基于物联网技术智能巡检系统设计研究

吕文祥

（河南省驻马店财经学校 河南 驻马店 463000）

0 引言

物联网是互联网的一种扩展形式，它通过使用射频识别设备、全球定位系统、红外传感器等技术，将互联网的概念扩展到现实世界中的物体和设备上［1］。 在能源行业中，物联网技术的应用不断推动现有的控制系统进一步完善，促使能源领域向更高效、智能化的现代化方向发展。 同时，由于许多设备安装位置的特殊性，运维人员无法了解设备的运行状态，增加了运维人员的操作和监控风险。 针对这一问题，本文将物联网技术应用在组合智能巡检装置的设计中，该装置由检测小车、移动升降平台、检测轨道、在线环境监测装置和显示控制终端等组成［2］。 它可以帮助用户和服务人员读取设备的运行情况，查找故障发生位置，进行温湿度监测等。

1 系统框架设计

图1 所示为智能巡检终端层次化设计。 智能终端巡检系统分为应用层、通信层、采集层。

图1 智能巡检装置层次化设计示意

1.1 智能巡检系统通信技术

网络通信分为有线和无线技术，其主要区别在于传输介质的不同。 有线传输是通过物理连接进行数据传输，而无线技术则利用无线电技术实现数据传输。 无线网络技术目前已经非常成熟，广泛覆盖餐馆、学校、图书馆、购物中心等多个区域，给人们的生活带来了极大的便利，也为人们之间的沟通提供了更多可能性［3］。 因此，在智能控制系统的设计中，采用无线技术可以取得显著的效果。

1.2 自动化识别技术

该技术指的是当某些设备检测到物体时，它们会自动接收相关信息，并将这些信息发送到后台的计算机技术系统。 自动化识别技术正在快速发展，涌现出许多相关技术学科，包括常见的词条技术、射频技术、视觉识别技术、条形码技术、IC 卡技术等。 在各个社会领域中，自动识别技术解决了传统工作流程中数据采集过程中的高重复性、大工作量和低准确性等问题，发挥着关键的作用。

1.3 终端操作系统

在国内手机市场上，个人数据管理设备继续发挥着重要作用，受到了许多公司的关注，但目前市场上的竞争是分散的，因为大量的电子产品制造商加入。 从应用情况、竞争地位和市场容量来看，得益于整个市场发展阶段，增长潜力仍然很大。 目前，最大的操作系统是安卓、苹果等［4］。

2 关键技术

2.1 分层分级管理技术

为了实时直观地了解设备数据，该系统基于地图为底图，结合拓扑检测、图论和面向对象技术，实现了自动建网、自动更新。 首先，巡检系统基于由不同粗细的线条所表示的拓扑关系，确定主线和支线；在发生紧急情况时，后端控制系统还根据地图给出最优解决方案。

2.2 基于空间位置的设备统一管理

通过物联网连接和管理的对象具有时空属性，依赖于GIS 管理的空间数据。 该系统集成了地图可视化和设备管理，并实时显示设备检查的当前状态。 当用户通过移动设备注册设备信息，选择编号，以JSON 发送格式数据给系统后台。 系统web 终端使用jOuery 库与业务层进行通信，并与百度地图web 应用界面相结合，以图形和文本等多种格式显示设备数据和现场观测，并关联设备到地图上。 Android 端和服务器端接受定时自动更新的方法，显示最新的管理信息［5］。

3 模块功能组成

智能巡检系统是通过移动升降平台、巡检小车、在线环境监测设备、巡检轨道和显示控制终端实现运行的。 其中，显示控制终端是智能巡检系统的信息接收端和指令发送端，它能够控制车辆的移动，并记录和存储图像数据。移动升降平台用于控制车辆的升降操作，以适应不同高度的巡检需求。 巡视小车具备拍摄照片和视频的功能，并将数据发送给控制面板终端，使得数据能够实时显示和监控。 此外，智能巡检设备还配备了在线环境监测装置，该装置安装在巡视小车上，用于检测设备间隔内的温度和湿度等环境参数，以提供更全面的设备状态信息。 而巡检设备的模块包括导航定位模块、信息存储及处理模块、环境在线监测模块等。

3.1 导航定位模块

巡检小车对导航和定位有很高的要求。 本文选择了一种具有高定位精度的多融合数据导航定位模块。 该模块的多源数据采集单元结构包括霍尔计算机、倾角和传感器、行走编码器等，可以满足巡检小车智能检测过程的数据采集和处理要求。 导航和定位是通过结合射频识别（radio frequency identification，RFID）、超声波和激光技术实现的。

3.2 信息存储及处理模块

在采集设备多源信息后，云服务器模块可以实时存储机电设备运行数据，并创建控制数据进行综合分析和管理。 数据存储和处理模块可以提高智能巡检系统运行和管理能效。 同时设备多源信息存储在云计算服务器中，可以有效提高信息利用效率和信息共享水平。

3.3 图像识别模块

在智能巡检机器人上安装防爆高分辨率摄像头，基于图像识别技术对设备运行情况进行分析，实时记录和分析设备外观，自动生成巡检日志。 为了提高视频图像检测的准确性，高分辨率防爆摄像机应在检测过程中反复记录设备的运行情况，并结合智能算法实现设备的目标识别与搜索。

3.4 网络通信模块

网络通信是智能巡检装置内部功能模块、调度中心控制之间实现信息通信的通道。 网络通信模块的上行数据与调度中心向巡检小车提供的检查指令有关；下行数据主要为智能巡检小车获取到的视频图像信息、监测信息、机电设备巡检状态等。

3.5 环境在线监测模块

该设备通过4G／GPRS 方式进行通信，并采用主动定时上传的方式。 即使没有网关和通信主机，气体传感器仍能执行传感和通信功能，实现物联网节点的功能。 气体传感器使用直流电源，工作电压范围为12 ～24 V，具有1×10－6的测量精度和0 ～500×10－6的测量范围。 在4G／GPRS 网络中，温湿度数据通过4G／GPRS 温湿度传感器进行传输。 如果没有专用通信线路，数据可以定期通过移动信号网络收集，并主动发送到服务器。 同时，设备支持网络配置更新、短信查询和参数设置。 温湿度传感器采用直流电源，工作电压范围为9～24 V。 温度测量范围为－40 ℃～80 ℃，精度为0.1 ℃。 湿度测量范围为0%～100%RH，精度为0.1%RH。 该装置的环境参数如图2 所示。

图2 环境参数显示之数据图形显示

3.6 网络连接模块

通过在WiFi 摄像头模块上设置物联网网卡，能够实现对车辆的远程控制。 当需要在本地对巡检小车进行控制时，可以连接到设备所建立的WiFi 网络，这样可以在500 m 的范围内进行测控操作，满足了运维人员对于控制距离的要求。 而对于远程控制，则不依赖于WiFi 网络，而是通过4G 网络连接到物联网设备内部网络。 以使用来自移动电话网络和中国电信网络的信号进行远程控制。远程控制的优势在于网络速度更快，同时具有连续的网络连接性，而且具备自动离线网络恢复功能。 图3 所示为物联网控制系统。

图3 物联网控制系统示意图

3.7 软件设计

STM32CubeMX 是一款图形化软件设置工具，允许使用图形化向导来生成C 初始代码。 Keil ARM 软件具有灵活的窗口管理系统，方便多台监视器的同时使用。 新的用户界面能够高效组织多个窗口，提供简洁的环境开发应用程序。 本文设计的智能巡检系统需实现的系统软件设计包括：通过STM32CubeMX 在STM32F407VET6 上配置各个模块所需的时钟以及各个模块的GPIO 输入、输出口；在Keil ARM 软件上进行工程文件的编写、编译，通过ST⁃LINK 仿真器下载到主控板上。 智能巡检系统的软件设计包括主程序设计、避障程序设计。 软件设计方案见图4。

图4 软件设计方案图

4 系统测试分析

4.1 智能巡检实现步骤

在本系统中，设备巡检控制并没有完全依赖于自动化，而是结合了人员团队的参与。 除了一些传感器监测点外，人员还可以按照指定的路径进行人工巡检，以了解设备的运行情况。 通过将人员现场检测数据与传感器数据相结合，作为基准，可以生成设备的控制命令，从而执行智能检测任务。 以下是执行巡检任务的步骤。

步骤1：发布巡检任务后，巡检人员使用数字密钥来验证其身份。 一旦验证完成，他们会接收到无线通信模块发送的验证任务的内容。

步骤2：根据巡检任务执行巡检工作。 在此过程中，系统自动激活GPS 定位功能，并使用RFID 扫描进行快速读写。 根据员工当前位置和地理位置，系统将引导巡检人员到检查现场，并给出完成检查路线和执行任务的指示。

步骤3：巡检人员打开图像记录器和专业传感器模式，从本地驱动器收集数字和图像数据，并使用功能数据存储和处理模块进行存储和管理。 无线通信模块用于创建通信连接，并将处理后的数据发送到控制面板以进行故障排除。

步骤4：一旦控制中心接收到数据，系统会调用系统数据库来比较数据，以确定当前数据是否与故障情况相符，并生成设备诊断结果。 此外，系统还提供地理信息，作为优化下一次巡检路线的依据。

4.2 系统测试

根据系统结构设计方案对系统硬件进行组装。 对智能巡检装置进行了系统功能测试，并将传统巡检方案作为对照组，以本文提出的智能巡检装置作为观察组。 测试结果表明，本系统设计方案在五个方面有所改进，包括故障诊断、巡检时效性、巡检路径优化、信息处理效率和故障定位。 传统的巡检计划依赖于多年的工作经验，规划检查路线、现场数据存储、将数据添加到计算机并上传数据，需要由一个专门的团队来进行检查和评估故障诊断结果。 本次提出的智能巡检装置采用了智能管理模式，利用设备运行数据来评估是否存在故障，并自动创建控制路径，启动沿该路径的检查，并使用端点收集数据以获得设备使用数据。 通过对比分析数据，可以发现，在故障诊断、巡检时效性、巡检路径优化、信息处理效率和故障定位等方面，与传统方案相比，智能巡检装置取得了明显的改进。 具体而言，此装置能够创建更短的检测路径，显著减少检测时间，并提高了检测误差的准确性、故障排除的准确性以及故障定位和数据处理的效率。 智能巡检装置在故障检测诊断准确率和故障定位准确率方面表现出色，能够满足配电网设备检测和故障排除的要求，为用户提供高效、准确的服务。 具体应用效果如下：

（1）自动巡检。 控制中心可以根据设备的巡检目标、周期、时间为依据，为智能巡检小车制定巡检任务。 在智能巡检模式下，可以实现巡检机器人的智能巡检。

（2）固定巡检。 如有必要，控制中心可根据需要将电网设备中的特定巡检目标作为巡检对象，由智能巡检小车开展固定巡检任务。

（3）远程控制巡检。 控制中心可在后台控制下远程控制巡检小车，对电网中指定的机电设备进行自动巡检。

智能巡检装置在实际应用效果表明，基于物联网技术所构建的组织智能巡检装置具有自动巡检、远程遥控巡检、固定巡检等众多功能，能够在一定程度上提高电网设备中的智能巡检效果，并且可以确保智能巡检装置的运行维护和故障诊断能力。 如表1 所示。

表1 系统测试结果

5 结语

综上所述，随着电网对于人们的重要性不断提升，确保电网设备的稳定运行成为主要研究的问题之一。 因此，为了实现对电网设备的监控，本文利用物联网技术开发智能巡检装置。 该装置采用中央控制单元对现场终端进行控制，实现高效的数据采集和实时数据传输。 使用无线通信模块向检测和控制中心提供必要的信息，经过准确分析之后发送控制命令。 系统测试结果意味着本装置能够采集设备运行数据，在控制路径、故障定位和数据处理等各个领域都显示出显著的优势。