馬樂(lè)，劉超，李文輝，曲倩，宮皓泉

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅，蘭州 730050)

0 引言

蓄電池作為重要的儲(chǔ)能部件在應(yīng)用過(guò)程中具有重要的作用。蓄電池在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中通常采用視覺(jué)監(jiān)控的方式，也可以采用終端監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)控的方式，這種方式監(jiān)控能力差，當(dāng)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，就難以實(shí)現(xiàn)蓄電池的運(yùn)行，誤差大，在具體使用時(shí)極為不便。為了提高蓄電池運(yùn)維效率，國(guó)內(nèi)外技術(shù)也進(jìn)行了相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[1]介紹了通信電源智能管理及蓄電池在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)的原理，也介紹了該系統(tǒng)的應(yīng)用。該研究的技術(shù)雖然能夠提高通信電源運(yùn)維工作效率,在一定程度上降低了大量運(yùn)維成本,但是數(shù)據(jù)通信效率不高，數(shù)據(jù)交互能力較差。文獻(xiàn)[2]通過(guò)監(jiān)測(cè)技術(shù)提高了蓄電池的監(jiān)測(cè)能力，能夠?qū)⑿铍姵乇O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)新的傳輸手段上傳云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行儲(chǔ)存、分析,但該技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)的計(jì)算能力較弱，無(wú)法實(shí)時(shí)、在線監(jiān)控蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，該技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平需要進(jìn)一步提高。在國(guó)外技術(shù)中，比如文獻(xiàn)[11]通過(guò)實(shí)時(shí)本地化和嵌入式傳感器等新興技術(shù)的結(jié)合，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，啟用了新穎的計(jì)算應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)體系的應(yīng)用，但是對(duì)于數(shù)據(jù)的處理仍舊沒(méi)提及。

針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究提供一種新型的技術(shù)方法，在監(jiān)測(cè)蓄電池時(shí)，融合了邊緣計(jì)算技術(shù)，提高了運(yùn)算能力，克服了常規(guī)物聯(lián)技術(shù)中存在的技術(shù)弊端，提高了蓄電池的運(yùn)維管理能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于:

(1) 設(shè)計(jì)了一套包括終端物聯(lián)層、計(jì)算層、傳輸層和監(jiān)控層的整套運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蓄電池的物聯(lián)通信和數(shù)據(jù)傳遞，提高了蓄電池監(jiān)控的能力。

(2) 區(qū)別于常規(guī)技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)置了邊緣設(shè)備，通過(guò)邊緣計(jì)算提高蓄電池監(jiān)控的計(jì)算效率，進(jìn)而提高蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)力度。

(3) 在物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)置了遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，通過(guò)設(shè)計(jì)新型的監(jiān)控終端，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了蓄電池的監(jiān)控力度。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本研究的物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

在圖1設(shè)計(jì)的蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖中，通過(guò)分層設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)中的不同部件能夠獨(dú)立工作，使得各部分各就各位。物聯(lián)系統(tǒng)避免了常規(guī)技術(shù)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)弊端[3]。通過(guò)終端設(shè)備層，將蓄電池在運(yùn)維過(guò)程中輸出的數(shù)據(jù)信息傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳遞和云端存儲(chǔ)。本研究區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，在網(wǎng)點(diǎn)中融入了不同數(shù)據(jù)的接口，針對(duì)分布式設(shè)備采用移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)[4]，能夠?qū)Σ煌恢煤蛥^(qū)域的蓄電池運(yùn)維信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和管理，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中設(shè)備分散的問(wèn)題。

在利用邊緣計(jì)算時(shí)，需要對(duì)運(yùn)維過(guò)程中的蓄電池運(yùn)維信息進(jìn)行采集。本研究采用的是ATMega328[5]型號(hào)的采集單元，采用多種處理器接口，其中這種處理器的接口有14路GPIO接口、6路PWM接口、12位ADC接口、UART串口、1路SPI接口、1路I2C接口等多種形式的接口。通過(guò)不同形式的數(shù)據(jù)接口采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee、RS485轉(zhuǎn)RS232等不同的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在進(jìn)行邊緣計(jì)算時(shí)，啟動(dòng)處理器開(kāi)始計(jì)算，采用64位ARMv8處理板，通過(guò)接口BCM43143WiFi實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)交互。

在對(duì)蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，還設(shè)置了MEC系統(tǒng)平臺(tái)，其架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的云平臺(tái)架構(gòu)示意圖

該平臺(tái)采用了MEC基礎(chǔ)層[6]、MEC平臺(tái)層和MEC應(yīng)用層。為了應(yīng)用的方便，本研究將邊緣設(shè)備設(shè)置在MEC基礎(chǔ)層中，無(wú)線通信的技術(shù)手段采用的是移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)等。在MEC平臺(tái)層[7]中，該平臺(tái)設(shè)置了基礎(chǔ)化應(yīng)用設(shè)備和應(yīng)用程序，為管理和應(yīng)用蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)提高良好的硬件設(shè)置和軟件服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端硬件在結(jié)構(gòu)上包括S3C44B0處理器、數(shù)據(jù)緩存器、外延電路、顯示單元、通信模塊、端子程序以及通信接口等，這些部件構(gòu)成了蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)終端。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

在圖3的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用的處理器型號(hào)為S3C44B0[8]，該處理器屬于ARM7TDMI系列，其生產(chǎn)廠家為Samsung公司。該設(shè)備具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能。其內(nèi)部設(shè)置有SDRAM控制模塊、LCD控制模塊等。在外延電路中，還設(shè)置有UART、RTC、IIS等電子部件。該設(shè)備還應(yīng)用了獨(dú)特的外部端子擴(kuò)展口，能夠兼容多種不同的數(shù)據(jù)接口，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和應(yīng)用。多種不同的數(shù)據(jù)接口包括但不局限于遠(yuǎn)程通信端口、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口、RS485通信端口等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。用戶在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心接收該設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)信息。

在本研究的硬件設(shè)計(jì)中，負(fù)控終端設(shè)備如圖4所示。

在圖4的負(fù)控終端中，該設(shè)計(jì)能夠與監(jiān)控終端通過(guò)不同種類的通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。還能夠根據(jù)用戶的需要、根據(jù)監(jiān)控終端運(yùn)維的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，比如當(dāng)被檢蓄電池需要與其他設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，可以在不同的位置分布進(jìn)行計(jì)量計(jì)算，被檢蓄電池輸出運(yùn)維脈沖，在多種數(shù)據(jù)接口交互下，能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的數(shù)據(jù)傳遞，通過(guò)多種數(shù)據(jù)接口將計(jì)量的蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街骺匦酒琜9]，當(dāng)負(fù)控終端輸出脈沖后，通過(guò)主控芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。最終通過(guò)多種形式的無(wú)線通信方式(比如遠(yuǎn)程通信端口、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口、RS485通信端口)傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，繼而實(shí)現(xiàn)蓄電池運(yùn)維的遠(yuǎn)程在線檢測(cè)。

圖4 負(fù)控終端架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 邊緣計(jì)算模型

在本研究的蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)技術(shù)研究中，還采用了邊緣計(jì)算的方式。由于邊緣計(jì)算設(shè)備分布于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中不同的位置，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，本研究通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。其模型架構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 邊緣計(jì)算模塊算法模型

首先，計(jì)算應(yīng)用服務(wù)的交互緩沖時(shí)間dijm，則通過(guò)以下模型進(jìn)行計(jì)算，

(1)

式中，dijm為蓄電池運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端所處的網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)蓄電池運(yùn)維的網(wǎng)絡(luò)記作m，控制中心記數(shù)為jm，i為蓄電池運(yùn)維時(shí)邊緣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的緩沖時(shí)間；φi表示第一回歸參數(shù)，σi表示第二回歸參數(shù)，e-ωici表示第三回歸參數(shù)，這些參數(shù)信息在計(jì)算過(guò)程中為常數(shù)；i表示邊緣設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)程序創(chuàng)建交互；ci表示邊緣設(shè)備計(jì)算i時(shí)間需要用到的邊緣設(shè)備CPU資源的量。

邊緣設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)控制中心緩沖時(shí)間計(jì)算公式為

(2)

式中，di,mjm,p表示蓄電池運(yùn)維過(guò)程中的緩沖時(shí)間，假設(shè)在蓄電池運(yùn)維過(guò)程中，所處運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)為m，第p條蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)通信信道內(nèi)，邊緣設(shè)備附近的信道轉(zhuǎn)換器m與控制中心jm進(jìn)行連接，以創(chuàng)建交互i的緩沖時(shí)間；RTTi，m，p表示蓄電池在運(yùn)維過(guò)程中的第p條信道中，網(wǎng)絡(luò)配置使用的控制器和第m個(gè)信道轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行第i次交互時(shí)的往返時(shí)延；RTTi,jm,p表示在第p條信道中，網(wǎng)絡(luò)配置使用的控制器與控制中心jm進(jìn)行第i次交互進(jìn)行的往返時(shí)延；Tjm,s表示控制中心jm發(fā)出消息時(shí)間；Tjm,a表示接收消息時(shí)間。其中：

(3)

式中，di,mn,p表示在第p條通訊信道中，將核心信道轉(zhuǎn)換器m與核心信道轉(zhuǎn)換器n相互連接，以便創(chuàng)建交互i的緩沖時(shí)間；在進(jìn)行邊緣計(jì)算時(shí)，由于RTTi,m,p在第p條通訊信道中，將控制器與信道轉(zhuǎn)換器m進(jìn)行第i次交互的往返時(shí)延；RTTi,n,p為第p條信道中，將控制器與信道轉(zhuǎn)換器n之間進(jìn)行第i交互的往返時(shí)延；Tα表示從控制器到達(dá)信道轉(zhuǎn)換器m的時(shí)間；TS表示信道轉(zhuǎn)換器n發(fā)送的時(shí)間。交互緩沖時(shí)間與控制中心緩沖時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為

(4)

式中，Nm為蓄電池在運(yùn)維過(guò)程中進(jìn)行移動(dòng)邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，用m表示，s為利用控制中心的數(shù)量，Ngm為控制中心創(chuàng)建交互i的數(shù)量，Npm為信道轉(zhuǎn)換器和控制中心之間的p信道數(shù)，Np,mn為移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)m和n之間具有的p信道數(shù)。進(jìn)一步地，αi為目標(biāo)函數(shù)第一權(quán)重因子，βi為目標(biāo)函數(shù)第二權(quán)重因子，γi為目標(biāo)函數(shù)第三權(quán)重因子。三者之間存在以下關(guān)系式：

γi=1-αi-βi

(5)

在式(4)中，xi,mjm,p為第一決策變量，yi,mn,p為第二決策變量，zijm為第三決策變量。

通過(guò)上述參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了蓄電池運(yùn)維情況的邊緣計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)時(shí)，采用的軟硬件環(huán)境如表1所示。

本研究主要從物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和邊緣計(jì)算的效率上驗(yàn)證本研究的技術(shù)優(yōu)越性。

3.1 系統(tǒng)驗(yàn)證

本研究將物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行方式和文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]進(jìn)行對(duì)比分析，下面從數(shù)據(jù)接收的效率上進(jìn)行分析。假設(shè)在100 s的時(shí)間內(nèi)，觀察3種不同的方法。對(duì)比示意圖如圖6所示。

其中，數(shù)據(jù)接收效率的計(jì)算公式為

(6)

假設(shè)預(yù)定發(fā)出的數(shù)據(jù)量總額為1 000 GB，在100 s時(shí)間內(nèi)，可以得出如表2所示的數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)表2可以看出，本研究的方法數(shù)據(jù)接受率最高，為了動(dòng)態(tài)表示不同時(shí)間的數(shù)據(jù)接受率。將不同的方法通過(guò)圖6表示出來(lái)。

表1 軟硬件環(huán)境架構(gòu)數(shù)據(jù)表

表2 對(duì)比示意圖

圖6 數(shù)據(jù)接收完整性對(duì)比示意圖

從圖6可以看到，在相同的時(shí)間內(nèi)，文獻(xiàn)[1]的技術(shù)方案數(shù)據(jù)接收率明顯低于文獻(xiàn)[2]。本研究方法的技術(shù)方案的數(shù)據(jù)接收率高于文獻(xiàn)[2]，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同方案的數(shù)據(jù)接收率在逐步提高，本研究方法的數(shù)據(jù)接收率最高，說(shuō)明使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，本研究方法的數(shù)據(jù)接收效率大大提高，整體系統(tǒng)的工作效率也隨之提高。

3.2 邊緣計(jì)算技術(shù)驗(yàn)證

區(qū)別于常規(guī)技術(shù)，由于本研究方法采用了邊緣計(jì)算技術(shù)，將本研究的邊緣計(jì)算方法分別與Internet技術(shù)和終端計(jì)算監(jiān)測(cè)[10]的方法進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)邊緣計(jì)算的示例方法如表3所示。

通過(guò)上述計(jì)算，觀察不同計(jì)算方法的延遲時(shí)間、計(jì)算誤差和計(jì)算效率。在循環(huán)8次后，得出如表4所示的計(jì)算數(shù)據(jù)表。其中，工作效率為工作的投入與產(chǎn)出之比，通過(guò)計(jì)算初始數(shù)據(jù)與實(shí)際輸出數(shù)據(jù)之間的比值，實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率(%)的計(jì)算。延遲時(shí)間是從特定點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)包所花的時(shí)間，通過(guò)用戶測(cè)量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算誤差是測(cè)量得出的量值減去參考量值。通過(guò)這種方式測(cè)得的量值就是測(cè)量結(jié)果的量值。其中，數(shù)據(jù)試驗(yàn)表如表4所示。

表3 邊緣計(jì)算程序表示例

表4 數(shù)據(jù)試驗(yàn)表

通過(guò)表4可以看出，本研究的計(jì)算誤差最低，延遲時(shí)間最少，計(jì)算效率最高。為了動(dòng)態(tài)觀察本研究的計(jì)算誤差，通過(guò)在200 min內(nèi)，觀察3種不同方法的計(jì)算誤差，得出如圖7所示的誤差對(duì)比曲線示意圖。在進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)，通過(guò)將測(cè)量測(cè)得的量值減去參考量值計(jì)算出，在經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算后，輸出圖7所示的誤差曲線對(duì)比示意圖。

圖7 誤差曲線對(duì)比示意圖

為了提高驗(yàn)證效率，下面通過(guò)在200 min內(nèi)，動(dòng)態(tài)觀察邊緣計(jì)算方法和Internet技術(shù)[11]以及終端技術(shù)進(jìn)行計(jì)算的誤差，通過(guò)圖7可以看到，本研究的方法誤差最低。

4 總結(jié)

針對(duì)常規(guī)技術(shù)中蓄電池運(yùn)維存在的技術(shù)弊端，本研究融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出新型的蓄電池運(yùn)維監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高了運(yùn)維效率。在應(yīng)用物聯(lián)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用了邊緣設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)在線提高蓄電池監(jiān)控的計(jì)算效率，在物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)置了遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，通過(guò)設(shè)計(jì)新型的監(jiān)控終端，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了蓄電池的監(jiān)控力度。本研究雖然在一定程度上提高了蓄電池的運(yùn)維能力，但是在運(yùn)行過(guò)程中仍舊存在一定的技術(shù)弊端，比如，邊緣設(shè)備兼容性、物聯(lián)設(shè)備的設(shè)置等，這需要進(jìn)一步的研究。