基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)

邵 健

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，促使各類建筑物的數(shù)量日益上升，根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，我國城鄉(xiāng)既有建筑面積到2020年已增加至690億m2。隨著人們對生活品質(zhì)的要求逐漸升高，建筑安全和舒適度越來越受到人們的關(guān)注，電氣設(shè)備作為建筑的關(guān)鍵組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著建筑的預(yù)期功能是否能夠充分發(fā)揮[1-2]。當(dāng)前建筑電氣設(shè)備呈現(xiàn)出多樣化、先進(jìn)化的特點(diǎn)，并且各區(qū)域之間具有密切的關(guān)聯(lián)，若發(fā)生建筑電氣設(shè)備故障，不僅會影響建筑中其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還會引發(fā)火災(zāi)等事故，給經(jīng)濟(jì)和人身安全造成極大的威脅[3-4]。因此，設(shè)計自動化的建筑電氣設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。通過該系統(tǒng)可以及時了解電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以便發(fā)生故障時能夠第一時間采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，從而避免建筑電氣設(shè)備故障進(jìn)一步擴(kuò)大[5-6]。

此類系統(tǒng)引起很多專家和學(xué)者的重視，例如陳瓊[7]使用DWH-FNN技術(shù)設(shè)計建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)倉庫和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下的電氣設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測，但受設(shè)備特征維度影響較大；吳宏杰等[8]使用邊緣計算技術(shù)設(shè)計建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自動感知能力，但提取電氣設(shè)備故障特征時的冗余較高。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量布設(shè)于監(jiān)測區(qū)域的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的智能化測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有成本低、功耗小和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢。因此，本文設(shè)計包含數(shù)據(jù)層、通信層、應(yīng)用層以及用戶層4個層級的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)，以期為建筑電氣設(shè)備監(jiān)測向自動化、智能化方向發(fā)展提供有效參考。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)層。該層的核心為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)包含無線傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)于建筑電氣設(shè)備周圍合適的位置上，用于采集各類電氣設(shè)備信號數(shù)據(jù)，并利用中心節(jié)點(diǎn)匯聚與整合采集的數(shù)據(jù)。

（2）通信層。中心節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部網(wǎng)關(guān)之間的通信形式采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，使用該網(wǎng)絡(luò)將中心節(jié)點(diǎn)整合的建筑電氣設(shè)備信號數(shù)據(jù)匯聚到內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，其通過無線GPRS與有線以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)至應(yīng)用層的應(yīng)用基礎(chǔ)平臺。

（3）應(yīng)用層。該層的建筑電氣設(shè)備故障自動診斷模塊根據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺接收的建筑電氣設(shè)備信號數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于壓縮感知理論的建筑電氣設(shè)備故障自動診斷方法，保證建筑電氣設(shè)備運(yùn)行安全，此外還能夠?qū)崿F(xiàn)建筑電氣設(shè)備狀態(tài)與能耗自動監(jiān)測等功能。

（4）用戶層。用戶通過含有Internet的手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備可以及時掌握建筑電氣設(shè)備運(yùn)行狀況，從而采取針對性的策略對其進(jìn)行管理和檢修。

圖1 建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic monitoring system for building electrical equipment

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器連接

由無線傳感器構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，由此實(shí)現(xiàn)建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測。其中關(guān)鍵是無線傳感器的連接并由此構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)。無線傳感器連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感器連接網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Wireless sensor connection network

圖2中物理層主要負(fù)責(zé)選擇與辨別信道，同時還具備監(jiān)測、調(diào)制/解調(diào)無線信號的作用[9-10]；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制子層能夠?qū)崿F(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)訪問共享無線信道的控制功能，邏輯鏈路控制子層在將統(tǒng)一的服務(wù)提供給網(wǎng)絡(luò)的同時，還可以屏蔽數(shù)據(jù)幀檢測、優(yōu)先級排隊等介質(zhì)訪問控制方法[11-13]；網(wǎng)絡(luò)層的職責(zé)為路由的選擇與生成，以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌氖占?；傳輸層可以將端到端服?wù)提供給應(yīng)用層，并在網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源高效利用的目的；用戶所需的各種應(yīng)用服務(wù)均由應(yīng)用層來完成。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)各層均與能量、任務(wù)以及移動管理相關(guān)聯(lián)，不僅能確保傳感器節(jié)點(diǎn)的高效運(yùn)作，還支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和多任務(wù)[14-15]。

2.2 無線傳感器結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

構(gòu)建無線傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。微處理器單元的主芯片選擇MSP430F149，具有功耗低、模擬技術(shù)性能優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢，并且對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)；無線通信單元選用nRF905芯片[16]，并將IEEE 802.15.4作為射頻標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射速率最大可達(dá)到50 kb/s；串行通信單元含有RS-485總線接口，可以支持中心節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)應(yīng)用層之間的通信[17]；存儲單元能有效避免中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)掉電現(xiàn)象時造成的數(shù)據(jù)丟失問題，該單元保存的信息包括建筑電氣設(shè)備信號數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)配置數(shù)據(jù)等；報警/LCD顯示單元負(fù)責(zé)顯示建筑電氣設(shè)備實(shí)時信號[18-19]，并在設(shè)備出現(xiàn)故障時發(fā)出聲光報警，同時利用建筑電氣設(shè)備故障自動診斷方法確定故障類型；電源單元由LM2575與LM1117-3.3兩個電源芯片組成，可以同時分別提供不同的電壓。

圖3 無線傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Wireless sensor structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 電氣設(shè)備信號自動監(jiān)測

假設(shè)原始電氣設(shè)備信號用X描述，其長度和稀疏度分別用N、K描述，規(guī)模為M×N的感知矩陣用φ描述。對感知矩陣和原始電氣設(shè)備信號做乘法操作，可以獲得X內(nèi)的信息，即映射X使其呈現(xiàn)在φ內(nèi)的感知波形上，能夠得到公式（1）描述的測量數(shù)，用Y描述，且其長度遠(yuǎn)小于N。

Y=φX

（1）

通過極低規(guī)模的測量數(shù)對原始電氣設(shè)備信號所有信息進(jìn)行精確重構(gòu)，即壓縮感知理論的基本思想。可以將上式轉(zhuǎn)化為公式（2）描述的最優(yōu)問題的求解，是因?yàn)榇笮盘枮樗阉鞣仙鲜綏l件下稀疏性最顯著的某個電氣設(shè)備信號[20]：

min‖X‖0s.tY=φX

（2）

式中，‖X‖0為零范數(shù)；M為測量次數(shù)，只有在其符合Y=O（K×logM），且φ符合約束等距性條件的情況下，才能實(shí)現(xiàn)K稀疏電氣設(shè)備信號X的精確重構(gòu)。

式（1）的解存在無窮多個，是因?yàn)閅的長度遠(yuǎn)小于N，因此需要將式（2）轉(zhuǎn)化成式（3）描述的最優(yōu)問題的求解：

min‖X‖1s.tY=φX

（3）

選用稀疏逼近的方法求解上述最優(yōu)問題，式（3）有解的條件為X可以被壓縮。當(dāng)X不具有稀疏性，而任意變換基中的變換系數(shù)具有稀疏性時，能夠得到X=ψs，其中變換系數(shù)與變換矩陣分別用s、ψ描述，將該式帶進(jìn)式（3）能夠獲得感知矩陣和變換矩陣的聯(lián)系，用Y=φψs描述。假設(shè)測度矩陣用B=φψ描述，則可以得出Y=Bs，因其與式（3）的形式一致，可通過相同的尋優(yōu)方式獲取稀疏性最顯著的s矩陣，并運(yùn)用X=ψs實(shí)施反變換以得到原始信號。在其滿足可壓縮性的條件下，將ψ看作單位矩陣，測度矩陣即為電氣設(shè)備信號的自動監(jiān)測結(jié)果。電氣設(shè)備信號自動監(jiān)測流程如圖4所示。

3.2 建筑電氣設(shè)備故障識別和預(yù)警

假設(shè)待診斷建筑電氣設(shè)備故障類型數(shù)量為k，根據(jù)建筑電氣設(shè)備發(fā)生故障時的異常信號，將采集的故障特征組建成訓(xùn)練樣本，各樣本維數(shù)用p描述，所構(gòu)成的列向量用v描述，其維數(shù)為pxl，對于第i類建筑電氣設(shè)備故障，其訓(xùn)練樣本數(shù)用ni描述，且i滿足i=1，2，…，k，則可以得到式（4）描述的訓(xùn)練樣本矩陣：

Ai=[υi，1，υi，2，…，υi，ni]

（4）

式中，υi，j為次序?yàn)閕的故障中第j個訓(xùn)練樣本。

假設(shè)需要診斷的建筑電氣設(shè)備故障的測試樣本用y∈Rp描述，其為第i類故障，則能夠使用次序?yàn)閕的建筑電氣設(shè)備故障訓(xùn)練樣本集合的線性形式描述y，表示為y=ai，1yi，1+…+ai，niyi，ni，其內(nèi)權(quán)重系數(shù)用ai，j描述。

圖4 電氣設(shè)備信號自動監(jiān)測流程Fig.4 Flow chart of automatic monitoring of electrical equipment signals

指定建筑電氣設(shè)備故障測試數(shù)據(jù)y，可以采用式（5）所示完備矩陣A的線性形式對y進(jìn)行描述：

（5）

求解出的電氣設(shè)備測試數(shù)據(jù)矩陣X用式（6）描述：

X=[a1，a2，…ak]

（6）

式中，ai=[ai，1，…ai，n]T。若y的故障類型次序?yàn)閕，則只需要第i類樣本數(shù)據(jù)的描述y即可，此時得到X=[0，…，0，ai，1，…，ai，n，0，…0]，X的系數(shù)中不等于0的僅有，其余數(shù)量為k-1的系數(shù)均等于0，因此表明X為稀疏向量，將其認(rèn)為是y的稀疏分解。

在分類指定的未知建筑電氣設(shè)備故障測試樣本過程中，通過式（6）獲得各y的稀疏向量X，運(yùn)用完備矩陣A，且X中關(guān)于該樣本的ni個系數(shù)均不等于0，則能夠獲得待測樣本的故障類型。在實(shí)際使用中通過式（3）求解最優(yōu)問題，得到X的精確或近似逼近解，若實(shí)際結(jié)果中X的非0元素分布于多個類間，則采用式（7）描述的分類函數(shù)實(shí)現(xiàn)X值的建筑電氣設(shè)備故障識別和預(yù)警工作：

minri（y）=‖y-Aδi（x）‖2

（7）

式中，i的取值為[1，k]，向量用x描述，δi（x）代表其內(nèi)與第i類故障有關(guān)聯(lián)的行的元素為1，其他行的系數(shù)都為0。如果第m個值最小，且m∈[1，k]，則建筑電氣設(shè)備故障類型為第m類故障。由此完成對建筑電氣設(shè)備故障的識別和預(yù)警，其流程如圖5所示。

圖5 建筑電氣設(shè)備故障識別和預(yù)警流程Fig.5 Flow chart of fault identification and early warning of building electrical equipment

4 結(jié)果分析

以某礦區(qū)建筑中變壓器、配電柜、轉(zhuǎn)換開關(guān)和繼電器等10種電氣設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對象，將650個無線傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)于各電氣設(shè)備附近合適的位置上，用于采集礦區(qū)建筑電氣設(shè)備信號數(shù)據(jù)，并利用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測。

將本文系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量分別設(shè)置為15、30、45，測試無線傳感器節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間之間的關(guān)系，以驗(yàn)證所設(shè)計系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生命期，結(jié)果如圖6所示。

圖6 無線傳感器節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量結(jié)果Fig.6 Results of the number of deaths of wireless sensor nodes

從圖6可以看出，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間持續(xù)增加，不同網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量均呈上升趨勢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量為15時，節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量始終保持最低，且上升速率緩慢；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量為45時，節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量始終處于最高值，并在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間增加至800 s時，節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量高達(dá)390個。以上結(jié)果表明，無線傳感器節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量與無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間以及網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量呈正比，將網(wǎng)絡(luò)簇首數(shù)量設(shè)置為15可以獲得較理想的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生命期，從而提升建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

統(tǒng)計分析某日8：00—10：00建筑中各電氣設(shè)備故障診斷情況，結(jié)果見表1。從表1可以看出，本文系統(tǒng)的建筑電氣設(shè)備故障診斷結(jié)果與實(shí)際故障結(jié)果完全相同，且在精準(zhǔn)診斷故障類型的基礎(chǔ)上，還可以辨別相應(yīng)的故障位置，表明本文系統(tǒng)具有良好的建筑電氣設(shè)備自動診斷能力。

表1 建筑電氣設(shè)備故障診斷結(jié)果Tab.1 Fault diagnosis results of building electrical equipment

選擇建筑中配電屏電氣設(shè)備進(jìn)行能耗測試，不同電源電壓下，休眠與非休眠狀態(tài)的配電屏工作電流狀況如圖7所示。

圖7 休眠與非休眠狀態(tài)的配電屏工作電流Fig.7 Working current of distribution panel in sleep and non sleep states

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，休眠與非休眠狀態(tài)的配電屏工作電流均隨電源電壓增大而上升。當(dāng)配電屏處于非休眠狀態(tài)時，工作電流在10.5～14.5 mA變化，整體能耗水平較低；當(dāng)配電屏處于休眠狀態(tài)時，工作電流始終保持在2.5 mA以下。因此，本文系統(tǒng)的建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測效果較優(yōu)良，能夠使電氣設(shè)備在不同狀態(tài)下有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

5 結(jié)論

為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的建筑安全性和舒適度要求，對建筑電氣設(shè)備進(jìn)行自動化監(jiān)測變得愈加重要。本文設(shè)計的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣設(shè)備自動監(jiān)測系統(tǒng)，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為核心，網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)生命期極具優(yōu)勢，該系統(tǒng)不僅能精準(zhǔn)診斷不同電氣設(shè)備故障，還能獲取故障位置，并且可以有效節(jié)省電氣設(shè)備處于休眠與非休眠狀態(tài)下的能耗。日后可進(jìn)一步研究該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)其在更多場景中的電氣設(shè)備自動監(jiān)測。