基于电磁场的用电设备监测智能终端设计及应用

广西科桂兴信息技术有限责任公司 周文彬

一直以来工业中小企业融资贷款难的问题一直没有很好的解决，其根本原因之一是政府部门和融资贷款服务机构没有一套行之有效的风控体系。目前主要的风控手段是企业每月、每季、每年定期上报财务报表至监管部门，由于政府部门数据无法实现互联互通，企业将财务报表上报到财政局的同时还要上报到其他监管部门，如工信局、工商局等，同一份数据企业要重复上传很多次，导致企业的管理负担很重，且这种方式非常低效和滞后，数据准确性、真实性很难有保障。

大部分工业企业都有抵押物，如厂房、用电设备、产品等，企业拿到融资贷款后，有没有真正投入生产经营，政府部门和融资贷款服务机构没办法做到及时跟踪和监管[1]。如没有一套及时有效的监管和风控体系对企业生产经营情况进行实时的监控和预警，企业什么时候已停工停产政府部门和融资贷款服务机构都不知情，因此导致融资贷款服务机构不敢提供贷款、工业中小企业贷不到款的局面。

基于电磁场的用电设备监测智能终端，是在对当前用电设备用电环境零影响的情况下对用电设备的开机状态进行监测，通过用电设备在开机和关机状态下的磁感应强度不同来反应当前设备是否是开机或关机的状态，通过统计企业用电设备的开机率来反应企业的生产经营状况，从而为政府部门和融资贷款服务机构随时掌握贷款企业的经营状况提供强有力的数据支撑，达到风险控制的目的[2]。

1 用电设备监测智能终端设计原理

奥斯特实验表明通电导线周围存在磁场，磁场方向和电流方向有关。电流越大周围的磁场就越大，电流的磁感应强度计算公式为B=μ0I/(2πr)，μ0是真空磁导率（μ0=4π×10-7T·m/A），r 是这一点到导线的水平距离，I 是电流。由此可见，无限长载流直导线周围的磁感应强度B 与导线到场点的距离成反比，与电流成正比。

一般用电设备铭牌上都明确标注电流、电压、功率等信息，因此可以计算出用电设备在正常工作情况下的磁感应强度。用电设备监测智能终端通过监测用电设备输电导线周围的磁感应强度的变化来判断用电设备的开机状态等信息，并及时上报到工业大数据云平台进行数据分析、数据建模、数据可视化、风险预警等。用电设备监测智能终端主要由电源模块、数据存储模块、网络模块、接口模块、安全模块、数据显示模块、集成计算模块等七个模块组成。

电源模块：配置低功耗电池，在突然断电情况下继续供电一段时间，确保数据不丢失；数据存储模块：用于存储监测数据、心跳数据、日志数据、配置信息，在没有网络或网络状态较差的情况下先暂存到本地，待网络恢复后自动补传，保证数据安全、完整；网络模块：支持4G、5G、WIFI 等多种网络协议，用于数据上传和通讯；接口模块：RS232485、USB、LAN 口、WAN 口；安全模块：用于保障数据存储安全、传输安全；数据显示模块：用于各种数据的显示，如磁感应强度、时间、网络、电量等；集成计算模块：集成线性霍尔元件（随着磁场的大小输出不同的电压信号(模拟信号)，线性霍尔的输出电压与传过其本身的磁场强度成正比，根据磁场特性和强度其输出电压上升或下降。通过磁场强度的变化可以得知相应位置数据的改变，输出电压与感应到的磁场极性和强度的关系固定），主要用于磁感应强度测量和计算。

2 用电设备监测智能终端的特点

安装方便。安装时不需要改动现有的用电环境和设施，只需将用电设备监测智能终端安装在被监控的用电设备通电导线、用电插座、空气开关、变压器附近即可。

零风险。对比现有的用电设备开机状态监测，大多数是通过安装智能插座、更换或安装智能电表或其他传感器，这些手段都有一个共同的弊端，就是要在断电情况下进行。工厂生产过程中，停掉大型的用电设备、给第三方公司安装监控设备基本上不可能，用于工业生产的设备停电、启动的过程较长且风险不可控，设备计划外停机不仅严重影响了生产效率和质量，也给工业企业带来高额的维护保养成本，再则企业对第三方机构或部门安装的监控设备质量存在质疑，稍有不慎导致设备缺电、短路及损坏的可能性极大。用电设备监测智能终端一举解决了以上所有难题，若监测智能终端出现故障对工业企业生产不会产生任何影响和损失[3]。

自动上传。用电设备监测智能终端集成有网络模块，对收集到的数据经过加密存储到本地存储模块，并通过4G5Gwifi 网络上传到工业大数据云平台，实现企业、政府部门、融资贷款服务机构三者数据共享；自动预警。用电设备监测智能终端长时间离线或磁感应强度跟用电设备正常开机状态下的强度不匹配（允许有合理范围的误差），则触发报警并上传到工业大数据云平台，并提醒（支持短信、邮件、钉钉、企业微信等）相关政府部门、融资贷款服务机构注意防范风险。

通用性强。用电设备监测智能终端与用电设备的品牌和种类无关，适用于所有品牌、所有种类的生产设备实时监控和管理；数据安全。采用软件+硬件两者相结合加密的方式保障数据安全。软件层面采用非对称加密技术（RSA）对数据传输过程进行加密；硬件层面通过专用的硬件加密芯片（ESAM模块）实现密钥运算和存储。

3 用电设备监测智能终端的应用

用电设备监测智能终端作为一种数据采集终端，是工业大数据的底座，是构建工业大数据云平台的基础。

图1 工业大数据云平台架构

工业大数据云平台采用微服务架构和分布式部署架构，满足高内聚、高可用、高伸缩、高性能的要求。其中，数据采集系统是工业大数据云平台中数据分析处理的核心，是连接终端与工业大数据云平台的桥梁，因此数据采集系统的性能（吞吐能力）、稳定性、扩展能力直接影响整个云平台的业务化建设。为满足大数据处理的要求，数据采集系统采用数据采集和数据处理相分离的架构模式，两者间通过数据调度服务进行任务调度，采集和处理分别支持分布式部署，提高了数据处理和扩展能力，数据采集系统架构为分布式采集服务-任务调度服务-分布式解析服务。

用电设备监测智能终端通过5G 网络定时上传用电设备（如机械臂、锅炉、数控机床(NC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(DIMS)、柔性制造单元(FMC)、大型集成电路和电子制造设备等）的状态数据、心跳数据、日志数据和配置数据到数据采集系统，数据采集系统对数据进行加工、质控、存储，工业大数据云平台主要对数据进行建模、管理、分析、可视化、权限控制、监测智能终端远程升级等，为企业、政府部门、融资贷款服务机构提供一体化的数据共享和决策服务。

帮助企业了解最新出台的政策法规、投融资服务、信息化服务、知识产权服务、人力资源服务、信用评价服务等；帮助政府部门及时了解中小企业生产经营现状和困难，有针对性的出台相关扶持政策和技术指导；帮助融资贷款服务机构实时、准确掌握贷款企业的生产经营状况（如设备开机率、故障率、设备异常工时占比），降低贷款风险和成本。

综上，一个企业的用电情况直接体现一个企业日常生产经营状况，尤其是工业企业，而企业的用电数据只掌握在电网公司手里，其他部门或机构想要获取这些数据需要经过严格的授权和非常复杂的审批流程。用电设备监测智能终端另辟蹊径，通过构建工业大数据云平台实现数据共享，让政府部门和融资贷款服务机构及时了解贷款企业的生产经营状况更加便捷高效，降低了风控成本、精减了融资贷款流程、减少了贷款企业的负担，进而解决中小企业融资难、融资贵、政府部门和融资贷款服务机构资金利用率低的难题。