浅谈安全用电智能监控系统

简婷

摘　要：本文针对当前校园、工厂和小区等场所的安全用电隐患突出，用电安全事故频发，传统的被动安全用电保护措施已经无法满足社会的需求。本系统运用人工智能和大数据分析技术，设计了一款基于云端的安全用电智能监控系统，系统主要由智能监控硬件终端、网关和云端监控系统组成。硬件终端实时采集用电参数，智能网关通过LoRa无线接收到数据后进行过滤并转发到云端，云端系统对上传的电参数和信息进行分析，系统还可以下发指令到硬件终端进行控制和报警。实验结果表明，该系统稳定可靠，能有效保障安全用电，减少用电事故的发生。

关键词：安全用电；监控；人工智能；大数据；LoRa；云端

      安全问题一直是社会关注的焦点，特别是校园、工厂和小区等场所的安全，这些场所空间窄、人员密集，一旦发生安全事故，则会导致不可预见的损失，而用电安全是预防安全事故的重要措施。线路过载、短路和漏电是安全用电首须要考虑的问题。老旧线路由于电气绝缘老化和当时电气保护装置的技术水平，容易导致用电安全事故发生，虽然新安装的线路中增加了很多过载和漏电保护装置，但是由于保护装置质量和人为安装不规范等原因，还是会出现用电安全事故，从而发生火灾和触电，导致人员伤亡。

      电已经成为现代生活的必需品，但是电是把剑，提供便利的同时，稍有不慎，将成为巨大的风险源，超负荷的电流顷刻间可以使人毙命。随着社会技术的发展，特别是当代我国互联网的高速发展，大数据和人工智能技术的兴起，不仅仅改变了人们的生活方式，还对各行各业的发展起来很大的推动作用。

      本系统运用人工智能和大数据分析技术，设计了一款基于云端的安全用电智能监控系统。通过大数据的分析，能判断出线路容易出现过载和漏电的时间段和大概线路位置，从而可以准确做好应对措施以及迅速进行故障排除；结合人工智能技术，系统实时监测电压、电流、漏电电流和功率等电参数，能实时准确地对故障线路进行断电和恢复，发出语音播报警告等提示信息。

      系统由智能监控硬件终端、智能网关和云端服务器组成。智能终端采集线路的电参数，通过RoLa无线传输给网关，网关过滤数据后由GPRS网络上传到云端服务器，云端服务器存储、分析和显示数据。系统设计框图如图1所示。各个采集终端与网关构成了星型网络，网关与网关之间的网络节点是平等的，直接和云端服务器联网通讯。

2.1采集终端设计

2.1.1 STM32F407ZET6单片机

      STM32F4ZET6是由意法半导体开发的一种高性能微控制器，它的Flash有512KB，RAM大小为192KB，CPU频率可达168MHz，芯片内嵌资源丰富。由于采集终端需要大量采集电量数据，并且对数据能实时分析处理，因此本采集终端使用了STM32F407ZET6作为主CPU。

2.1.2 电参数采集电路

      采集终端需要采集电路的电能、功率、功率因素、电流和电压等电参数，为了准确而稳定地采集电路参数，选用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一颗高精度三相电能计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，能满足了采集电路数据的要求。

2.1.3 LoRa通讯技术

      采样终端采集数据后，需要通过无线的方式传输到网关节点，再由网关节点上传到云端服务器，所以要求终端数据的传输须稳定可靠，考虑到部节约成本和部署采集终端的灵活性等原因，选用了LoRa无线技术，LoRa无线技术具有传输距离远，频段免费，部署方便等优点。

2.2 智能网关设计

      SIM7600CE是一款可以实现2G/3G/4G网络通信的全网通模块，智能网关系统是以STM32F103为核心处理器，外接全网通模块SIM7600CE和LoRa通信模块构成的。通过研发的软件算法，可以把LoRa模块接收的数据，准确、稳定地通过GPRS网络上传到云端服务器，网关还具有断线自动重连、网络监测等功能，保证网关安全、可靠地工作。智能网关的系统框架如图2所示。智能网关的数据传输全部通过设定的加密算法进行加密运算，可以保证重要数据的安全性。

      服务器软件系统的设计主要划分为HTTP服务和Socket服务。业务逻辑和数据显示等由HTTP服务完成，网关终端与服务器之间的数据通信则由Socket服务完成。

3.1 HTTP服务

      HTTP服务的设计采用了PHP语言，PHP易于学习，使用广泛，主要适用于Web开发领域；NGINX是一个高性能的HTTP和反向代理服务器，本系统的HTTP服务采用了PHP7和NGINX完成。

3.2 Socket服务

      由于网关终端与云服务器的连接的TCP长久连接，要求网关终端须实时连接服务器，以便于数据及时处理和监控采样终端，因此了Swoole引擎开发Socket服务，Swoole是一个面向生产环境的PHP异步网络通信引擎，可以编写高性能的异步并发TCP服务。

3.3 B/S构架服务器设计

      为了减少开发量和满足系统跨平台、多终端使用的要求，提高系统使用的便捷性，云端监控系统采用了B/S构架设计，云端监控系统的设计框图如图3所示。

      终端采集数据后，对数据进行加密处理，通过制定的网络通讯协议把数据由网关上传到由Swoole引擎编写的高性能Socket服务器上，Socket服务器采集数据后进行处理和分析。

      服务器上通过采集终端上传的各种用电参数数据，通过开发的软件算法，可以实时准确地分析线路的运行情况。再运用大数据技术进行分析处理，可以预测可能发生安全用电事故的线路位置，及时通知维修人员进行维护处理。

      系统部署某公园的照明电路线路中，监控照明线路的电参数情况，测试系统的各项指标数据。在线路发生漏电、过流和过压等不正常的情况时，智能终端能迅速切断线路，防止发生严重的电类事故，异常报警动作反应时间和准确率如表1所示。

      通过出现各类安全事情，智能终端的运行情况，可以得出智能终端能在电路发生不安全状况时，能在2秒以内迅速切断线路，符合要求。而且通过研发的干扰过滤算法，能让智能终端报警准确率保持99%。

5.1 安科瑞安全用电云平台介绍

      Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。

（1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。

（2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。

（3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。

（4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。

（5）监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。

（6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。

5.2  产品选型

5.2.1 漏电火灾监控探测器