安全用电智能监控系统的研制

刘荣章

（广东省机械技师学院 广东省广州市 510080）

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必须要考虑的问题。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，但是电是把双刃剑，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。

1 系统设计原理

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 硬件系统

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专用计量芯片，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。

图1：系统框图

图2：智能网关系统

图3：B/S 系统框架

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必须稳定可靠，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。通过自主研发的软件算法，可以高效地把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自主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。

3 软件系统

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，要求网关终端必须实时连接服务器，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，通过自主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，通过自主开发的软件算法，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。

4 系统应用效果和性能验证

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。

表1：异常动作时间和准确率

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100%。

5 结束语

安全用电智能监控系统，不仅能够实时网络监控用电的各项参数，还能够根据电路的漏电电流、过流和过压值等，迅速做出判断并且可以即时断开线路，保证线路的安全，防止触电等各类电类事故的发生，系统可以在不改变原来线路的情况下进行加装，部署方便，成本低，实用可靠。