物联网技术在电力隧道自动预警系统中的应用

曹举文

（中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃兰州,730000）

0 引言

物联网是继互联网技术出现后的又一先进科学技术，其简单来说是通过通信技术将真实的设施与虚拟的信息连通，从而分析解决，或者建立线上处理平台，加快数据传输的效率，提升解决速度。物联网技术融合许多虚拟技术，包括传感器，服务器等，其是集成分析服务和多样技术的融合产物[1]。由于其特殊性，被应用于数字网络的各个平台。其中，应用效果最好的是自动预警系统。自动预警系统指的是面临各项指标异常时，可以及时检测并触发报警，方便其进行处理，避免灾难的发生。利用物联网可以将预警系统中的传感器灵敏度提高，平台的处理效率也会随之提高。因此需要设计基于物联网的自动预警系统。

1 硬件设计

1.1 LM358运算芯片

由于检测器的信号输出在微伏或毫伏级，信号很微弱，因此前端电路需设置为高增益低噪声。高增益是获得SV 周围的电压信号，低噪声是获得高于电压信号的相对数值[2]。前端运算芯片的运算指数需要进行额外的规划，得到高信噪比的信号后，利用下一级放大电路进一步放大，所以前置放大电路采用低偏置精度。在整个运算过程中，选用LM358运算芯片进行初级规划，有利于解决现阶段的问题，使其避免受电源电压和电压的影响，可以达到适当的信噪比。

1.2 PM611红外传感器

PM611是一种无源热释电红外传感器，探测距离只有2m左右，限制了应用范围。添加Finier镜头可以增加距离，扩大视野；选择合适的焦距安装在探头前面。环境温度补偿电路中的热释电探测器可以在没有Finier透镜的情况下使用[3]。当光信号通过镜头和检测器时，变成交变脉冲信号，但此时的脉冲信号非常微弱，需要进行预处理后才可以进行后续的传输。

2 软件设计

2.1 采集电力隧道预警数据

数据采样主要是通过热释电传感器对测量对象的辐射信息和环境波长信息进行采样。传感器有限的监测范围和硬件电路的延迟响应要求MCU持续检测信号。MCU第一次向转换芯片发送转换信号后，开始对通道数进行计数和管理。由于只有两个信号，因此只需要利用第一个和第二个通道。如果有异常信息，会发送基于EOC的一个中断信号；如果是高电平，则要求MCU中断。响应请求后，执行中断服务程序，转换结果为MCU；开始下一次转换，再执行此循环。

信息采集过程中的热释电温度测量必须经过校准才能更准确。目标物体的温度通常使用标准黑体作为标准辐射源，并使用待校准的测温系统来检测表面温度。根据实验数据显示，其可以在黑体温度和温度测量系统输出的电信号之间创建一条曲线并进行校正。常见的测温校准方法有两种[4]，其中一种是辐射法，另一种是热电偶法。辐射法利用被测对象的辐射能与温度的对应关系测量其温度，动态响应快，适应特殊场合，测温范围无上限。而热电偶法测量精度高，不受中间介质的影响，测量范围广，构造简单，使用方便。

2.2 基于物联网设计自动预警监控主界面

本文设计的系统发展方向应强调整个系统的功能性和操作简便性。主界面的开发主要包括窗口、菜单、工具栏、搜索栏等，可以实现信息的加载、保存、搜索和查询。功能菜单代表一些成熟先进的管理软件的丰富界面，如SQL数据库软件、MATLAB软件等，因此功能菜单可以实现图形化窗口控制和程序操作控制，还可以实现编辑、显示、插入、工具、辅助系统、专业模型等。

虽然工具栏只是知名软件的常见应用，但在开发专业软件系统时，还是要考虑到设置工具栏的需要。它可以帮助系统提高对数据的打印、存储和格式转换的能力，还可以分析预警报告。为体现技术独立性，预警模型参考模块的设计引入专业知识，作为数据分析的参考或直接参与模型调用的计算。

数据管理接口可以实现对监控数据的加载、维护、更新、查询、输出、用户信息管理等功能。根据监测数据管理接口的基本要求，可在监测软件系统或数据库系统中设计6个模块。首先在窗口中输入监控的基本信息和动态变化值，或采用特定文件的特定格式的文件输入，来提高本系统与其他系统的数据信息交互性能。设计数据保存功能可以实现系统中重要信息的自动纠错、备份和恢复。其次数据更新模块可分为软件程序更新和数据信息更新。

数据浏览功能允许用户查看加载到系统数据库中的所有信息，包括监测点数、现场设备型号、数量和位置等监测信息。数据输出功能可以保存采集到的监测数据，同时将数据或分析结果转换为EXCEL、WORD等通用文件格式，实现与其他系统的信息交换。让管理员可以快速轻松地获得分析结果，减少调整文件输出格式的步骤，让预警信息快速披露给管理员。

2.3 建立电力隧道自动预警平台架构

基于物联网建立电力隧道自动预警平台架构，实际上是将云端协同的物联网系统架构应用到安全预警方向。其目的是引入一种新的计算模型来进行云平台架构边缘计算，从而完成部分边缘层数据处理任务，减少上传到云中心的数据量，降低云计算资源消耗。通过云侧协同提高数据安全性能，减少系统消耗；合理分配延迟和系统资源，同时加强数据保护，满足预警系统的实时性、安全性和效率要求。设计的架构如图1所示。

图1 自动预警平台架构

如图1所示，终端层主要由传感器和监控设备组成，它可以检测和收集数据信息并传输到上层。终端层通常包含大量的监控设备，可以将收集检测到的数据通过数据源形式向上层传输。边缘计算层主要由各种边缘计算节点组成，广泛分布在端点和云端之间。另外，不同的边缘节点可以完成的内容也有很大的不同点，它们的资源是动态的。为完成相应功能，边缘计算层可以合理分配边缘计算节点。云计算在基于云侧协同的系统架构中，是最强大、最重要的数据中心。一些在该层难以完成的分析处理任务仍需要在云端完成，云端可以合理分配边缘计算层的功能和任务，兼顾资源分配。

2.4 实现电力隧道自动预警

每个节点同时作为网络上的数据采集器和数据传输站不仅可以采集数据，还可以接收来自相邻节点的数据，并直接或间接地传输到中心节点，即所有节点形成网状拓扑。中心节点是一个特殊的节点，本文设计的系统中只有一个节点，它不收集本地数据，主要作为无线电接收器，接收整个无线网络中各个节点发送的数据，并发送给PC串行端口。通过中心节点的串口，系统还可以处理运行在PC端的管理软件无线报警参数的状态。

一个系统的误报率与红外探测器的安装位置和周围环境有很大关系。红外探测器通常安装在比较高的地方，环境温度的变化也会影响红外报警的准确性。另外，对于远距离传输，终端节点必须连接SMA天线，利用路由节点的位置进行有效定位，以保证数据的正常传输，不会出现数据丢失或无法找到设备等问题。

3 实验

3.1 实验准备

监测模块小于30m时，符合探测距离，输出温度变化信号，在温度变化异常时，设计的预警系统会发出报警的声音，同时向路由节点发出信号，而路由节点在整个系统中采集红外模块信息，并向周围的路由节点或者其他的终端节点发送警报，还可以把周围的温度情况实时地传输给管理中心。通过Zigbee无线网络按照预定的协议分别向管理平台发送警报信息，并由管理平台进行处理。

3.2 实验结果与讨论

控制电力隧道中的温度，安装自动预警系统，设置标准温度为40度。超过40度即触发报警装置，分别调试电力隧道中的温度数值，进行检测，实验结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，本文设计的基于物联网的电力隧道自动预警系统可以成功地对超出标准的温度进行预警，并触发报警装置，灵敏度高，性能良好。

4 结束语

自动预警系统在预防即将发生的灾难，防止人员伤亡和物资损失方面有重要作用，本文基于物联网技术设计电力隧道预警系统。经过测试证明，本文设计的自动预警系统可以成功地进行预警，且其触发报警的时间短，灵敏度高，性能良好。但由于仅对较低温度的阈值进行测试，可能存在一定的误差，因此需要在不断地实践中进行改进。