摘 要：本文針對當前校園、工廠和小區(qū)等場所的安全用電隱患突出，用電安全事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的被動安全用電保護措施已經(jīng)無法滿足社會的需求。本系統(tǒng)運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設計了一款基于云端的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由智能監(jiān)控硬件終端、網(wǎng)關和云端監(jiān)控系統(tǒng)組成。硬件終端實時采集用電參數(shù)，智能網(wǎng)關通過LoRa無線接收到數(shù)據(jù)后進行過濾并轉(zhuǎn)發(fā)到云端，云端系統(tǒng)對上傳的電參數(shù)和信息進行分析，系統(tǒng)還可以下發(fā)指令到硬件終端進行控制和報警。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能有效保障安全用電，減少用電事故的發(fā)生。
關鍵詞：安全用電；監(jiān)控；人工智能；大數(shù)據(jù)；LoRa；云端
0 引言
安全問題一直是社會關注的焦點，特別是校園、工廠和小區(qū)等場所的安全，這些場所空間窄、人員密集，一旦發(fā)生安全事故，則會導致不可預見的損失，而用電安全是預防安全事故的重要措施。線路過載、短路和漏電是安全用電首須要考慮的問題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當時電氣保護裝置的技術(shù)水平，容易導致用電安全事故發(fā)生，雖然新安裝的線路中增加了很多過載和漏電保護裝置，但是由于保護裝置質(zhì)量和人為安裝不規(guī)范等原因，還是會出現(xiàn)用電安全事故，從而發(fā)生火災和觸電，導致人員傷亡。
電已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的必需品，但是電是把劍，提供便利的同時，稍有不慎，將成為巨大的風險源，超負荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會技術(shù)的發(fā)展，特別是當代我國互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起，不僅僅改變了人們的生活方式，還對各行各業(yè)的發(fā)展起來很大的推動作用。
本系統(tǒng)運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設計了一款基于云端的安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過大數(shù)據(jù)的分析，能判斷出線路容易出現(xiàn)過載和漏電的時間段和大概線路位置，從而可以準確做好應對措施以及迅速進行故障排除；結(jié)合人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實時監(jiān)測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數(shù)，能實時準確地對故障線路進行斷電和恢復，發(fā)出語音播報警告等提示信息。
1 系統(tǒng)設計原理
系統(tǒng)由智能監(jiān)控硬件終端、智能網(wǎng)關和云端服務器組成。智能終端采集線路的電參數(shù)，通過RoLa無線傳輸給網(wǎng)關，網(wǎng)關過濾數(shù)據(jù)后由GPRS網(wǎng)絡上傳到云端服務器，云端服務器存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。各個采集終端與網(wǎng)關構(gòu)成了星型網(wǎng)絡，網(wǎng)關與網(wǎng)關之間的網(wǎng)絡節(jié)點是平等的，直接和云端服務器聯(lián)網(wǎng)通訊。
2 硬件系統(tǒng)
2.1采集終端設計
2.1.1 STM32F407ZET6單片機
STM32F4ZET6是由意法半導體開發(fā)的一種高性能微控制器，它的Flash有512KB，RAM大小為192KB，CPU頻率可達168MHz，芯片內(nèi)嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)能實時分析處理，因此本采集終端使用了STM32F407ZET6作為主CPU。
2.1.2 電參數(shù)采集電路
采集終端需要采集電路的電能、功率、功率因素、電流和電壓等電參數(shù)，為了準確而穩(wěn)定地采集電路參數(shù)，選用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用，能滿足了采集電路數(shù)據(jù)的要求。
2.1.3 LoRa通訊技術(shù)
采樣終端采集數(shù)據(jù)后，需要通過無線的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關節(jié)點，再由網(wǎng)關節(jié)點上傳到云端服務器，所以要求終端數(shù)據(jù)的傳輸須穩(wěn)定可靠，考慮到部節(jié)約成本和部署采集終端的靈活性等原因，選用了LoRa無線技術(shù)，LoRa無線技術(shù)具有傳輸距離遠，頻段免費，部署方便等優(yōu)點。
2.2 智能網(wǎng)關設計
SIM7600CE是一款可以實現(xiàn)2G/3G/4G網(wǎng)絡通信的全網(wǎng)通模塊，智能網(wǎng)關系統(tǒng)是以STM32F103為核心處理器，外接全網(wǎng)通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊構(gòu)成的。通過自主研發(fā)的軟件算法，可以把LoRa模塊接收的數(shù)據(jù)，準確、穩(wěn)定地通過GPRS網(wǎng)絡上傳到云端服務器，網(wǎng)關還具有斷線自動重連、網(wǎng)絡監(jiān)測等功能，保證網(wǎng)關安全、可靠地工作。智能網(wǎng)關的系統(tǒng)框架如圖2所示。智能網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸全部通過自主設定的加密算法進行加密運算，可以保證重要數(shù)據(jù)的安全性。
3 軟件系統(tǒng)
服務器軟件系統(tǒng)的設計主要劃分為HTTP服務和Socket服務。業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)顯示等由HTTP服務完成，網(wǎng)關終端與服務器之間的數(shù)據(jù)通信則由Socket服務完成。
3.1 HTTP服務
HTTP服務的設計采用了PHP語言，PHP易于學習，使用廣泛，主要適用于Web開發(fā)領域；NGINX是一個高性能的HTTP和反向代理服務器，本系統(tǒng)的HTTP服務采用了PHP7和NGINX完成。
3.2 Socket服務
由于網(wǎng)關終端與云服務器的連接的TCP長久連接，要求網(wǎng)關終端須實時連接服務器，以便于數(shù)據(jù)及時處理和監(jiān)控采樣終端，因此了Swoole引擎開發(fā)Socket服務，Swoole是一個面向生產(chǎn)環(huán)境的PHP異步網(wǎng)絡通信引擎，可以編寫高性能的異步并發(fā)TCP服務。
3.3 B/S構(gòu)架服務器設計
為了減少開發(fā)量和滿足系統(tǒng)跨平臺、多終端使用的要求，提高系統(tǒng)使用的便捷性，云端監(jiān)控系統(tǒng)采用了B/S構(gòu)架設計，云端監(jiān)控系統(tǒng)的設計框圖如圖3所示。
終端采集數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行加密處理，通過自主制定的網(wǎng)絡通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)由網(wǎng)關上傳到由Swoole引擎編寫的高性能Socket服務器上，Socket服務器采集數(shù)據(jù)后進行處理和分析。
服務器上通過采集終端上傳的各種用電參數(shù)數(shù)據(jù)，通過自主開發(fā)的軟件算法，可以實時準確地分析線路的運行情況。再運用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行分析處理，可以預測可能發(fā)生安全用電事故的線路位置，及時通知維修人員進行維護處理。
4 系統(tǒng)應用效果和性能驗證
系統(tǒng)部署某公園的照明電路線路中，監(jiān)控照明線路的電參數(shù)情況，測試系統(tǒng)的各項指標數(shù)據(jù)。在線路發(fā)生漏電、過流和過壓等不正常的情況時，智能終端能迅速切斷線路，防止發(fā)生嚴重的電類事故，異常報警動作反應時間和準確率如表1所示。
通過出現(xiàn)各類安全事情，智能終端的運行情況，可以得出智能終端能在電路發(fā)生不安全狀況時，能在2秒以內(nèi)迅速切斷線路，符合要求。而且通過研發(fā)的干擾過濾算法，能讓智能終端報警準確率保持*。
5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏?、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質(zhì)量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點的4G網(wǎng)絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
平臺的整體結(jié)構(gòu)圖
具體功能如下：
（1）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實時報警數(shù)據(jù)等，能實時顯示現(xiàn)場服務次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
（3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監(jiān)控探測終端產(chǎn)品滿足國家法律法規(guī)和有關技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》）的要求，并通過國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網(wǎng)絡接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。
5.2 產(chǎn)品選型
5.2.1 漏電火災監(jiān)控探測器
5.2.2 故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3 限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
表內(nèi)超溫保護功能。當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
5.2.4 剩余電流互感器
5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數(shù)據(jù)。
5.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
6 結(jié)束語
安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r網(wǎng)絡監(jiān)控用電的各項參數(shù)，還能夠根據(jù)電路的漏電電流、過流和過壓值等，迅速做出判斷并且可以即時斷開線路，保證線路的安全，防止觸電等各類電類事故的發(fā)生，系統(tǒng)可以在不改變原來線路的情況下進行加裝，部署方便，成本低，實用可靠。
參考文獻
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[5] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
王孟春，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應用
