基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂文祥

（河南省駐馬店財(cái)經(jīng)學(xué)校 河南 駐馬店 463000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一種擴(kuò)展形式，它通過使用射頻識(shí)別設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、紅外傳感器等技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)的概念擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界中的物體和設(shè)備上［1］。 在能源行業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用不斷推動(dòng)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)一步完善，促使能源領(lǐng)域向更高效、智能化的現(xiàn)代化方向發(fā)展。 同時(shí)，由于許多設(shè)備安裝位置的特殊性，運(yùn)維人員無法了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，增加了運(yùn)維人員的操作和監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)。 針對這一問題，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在組合智能巡檢裝置的設(shè)計(jì)中，該裝置由檢測小車、移動(dòng)升降平臺(tái)、檢測軌道、在線環(huán)境監(jiān)測裝置和顯示控制終端等組成［2］。 它可以幫助用戶和服務(wù)人員讀取設(shè)備的運(yùn)行情況，查找故障發(fā)生位置，進(jìn)行溫濕度監(jiān)測等。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖1 所示為智能巡檢終端層次化設(shè)計(jì)。 智能終端巡檢系統(tǒng)分為應(yīng)用層、通信層、采集層。

圖1 智能巡檢裝置層次化設(shè)計(jì)示意

1.1 智能巡檢系統(tǒng)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信分為有線和無線技術(shù)，其主要區(qū)別在于傳輸介質(zhì)的不同。 有線傳輸是通過物理連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無線技術(shù)則利用無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，廣泛覆蓋餐館、學(xué)校、圖書館、購物中心等多個(gè)區(qū)域，給人們的生活帶來了極大的便利，也為人們之間的溝通提供了更多可能性［3］。 因此，在智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用無線技術(shù)可以取得顯著的效果。

1.2 自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)

該技術(shù)指的是當(dāng)某些設(shè)備檢測到物體時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)接收相關(guān)信息，并將這些信息發(fā)送到后臺(tái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。 自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)正在快速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多相關(guān)技術(shù)學(xué)科，包括常見的詞條技術(shù)、射頻技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)、條形碼技術(shù)、IC 卡技術(shù)等。 在各個(gè)社會(huì)領(lǐng)域中，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)解決了傳統(tǒng)工作流程中數(shù)據(jù)采集過程中的高重復(fù)性、大工作量和低準(zhǔn)確性等問題，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

1.3 終端操作系統(tǒng)

在國內(nèi)手機(jī)市場上，個(gè)人數(shù)據(jù)管理設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮著重要作用，受到了許多公司的關(guān)注，但目前市場上的競爭是分散的，因?yàn)榇罅康碾娮赢a(chǎn)品制造商加入。 從應(yīng)用情況、競爭地位和市場容量來看，得益于整個(gè)市場發(fā)展階段，增長潛力仍然很大。 目前，最大的操作系統(tǒng)是安卓、蘋果等［4］。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分層分級管理技術(shù)

為了實(shí)時(shí)直觀地了解設(shè)備數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)基于地圖為底圖，結(jié)合拓?fù)錂z測、圖論和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)建網(wǎng)、自動(dòng)更新。 首先，巡檢系統(tǒng)基于由不同粗細(xì)的線條所表示的拓?fù)潢P(guān)系，確定主線和支線；在發(fā)生緊急情況時(shí)，后端控制系統(tǒng)還根據(jù)地圖給出最優(yōu)解決方案。

2.2 基于空間位置的設(shè)備統(tǒng)一管理

通過物聯(lián)網(wǎng)連接和管理的對象具有時(shí)空屬性，依賴于GIS 管理的空間數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)集成了地圖可視化和設(shè)備管理，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備檢查的當(dāng)前狀態(tài)。 當(dāng)用戶通過移動(dòng)設(shè)備注冊設(shè)備信息，選擇編號(hào)，以JSON 發(fā)送格式數(shù)據(jù)給系統(tǒng)后臺(tái)。 系統(tǒng)web 終端使用jOuery 庫與業(yè)務(wù)層進(jìn)行通信，并與百度地圖web 應(yīng)用界面相結(jié)合，以圖形和文本等多種格式顯示設(shè)備數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測，并關(guān)聯(lián)設(shè)備到地圖上。 Android 端和服務(wù)器端接受定時(shí)自動(dòng)更新的方法，顯示最新的管理信息［5］。

3 模塊功能組成

智能巡檢系統(tǒng)是通過移動(dòng)升降平臺(tái)、巡檢小車、在線環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、巡檢軌道和顯示控制終端實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的。 其中，顯示控制終端是智能巡檢系統(tǒng)的信息接收端和指令發(fā)送端，它能夠控制車輛的移動(dòng)，并記錄和存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。移動(dòng)升降平臺(tái)用于控制車輛的升降操作，以適應(yīng)不同高度的巡檢需求。 巡視小車具備拍攝照片和視頻的功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制面板終端，使得數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示和監(jiān)控。 此外，智能巡檢設(shè)備還配備了在線環(huán)境監(jiān)測裝置，該裝置安裝在巡視小車上，用于檢測設(shè)備間隔內(nèi)的溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)，以提供更全面的設(shè)備狀態(tài)信息。 而巡檢設(shè)備的模塊包括導(dǎo)航定位模塊、信息存儲(chǔ)及處理模塊、環(huán)境在線監(jiān)測模塊等。

3.1 導(dǎo)航定位模塊

巡檢小車對導(dǎo)航和定位有很高的要求。 本文選擇了一種具有高定位精度的多融合數(shù)據(jù)導(dǎo)航定位模塊。 該模塊的多源數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)包括霍爾計(jì)算機(jī)、傾角和傳感器、行走編碼器等，可以滿足巡檢小車智能檢測過程的數(shù)據(jù)采集和處理要求。 導(dǎo)航和定位是通過結(jié)合射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）、超聲波和激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

3.2 信息存儲(chǔ)及處理模塊

在采集設(shè)備多源信息后，云服務(wù)器模塊可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建控制數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和管理。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理模塊可以提高智能巡檢系統(tǒng)運(yùn)行和管理能效。 同時(shí)設(shè)備多源信息存儲(chǔ)在云計(jì)算服務(wù)器中，可以有效提高信息利用效率和信息共享水平。

3.3 圖像識(shí)別模塊

在智能巡檢機(jī)器人上安裝防爆高分辨率攝像頭，基于圖像識(shí)別技術(shù)對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)記錄和分析設(shè)備外觀，自動(dòng)生成巡檢日志。 為了提高視頻圖像檢測的準(zhǔn)確性，高分辨率防爆攝像機(jī)應(yīng)在檢測過程中反復(fù)記錄設(shè)備的運(yùn)行情況，并結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的目標(biāo)識(shí)別與搜索。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信是智能巡檢裝置內(nèi)部功能模塊、調(diào)度中心控制之間實(shí)現(xiàn)信息通信的通道。 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的上行數(shù)據(jù)與調(diào)度中心向巡檢小車提供的檢查指令有關(guān)；下行數(shù)據(jù)主要為智能巡檢小車獲取到的視頻圖像信息、監(jiān)測信息、機(jī)電設(shè)備巡檢狀態(tài)等。

3.5 環(huán)境在線監(jiān)測模塊

該設(shè)備通過4G／GPRS 方式進(jìn)行通信，并采用主動(dòng)定時(shí)上傳的方式。 即使沒有網(wǎng)關(guān)和通信主機(jī)，氣體傳感器仍能執(zhí)行傳感和通信功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功能。 氣體傳感器使用直流電源，工作電壓范圍為12 ～24 V，具有1×10－6的測量精度和0 ～500×10－6的測量范圍。 在4G／GPRS 網(wǎng)絡(luò)中，溫濕度數(shù)據(jù)通過4G／GPRS 溫濕度傳感器進(jìn)行傳輸。 如果沒有專用通信線路，數(shù)據(jù)可以定期通過移動(dòng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)收集，并主動(dòng)發(fā)送到服務(wù)器。 同時(shí)，設(shè)備支持網(wǎng)絡(luò)配置更新、短信查詢和參數(shù)設(shè)置。 溫濕度傳感器采用直流電源，工作電壓范圍為9～24 V。 溫度測量范圍為－40 ℃～80 ℃，精度為0.1 ℃。 濕度測量范圍為0%～100%RH，精度為0.1%RH。 該裝置的環(huán)境參數(shù)如圖2 所示。

圖2 環(huán)境參數(shù)顯示之?dāng)?shù)據(jù)圖形顯示

3.6 網(wǎng)絡(luò)連接模塊

通過在WiFi 攝像頭模塊上設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)卡，能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程控制。 當(dāng)需要在本地對巡檢小車進(jìn)行控制時(shí)，可以連接到設(shè)備所建立的WiFi 網(wǎng)絡(luò)，這樣可以在500 m 的范圍內(nèi)進(jìn)行測控操作，滿足了運(yùn)維人員對于控制距離的要求。 而對于遠(yuǎn)程控制，則不依賴于WiFi 網(wǎng)絡(luò)，而是通過4G 網(wǎng)絡(luò)連接到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。 以使用來自移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)和中國電信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)速度更快，同時(shí)具有連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接性，而且具備自動(dòng)離線網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)功能。 圖3 所示為物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)示意圖

3.7 軟件設(shè)計(jì)

STM32CubeMX 是一款圖形化軟件設(shè)置工具，允許使用圖形化向?qū)砩蒀 初始代碼。 Keil ARM 軟件具有靈活的窗口管理系統(tǒng)，方便多臺(tái)監(jiān)視器的同時(shí)使用。 新的用戶界面能夠高效組織多個(gè)窗口，提供簡潔的環(huán)境開發(fā)應(yīng)用程序。 本文設(shè)計(jì)的智能巡檢系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：通過STM32CubeMX 在STM32F407VET6 上配置各個(gè)模塊所需的時(shí)鐘以及各個(gè)模塊的GPIO 輸入、輸出口；在Keil ARM 軟件上進(jìn)行工程文件的編寫、編譯，通過ST?LINK 仿真器下載到主控板上。 智能巡檢系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、避障程序設(shè)計(jì)。 軟件設(shè)計(jì)方案見圖4。

圖4 軟件設(shè)計(jì)方案圖

4 系統(tǒng)測試分析

4.1 智能巡檢實(shí)現(xiàn)步驟

在本系統(tǒng)中，設(shè)備巡檢控制并沒有完全依賴于自動(dòng)化，而是結(jié)合了人員團(tuán)隊(duì)的參與。 除了一些傳感器監(jiān)測點(diǎn)外，人員還可以按照指定的路徑進(jìn)行人工巡檢，以了解設(shè)備的運(yùn)行情況。 通過將人員現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，作為基準(zhǔn)，可以生成設(shè)備的控制命令，從而執(zhí)行智能檢測任務(wù)。 以下是執(zhí)行巡檢任務(wù)的步驟。

步驟1：發(fā)布巡檢任務(wù)后，巡檢人員使用數(shù)字密鑰來驗(yàn)證其身份。 一旦驗(yàn)證完成，他們會(huì)接收到無線通信模塊發(fā)送的驗(yàn)證任務(wù)的內(nèi)容。

步驟2：根據(jù)巡檢任務(wù)執(zhí)行巡檢工作。 在此過程中，系統(tǒng)自動(dòng)激活GPS 定位功能，并使用RFID 掃描進(jìn)行快速讀寫。 根據(jù)員工當(dāng)前位置和地理位置，系統(tǒng)將引導(dǎo)巡檢人員到檢查現(xiàn)場，并給出完成檢查路線和執(zhí)行任務(wù)的指示。

步驟3：巡檢人員打開圖像記錄器和專業(yè)傳感器模式，從本地驅(qū)動(dòng)器收集數(shù)字和圖像數(shù)據(jù)，并使用功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。 無線通信模塊用于創(chuàng)建通信連接，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制面板以進(jìn)行故障排除。

步驟4：一旦控制中心接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來比較數(shù)據(jù)，以確定當(dāng)前數(shù)據(jù)是否與故障情況相符，并生成設(shè)備診斷結(jié)果。 此外，系統(tǒng)還提供地理信息，作為優(yōu)化下一次巡檢路線的依據(jù)。

4.2 系統(tǒng)測試

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對系統(tǒng)硬件進(jìn)行組裝。 對智能巡檢裝置進(jìn)行了系統(tǒng)功能測試，并將傳統(tǒng)巡檢方案作為對照組，以本文提出的智能巡檢裝置作為觀察組。 測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在五個(gè)方面有所改進(jìn)，包括故障診斷、巡檢時(shí)效性、巡檢路徑優(yōu)化、信息處理效率和故障定位。 傳統(tǒng)的巡檢計(jì)劃依賴于多年的工作經(jīng)驗(yàn)，規(guī)劃檢查路線、現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、將數(shù)據(jù)添加到計(jì)算機(jī)并上傳數(shù)據(jù)，需要由一個(gè)專門的團(tuán)隊(duì)來進(jìn)行檢查和評估故障診斷結(jié)果。 本次提出的智能巡檢裝置采用了智能管理模式，利用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)來評估是否存在故障，并自動(dòng)創(chuàng)建控制路徑，啟動(dòng)沿該路徑的檢查，并使用端點(diǎn)收集數(shù)據(jù)以獲得設(shè)備使用數(shù)據(jù)。 通過對比分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在故障診斷、巡檢時(shí)效性、巡檢路徑優(yōu)化、信息處理效率和故障定位等方面，與傳統(tǒng)方案相比，智能巡檢裝置取得了明顯的改進(jìn)。 具體而言，此裝置能夠創(chuàng)建更短的檢測路徑，顯著減少檢測時(shí)間，并提高了檢測誤差的準(zhǔn)確性、故障排除的準(zhǔn)確性以及故障定位和數(shù)據(jù)處理的效率。 智能巡檢裝置在故障檢測診斷準(zhǔn)確率和故障定位準(zhǔn)確率方面表現(xiàn)出色，能夠滿足配電網(wǎng)設(shè)備檢測和故障排除的要求，為用戶提供高效、準(zhǔn)確的服務(wù)。 具體應(yīng)用效果如下：

（1）自動(dòng)巡檢。 控制中心可以根據(jù)設(shè)備的巡檢目標(biāo)、周期、時(shí)間為依據(jù)，為智能巡檢小車制定巡檢任務(wù)。 在智能巡檢模式下，可以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的智能巡檢。

（2）固定巡檢。 如有必要，控制中心可根據(jù)需要將電網(wǎng)設(shè)備中的特定巡檢目標(biāo)作為巡檢對象，由智能巡檢小車開展固定巡檢任務(wù)。

（3）遠(yuǎn)程控制巡檢。 控制中心可在后臺(tái)控制下遠(yuǎn)程控制巡檢小車，對電網(wǎng)中指定的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)巡檢。

智能巡檢裝置在實(shí)際應(yīng)用效果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所構(gòu)建的組織智能巡檢裝置具有自動(dòng)巡檢、遠(yuǎn)程遙控巡檢、固定巡檢等眾多功能，能夠在一定程度上提高電網(wǎng)設(shè)備中的智能巡檢效果，并且可以確保智能巡檢裝置的運(yùn)行維護(hù)和故障診斷能力。 如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，隨著電網(wǎng)對于人們的重要性不斷提升，確保電網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行成為主要研究的問題之一。 因此，為了實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)智能巡檢裝置。 該裝置采用中央控制單元對現(xiàn)場終端進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。 使用無線通信模塊向檢測和控制中心提供必要的信息，經(jīng)過準(zhǔn)確分析之后發(fā)送控制命令。 系統(tǒng)測試結(jié)果意味著本裝置能夠采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，在控制路徑、故障定位和數(shù)據(jù)處理等各個(gè)領(lǐng)域都顯示出顯著的優(yōu)勢。