全性能，減少系統(tǒng)消耗；合理分配延遲和系統(tǒng)資源，同時加強數(shù)據(jù)保護，滿足預警系統(tǒng)的實時性、安全性和效率要求。設(shè)計的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動預警平臺架構(gòu)

如圖1所示，終端層主要由傳感器和監(jiān)控設(shè)備組成，它可以檢測和收集數(shù)據(jù)信息并傳輸?shù)缴蠈印＝K端層通常包含大量的監(jiān)控設(shè)備，可以將收集檢測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)源形式向上層傳輸。邊緣計算層主要由各種邊緣計算節(jié)點組成，廣泛分布在端點和云端之間。另外，不同的邊緣節(jié)點可以完成的內(nèi)容也有很大的不同點，它們的資源是動態(tài)的。為完成相應(yīng)功能，邊緣計算層可以合理分配邊緣計算節(jié)點。云計算在基于云側(cè)協(xié)同的系統(tǒng)架構(gòu)中，是最強大、最重要的數(shù)據(jù)中心。一些在該層難以完成的分析處理任務(wù)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(wù)，兼顧資源分配。

2.4 實現(xiàn)電力隧道自動預警

每個節(jié)點同時作為網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)傳輸站不僅可以采集數(shù)據(jù)，還可以接收來自相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)，并直接或間接地傳輸?shù)街行墓?jié)點，即所有節(jié)點形成網(wǎng)狀拓撲。中心節(jié)點是一個特殊的節(jié)點，本文設(shè)計的系統(tǒng)中只有一個節(jié)點，它不收集本地數(shù)據(jù)，主要作為無線電接收器，接收整個無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給PC串行端口。通過中心節(jié)點的串口，系統(tǒng)還可以處理運行在PC端的管理軟件無線報警參數(shù)的狀態(tài)。

一個系統(tǒng)的誤報率與紅外探測器的安裝位置和周圍環(huán)境有很大關(guān)系。紅外探測器通常安裝在比較高的地方，環(huán)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(jié)點必須連接SMA天線，利用路由節(jié)點的位置進行有效定位，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或無法找到設(shè)備等問題。

3 實驗

3.1 實驗準備

監(jiān)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(shè)計的預警系統(tǒng)會發(fā)出報警的聲音，同時向路由節(jié)點發(fā)出信號，而路由節(jié)點在整個系統(tǒng)中采集紅外模塊信息，并向周圍的路由節(jié)點或者其他的終端節(jié)點發(fā)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(wǎng)絡(luò)按照預定的協(xié)議分別向管理平臺發(fā)送警報信息，并由管理平臺進行處理。

3.2 實驗結(jié)果與討論

控制電力隧道中的溫度，安裝自動預警系統(tǒng)，設(shè)置標準溫度為40度。超過40度即觸發(fā)報警裝置，分別調(diào)試電力隧道中的溫度數(shù)值，進行檢測，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力隧道自動預警系統(tǒng)可以成功地對超出標準的溫度進行預警，并觸發(fā)報警裝置，靈敏度高，性能良好。

4 結(jié)束語

自動預警系統(tǒng)在預防即將發(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計電力隧道預警系統(tǒng)。經(jīng)過測試證明，本文設(shè)計的自動預警系統(tǒng)可以成功地進行預警，且其觸發(fā)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。