陳 果 劉皓翔 倪 志 馬志鵬

（1.重慶機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，重慶 401120；2.西南大學(xué)，重慶 400715；3.重慶前衛(wèi)無(wú)線電能傳輸研究院有限公司，重慶 401120；4.重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

近年來(lái)，機(jī)場(chǎng)逐步發(fā)展成為凝聚航空產(chǎn)業(yè)資源、激發(fā)區(qū)域發(fā)展活力的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，也成為成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈中的重要開(kāi)放門(mén)戶，是錨定地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。《民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)供用電安全管理規(guī)定》中將樞紐機(jī)場(chǎng)指定為特級(jí)或一級(jí)重要電力用戶[1]。航站樓屬于重要的用電單元，如果航站樓發(fā)生停電事故，旅客流程將受到嚴(yán)重影響。當(dāng)航站樓出現(xiàn)供電中止的突發(fā)情況時(shí)，自啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組將作為航站樓供電的最后保障，具有重要的電力系統(tǒng)托底作用[2]。確保機(jī)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)電力的持續(xù)輸出是一項(xiàng)重要工作。保障柴油發(fā)電機(jī)持續(xù)工作的前提是油量可控、可及時(shí)補(bǔ)充，發(fā)生大面積停電事故的應(yīng)急處突的情況下，多臺(tái)發(fā)電機(jī)可同時(shí)啟動(dòng)。由于值班點(diǎn)以及發(fā)電機(jī)分散分布，為數(shù)不多的運(yùn)維班組人員趕往各發(fā)電機(jī)設(shè)備間現(xiàn)場(chǎng)值守確認(rèn)，給供電保障部門(mén)造成人力調(diào)配的運(yùn)行壓力。因此，一種新技術(shù)亟待應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)油位監(jiān)測(cè)的工程中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新一代智能技術(shù)，廣泛存在智慧建筑、智慧工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用解決方案中[3-4]。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工況構(gòu)建柴油發(fā)電機(jī)油位智慧管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器子網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸主網(wǎng)絡(luò)以及用戶交互平臺(tái)所組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)的地理位置沿航站樓外沿分布，受其地理?xiàng)l件約束，需要在航站樓東側(cè)與西側(cè)分別構(gòu)建傳感器子網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)絡(luò)總體呈現(xiàn)星形分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征。每個(gè)發(fā)電機(jī)設(shè)備間設(shè)置一套傳感器及下位機(jī)，采集的數(shù)據(jù)由下位機(jī)利用LoRa低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集上位機(jī)發(fā)送。

利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將子網(wǎng)絡(luò)中的各組數(shù)據(jù)上傳至主網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)。在主網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)中，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算，判斷是否需要對(duì)各柴油發(fā)電機(jī)油位進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警信息與各類數(shù)據(jù)最終以LWM2M協(xié)議上傳至云平臺(tái)。在平臺(tái)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)顯示等功能的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行交互界面的展示[5]。

設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由4個(gè)層面組成，由下至上分別為以傳感器模塊組成物聯(lián)網(wǎng)的感知層，以數(shù)據(jù)通信模塊組成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，以數(shù)據(jù)處理軟件模塊組成物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)算層，以人機(jī)界面模塊組成物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層。在感知層中，將發(fā)電機(jī)油箱余量等信息轉(zhuǎn)換為有效數(shù)據(jù)；在網(wǎng)絡(luò)層中，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的有效數(shù)據(jù)間的組網(wǎng)互聯(lián)；在運(yùn)算層中，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層中有效數(shù)據(jù)展現(xiàn)運(yùn)維人員的最優(yōu)工作策略；在應(yīng)用層中，通過(guò)電腦端網(wǎng)頁(yè)，實(shí)時(shí)顯示各發(fā)電機(jī)的剩余油量信息，并推送建議運(yùn)維工作方法。

2 各模塊功能設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

柴油發(fā)電機(jī)及其油箱實(shí)物如圖2所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)用柴油發(fā)電機(jī)及其油箱

油箱正面安裝有一根透明油管，油管中液位與油箱中液位相同，運(yùn)維人員在現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)肉眼觀察的方法獲取油箱中剩余油量。

本文設(shè)計(jì)傳感器模塊用于監(jiān)測(cè)液面位置，將內(nèi)含磁鋼的中空球放置在油管內(nèi)，使其可以隨液位上下漂浮。磁場(chǎng)強(qiáng)弱即對(duì)應(yīng)液面信息，同時(shí)可被由磁敏電阻R0和三極管組成磁敏式傳感器捕獲，以非接觸的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)量信號(hào)。

磁敏傳感器工作基本原理如圖3所示。

圖3 磁敏傳感器工作基本原理

在油管外圍垂直放置磁敏傳感器陣列，其中包含n個(gè)磁敏傳感器。當(dāng)中空球處于第i個(gè)傳感器的檢測(cè)范圍時(shí)，第i-1、i、i+1號(hào)傳感器中僅有i號(hào)有輸出信號(hào)，系統(tǒng)即可探知柴油液面所處位置并由下位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送至工作終端。當(dāng)陣列中最上、下方傳感器輸出信號(hào)時(shí)，分別表明油量已趨于滿油、接近預(yù)警值的狀態(tài)。

磁敏傳感器陣列布置如圖4所示。

圖4 磁敏傳感器陣列布置

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

本模塊中應(yīng)用了SEMTECH公司生產(chǎn)的SX1268射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。該芯片的LoRa無(wú)線串口模塊E22-400T22D的接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率范圍達(dá)到0.3～62.5 kB/s，穩(wěn)定通信距離可達(dá)5.0 km。在實(shí)際應(yīng)用中，油位開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)下位機(jī)STM32處理后，由E22-400T22D模塊上傳至LoRa 模塊，數(shù)據(jù)匯集后通過(guò)USART 與上位機(jī)STM32進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。為了避免子網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)干擾，在初始化時(shí)，為每個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)下的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)地址和頻率信道等參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

以油管長(zhǎng)度為參照，磁敏傳感器陣列從下到上設(shè)于20%、40%、60%、80%四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)油管浮球所處位置，判別油位所處區(qū)間范圍并形成傳感器采樣數(shù)據(jù)。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接成功后，由LoRa無(wú)線模塊向單側(cè)航站樓子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集上位機(jī)下發(fā)來(lái)自云平臺(tái)的控制指令。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，主網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)可以接收上傳數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)按照各油機(jī)室設(shè)備編號(hào)順序存儲(chǔ)至消息列表。收集所有設(shè)備的上傳數(shù)據(jù)后，將封裝好的數(shù)據(jù)幀上傳至云平臺(tái)。

系統(tǒng)軟件執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件執(zhí)行流程

2.4 人機(jī)界面模塊

終端設(shè)備與云平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面之間的數(shù)據(jù)交互按照HTTPS請(qǐng)求和應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn)。各傳感器數(shù)據(jù)被上傳至OneNET平臺(tái)后，被推送至監(jiān)測(cè)界面。

人機(jī)交互界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面

該界面中實(shí)時(shí)顯示各發(fā)電機(jī)油位的擬合百分?jǐn)?shù)以及預(yù)估剩余分鐘數(shù)，具有歷史數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)頁(yè)端設(shè)置等人機(jī)交互功能。油位過(guò)低到達(dá)預(yù)警區(qū)時(shí)，界面中可顯示油位信息的警告狀態(tài)。

3 裝置功能驗(yàn)證

本文所述監(jiān)測(cè)裝置分別對(duì)兩個(gè)油箱液位同時(shí)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。以30 min為間隔標(biāo)注了6個(gè)觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間段內(nèi)發(fā)電機(jī)油位的變化情況如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)油位變化數(shù)據(jù)

在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，1號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)30 min熱備用后待機(jī)，因此其油量基本保持在80%的同一數(shù)值上；2號(hào)發(fā)電機(jī)持續(xù)帶載測(cè)試，運(yùn)行至30 min、90 min時(shí)向其油箱內(nèi)補(bǔ)充了柴油，且第二次注油量相對(duì)較少。在第150 min時(shí)，2號(hào)發(fā)電機(jī)油位達(dá)到20%的預(yù)警區(qū)。此時(shí)，在人機(jī)交互界面中發(fā)出了“2號(hào)發(fā)電機(jī)油量不足20%”告警信息，證實(shí)了本文所設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)油位監(jiān)測(cè)裝置的有效性。在界面中，相關(guān)發(fā)電機(jī)負(fù)荷區(qū)域和油位狀態(tài)進(jìn)行同步展示，直觀地為運(yùn)維人員提供運(yùn)維保障信息。系統(tǒng)可以極大提升機(jī)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)油位監(jiān)測(cè)的智能化水平，提升機(jī)場(chǎng)發(fā)電機(jī)保障工作的效率，有效緩解故障處理工作中的人力、物力內(nèi)耗。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套便于機(jī)場(chǎng)應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)油位智慧管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為構(gòu)建的技術(shù)基礎(chǔ)，采用LoRa低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)聯(lián)系。機(jī)場(chǎng)運(yùn)維人員應(yīng)用該系統(tǒng)后，可在線獲取航站樓柴油發(fā)電機(jī)的油位信息并提前調(diào)配人力資源。因此，該系統(tǒng)有效量化了柴油發(fā)電機(jī)保障工作目標(biāo)，優(yōu)化了應(yīng)急處突工作中的人力、物力配置，有效地提升機(jī)場(chǎng)應(yīng)急保障柴油發(fā)電機(jī)的智能運(yùn)維水平以及人員工作效率，降低了盲目性。