科技館展品智能中控系統的設計

劉衛莊，方 猛，劉成偉，黃洪明

（合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著經濟的持續快速發展以及人們生活水平的不斷提高，提高國民的科學文化素質已是擺在各級政府面前的大事，在此背景下，科技館的建設工作得到全面展開。科技發展迅速，在生活的各個方面都可以發現開始利用高科技產品更便捷的表達想法。比如科技館、博物館等開始利用智能中控系統來協助工作，當今中控系統也層出不窮、各種各樣。設計一種優化管理、節約成本、功能集成、技術水平高的智能中控系統。智能中控系統主要由通用控制單元系統、網絡系統、軟件系統、終端控制器，強電控制器五部分組成。

1 智能中控系統的設計方案

展廳中控系統綜合多媒體軟件技術、STM32-ARM 嵌入式單片機技術、網絡技術、電力監測技術，是一個完整的應用系統。中控系統具體是對展廳展項進行集中控制，包括對展品自動、手動開機，展品狀態監測、報警、處理以及客流統計和大數據記錄。其拓撲結構如圖1 所示。

中控系統控制具備以下功能：

（1）一鍵開關機：通過平板電腦或中控計算機上的操作按鈕，可一鍵控制展品分區域依次自動供電、斷電，并自動開關機，同時實現對電腦和投影機的一鍵開關機。

圖1 中控系統拓撲結構

（2）指定區域或指定展品開關機：根據需要可通過平板電腦或中控計算機單獨控制某區域或任意一鍵展品的自動開、關機。

（3）應急開關機：系統故障時，管理員通過手動模式控制展品開關機管理。

（4）監測展品開關機狀態，并在平板電腦及中控計算機上實時顯示。

（5）展品出現異常自動報警提示，預防和及時發現故障，并為展品維護維修提供數據支持，單獨顯示界面，正常的展品顯示綠色，有故障的顯示紅色。

（6）展品故障處理：可通過無線終端發送展品報警信息給操作人員的同時，給出處理選擇，操作人員根據實際情況選擇處理方式。（報警信息含有處理報警的建議）。

（7）管理展區及數據庫：增加或者去除展區及下屬展項，調整名稱及相關配置。

（8）管理展品：通過中控計算機或手持客戶端增加或者去除展項，調整名稱及相關配置。

（9）展品維護時，選擇維修選項，該展品處于鎖死狀態，優先級高于展品的開關機。

（10）大數據記錄信息：對一些需要記錄體驗者信息且信息具有延續性的展品，由中控服務器記錄存儲。

（11）客流統計分析：通過人流分析系統得出熱力圖、受歡迎展項列表。并能夠對數據進行長期存儲及統計分析。

（12）可以實現自定義時間、條件自動開關機。

2 智能中控系統功能實現

一個完善可行的中控系統需具備控制器的標準化、統一化、模塊化、可配置、可重構、可實現全館總體控制與展廳單獨控制。需要中控系統能實現整館展品控制及信息匯總，制定標準化通信協議，各展廳控制系統按照標準協議開發通信接口可接入總控系統。總控系統通過與展廳中控系統通信，實現各展廳展品狀態監測、控制展品開關機、通斷電等全部控制功能，備份各展廳數據，預留接口，添加新改造展廳的展廳控制系統。總控系統對展廳的控制延遲≤5 s。

2.1 一種適用科技館展項的通用控制單元系統

現有科技館展項廠家眾多，展項眾多，控制規模龐大，接口協議種類多，非標多且大相徑庭。

針對上述難點和需求，結合多年的展品制作經驗設計一種能基本適用科技館展品的通用控制單元系統，該系統結構簡單、便于擴展、CPU 處理速度快（32 位寄存器）、可靠性強、系統工作穩定，最重要的是與展廳的中控系統采用統一的標準通信協議（Modbus RTU），便于展項乃至展廳升級和數據擴容服務。控制單元結構如圖2 所示。

控制單元作為展項控制系統的核心，具有很強的擴展功能，結合設計的擴展模塊可以靈活的組裝搭配，根據展項的實際功能擴展其相應功能需求。該控制單元核心具備多串口、藍牙、無線等數據通信功能。

圖2 控制單元結構

（1）串口功能：串口1 可以和計算機投影機設備數據通信，串口2 可以和UPS 設備通信，串口3（RS485）可以和終端設備通信，展項數據可上傳中控系統。

（2）藍牙功能：通過藍牙模塊CPU 可以和手機、PAD 等數據交互。

（3）無線功能：通過無線數據模塊CPU 可以和外接子設備數據交互，對有些不便于布線的設備可以數據網連接。

（4）LED 顯示功能：LED 顯示模塊可以顯示CPU 的運行情況以及設置參數。

（5）輸入功能（X0～X7；X8～X15）：控制單元的輸入接口可根據展項的輸入設備的數量進行配置，選擇相應的輸入擴展模塊，這樣可以節約資源節省成本。

（6）輸出功能（Y0～Y7；Y8～Y15）：控制單元的輸出接口可根據展項的控制設備進行配置，根據設備的電壓、電流配置，選擇相應輸出控制模塊或相應的驅動設備。這樣可以節約資源節省成本，便于維護和保養。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服電機、步進電機、LED 數碼串行顯示、語音控制等擴展功能。

2.2 中控網絡系統

總控室作為統管展廳設備系統的核心，具有最高的管理權限。中控器通過主控電腦連接網絡系統起到橋梁作用。根據展廳實際布局設計網絡系統，具備交換機、AP、AC 控制器等設備。實現全展廳覆蓋千兆有線及2.4 G 和5 G 無線網絡，展廳所有內置圖形工作站和工控機的可聯網展品使用TCP/IP 協議形成局域網。所有展品與中控室的通信原則上使用無線網絡，只有無線網絡無法滿足需求時使用有線網絡聯網。

軟件系統的運行服務器采用高端的機架式服務器，要求性能高、存儲空間大，模塊組合、增強的散熱系統，可以滿足整個系統監控軟件的穩定高速運行，同時搭配UPS 保證斷電時的數據安全。中控網絡拓撲如圖3 所示。

圖3 中控網絡拓撲

2.3 中控軟件系統

中控軟件系統采用編程語言python 開發，后端開發框架使用的Django，數據庫使用SQL Server，前端開發框架使用的是基于METRONIC 的Bootstrap 開發框架，配合Highcharts 提供前端圖表顯示。使用Ajax 做前后端通信技術，數據格式遵循JSON格式。軟件系統流程如圖4 所示。

Pad 客戶端：安裝在Pad 上，提供一鍵開關機，手動開關機，設備狀態監測等業務功能。中控系統管理平臺：在PC 上展示供管理人員使用，提供一鍵開關機，手動開關機，設備狀態監測等功能。中控系統接口端統一接入平臺：為系統中樞，提供各個外圍接口的數據轉換和業務處理功能。

圖4 中控系統軟件流程

2.4 終端控制器

中控系統與連接展品的終端控制器通過標準接口，獲得展品的運行狀態、開關機狀態、通斷電狀態以及故障等信息，向展品發送開關機，通斷電等指令。終端控制器控制流程如圖5所示。

圖5 終端控制器控制流程

展項中每個用電展項和需要控制的設備都接有線或無線終端控制盒，它具有WiFi 連接功能，能夠連接展廳的交換機或無線AP 進行通信，具有接收發送中控系統命令、展品狀態監控和預警等功能，通過內部無線網絡實現展品開機和關機控制。可實現基礎的狀態監控和預警[4]。控制盒的主要功能有：①控制展品電源通斷；②控制展品內的計算機、投影機等設備統一開機、延時關機功能（計算機需保存數據正常關機、投影機需關機后保持通電一段時間以便散熱）；③支持多種通信模塊用于計算機等智能設備通信；④具有WiFi 模塊及加強天線能夠穩定接入中控系統的無線網絡；⑤具有應急按鈕，以便維修或維護時能脫離中控系統，獨立啟動或關閉；⑥具有顯示模塊能直觀顯示展品運行狀態及故障信息；⑦控制終端的尺寸盡量小型化，長度≤250 mm、寬度≤160 mm、高度≤100 mm。

2.5 強電控制器

強電配電房內需要對電控箱進行剩余電流、線纜溫度、故障電弧的實時監測及報警，對展區效果燈進行區域化控制和方案預存功能。技術上采用有線控制模塊來實現，需要配置專用設備。專用設備明細見表1。

2.5.1 剩余電流、溫度監測

PMC-350-F 安裝在配電箱中既可作為電氣火災探測器用于對剩余電流、溫度及相電流的監控、預警、報警與保護，消除電氣火災隱患，又能對三相全電量進行測量，實現遙測、遙信和遙控等功能。

2.5.2 故障電弧監測

MC-T411 故障電弧探測器按照GB 14287.4—2014《電氣火災監控系統第4 部分：故障電弧探測器》設計，可對電氣線路中容易引起火災發生的串聯和并聯故障電弧進行有效的監測和報警，本地發出聲光報警并將報警信息上傳給監控系統或監控設備，及時通知運維人員排除故障，避免因絕緣不良、線路老化、接觸不良、連接松動等火災隱患產生的故障電弧引燃易燃物而造成火災發生。PMC-T411 故障電弧探測器彌補了現有低壓電氣設備如斷路器以及電氣火災監控中剩余電流、溫度監測與報警的不足。

表1 配置專用設備明細

3 結束語

中控是一個復雜的系統，需要各展項公司配合才能做得更好。每個展項需做到展項各設備的開關機和狀態反饋、各設備的故障報修代碼統計、展項操作的頻次統計等功能。采用統一的RS485 接口和標準的通信協議，設計通信協議可采用標準的MOUBUS-RTU 協議。中控系統還需做到容易擴展的功能，比如添加相應的控制終端和網絡設備，即可對展品實現控制，其中強電控制室也可進行方便的控制和擴展。如：從一樓擴展到二樓、三樓、四樓。