開關(guān)柜智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉南艷　付秋實　劉　菁

(西安科技大學(xué)計算機(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)

開關(guān)柜智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉南艷1付秋實2劉菁1

(西安科技大學(xué)計算機(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：針對目前開關(guān)柜在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)不能對未來溫度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的問題，在傳統(tǒng)開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計出一種智能開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(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)存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對溫度值進(jìn)行預(yù)測和報警；分別基于Qt和HTML編寫人機(jī)交互界面，使監(jiān)測人員可以方便地獲取溫度數(shù)據(jù)。實驗表明，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地對開關(guān)柜溫度進(jìn)行監(jiān)測和短期預(yù)測，能夠滿足實際需要。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜溫度預(yù)警監(jiān)測系統(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，全球環(huán)境資源面臨越來越大的挑戰(zhàn)，社會對可持續(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[1]。電力設(shè)備在線監(jiān)測是智能電網(wǎng)研究的重要領(lǐng)域，開關(guān)柜運行溫度監(jiān)測就屬于這一范疇[2]。開關(guān)柜是電網(wǎng)系統(tǒng)中一個重要電氣設(shè)備，中高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱量較大，對其內(nèi)部刀閘觸頭、電纜接頭進(jìn)行實時溫度監(jiān)測是保證系統(tǒng)安全運行的重要條件[3-4]。傳統(tǒng)的在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)并不具備對未來溫度變化進(jìn)行預(yù)測的功能，在溫度上升斜率較大的情況下，這種監(jiān)測方式往往具有滯后性，從而錯過了最佳排查故障的時間，導(dǎo)致安全隱患。因此，在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中加入溫度預(yù)測功能很有必要。傳統(tǒng)的溫度預(yù)測方法主要是對環(huán)境進(jìn)行溫度場分析[5]，然而開關(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)。通過對歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，得到其中蘊含的影響溫度變化的因子，再對最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行泛化并準(zhǔn)確地預(yù)測，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

系統(tǒng)總體由底層到上層可分為3個部分。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、Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)溫度預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換等。

③終端設(shè)備：主要是搭載瀏覽器的計算機(jī)、置于現(xiàn)場的薄膜場效應(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

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、報警模塊。

電源模塊經(jīng)過整流、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得的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理；將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，通過讀取數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在人機(jī)界面上。

溫度測量模塊的核心是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其特點是測量結(jié)果輸出為數(shù)字信號，這樣便可省去ADC電路。中央處理單元通過單總線對傳感器發(fā)出初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等命令，最后測量結(jié)果再經(jīng)過單總線傳輸?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)動程序、數(shù)據(jù)庫等；RAM用來保存臨時數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)適配器的型號為DM9000，微處理器通過以太網(wǎng)適配器與遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行通信，這樣遠(yuǎn)程計算機(jī)就可以通過瀏覽器客戶端獲取測量和預(yù)測的結(jié)果。TFT觸摸屏用來顯示圖形化人機(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

軟件部分主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)、傳感器驅(qū)動程序、溫度處理程序、數(shù)據(jù)庫訪問、人機(jī)界面、網(wǎng)頁設(shè)計等。在Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動程序猶如一個溝通底層硬件和上層應(yīng)用的橋梁。溫度處理程序通過調(diào)用驅(qū)動程序獲取溫度值，并將數(shù)據(jù)存入測量數(shù)據(jù)表單；然后再調(diào)用溫度預(yù)測函數(shù)預(yù)測下一時刻溫度，并存入預(yù)測數(shù)據(jù)表單中。用戶通過瀏覽器或人機(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)動程序設(shè)計

溫度傳感器驅(qū)動程序負(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對驅(qū)動設(shè)備文件的讀和寫即可操作DS18B20。驅(qū)動程序直接對硬件進(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)動程序源文件主要包括初始化、寫一個字節(jié)、讀一個字節(jié)、讀取溫度、操作函數(shù)集映射等。最后將編寫好的驅(qū)動程序編譯成內(nèi)核模塊，使用時直接利用insmod命令安裝即可。安裝完成后，使用cat命令查看主設(shè)備號，再利用mknod命令將主設(shè)備號與設(shè)備文件名關(guān)聯(lián)即可。

3.2溫度處理程序設(shè)計

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

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

①打開或新建數(shù)據(jù)庫(若不存在)。

sqlite3 *db = NULL ;

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

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

②關(guān)閉已經(jīng)打開的數(shù)據(jù)庫。

sqlite3_close (db )

③執(zhí)行SQL語句。

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

建立一個帶有時間戳的名為DS18B20的表，用來保存溫度。其中序列號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)庫訪問

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)器去啟動所指定的CGI程序來完成對數(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CGI接口，客戶端向Web服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器獲取請求信息后轉(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CGI程序，本系統(tǒng)移植了第三方的CGIC庫。CGIC是專門為CGI開發(fā)的一個ANSI C庫。

3.4人機(jī)界面設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計中包含TFT觸摸屏，用來實現(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)布的一款開發(fā)工具，它的類庫采用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)計出優(yōu)美的圖形界面。首先利用Qt designer設(shè)計好圖形界面，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-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為信號發(fā)出者，是一個開始按鈕；clicked()表示信號為單擊；timer1為信號接收者，是一個定時器；start()為槽函數(shù)，表示開啟定時器。這句代碼表示：按下開始按鈕，就會觸發(fā)定時器的start()函數(shù)，整個系統(tǒng)開始工作。

3.5網(wǎng)頁設(shè)計

網(wǎng)頁設(shè)計采用超文本標(biāo)記語言(hyper text markup language，HTML)和JavaScript腳本語言編寫。本系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程計算機(jī)實時動態(tài)監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)的溫度，也可以通過網(wǎng)頁查詢歷史曲線，設(shè)置溫度警戒值。由于HTML只適合顯示靜態(tài)文本，無法達(dá)到動態(tài)顯示和交互的目的，所以必須配合JavaScript進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)采用AJAX(異步JavaScript和XML)技術(shù)對后臺溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，這樣就可以在無需重新加載整個頁面的情況下更新部分網(wǎng)頁。AJAX并非一種編程語言，而是對現(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的溫度，所以擬采用歷史數(shù)據(jù)作為輸入。結(jié)合實驗精度和運算量綜合考量，采用4維輸入較為合適，所以輸入層神經(jīng)元個數(shù)為4，用Tk+4表示當(dāng)前測量值。輸入向量p(k)=[TkTk+1Tk+2Tk+3]T，即選取Tk+4的前4個值為輸入。隱含層的神經(jīng)元個數(shù)可以按照經(jīng)驗選取為10個。輸出層神經(jīng)元為1個，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對各個訓(xùn)練樣本，計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計算誤差信號和代價函數(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實驗結(jié)果

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

表1　實驗結(jié)果分析

5.1測量結(jié)果分析

5.2預(yù)測結(jié)果分析

為便于分析，直接對標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行泛化。由于需要將某一時刻溫度的前4個值作為輸入，所以預(yù)測值從第5個序列號開始。預(yù)測值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.19 ℃，可見提出的預(yù)測算法具有較高的準(zhǔn)確性。

6結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的智能化程度也不斷提高。針對目前開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)無法對溫度進(jìn)行預(yù)測的缺點，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計出一套智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)。實驗表明，系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)測數(shù)據(jù)都比較準(zhǔn)確，可以滿足實際需要。

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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

中圖分類號：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)研究計劃基金資助項目(編號：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)電氣自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要研究方向為嵌入式、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘等。