基于物聯(lián)網(wǎng)的場站設(shè)備智能監(jiān)控技術(shù)研究

謝維軍,張家銘,張鞍豪

(中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100071)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)簡稱“萬物互聯(lián)”，讓數(shù)據(jù)共享更加容易，簡化了我們的生活，提高了生活質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別(radio freyueney identificatim，RFID)技術(shù)與場站設(shè)備相連，實現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的實時管理，通過對場站設(shè)備與智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備與信息互聯(lián)，形成可共享可交換的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行信息的傳遞[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)的組成

物聯(lián)網(wǎng)有三個層次結(jié)構(gòu)：設(shè)備信息的輸入、通信網(wǎng)絡(luò)、信息的監(jiān)控處理，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

其中設(shè)備信息的輸入層將設(shè)備已知的信息通過設(shè)備傳感器對于設(shè)備的基本信息進行采集，通信網(wǎng)絡(luò)層通過各節(jié)點和RFID識別器實現(xiàn)信息的傳遞，信息的監(jiān)控處理層是對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析融合，也是設(shè)備智能監(jiān)控技術(shù)的核心部件，實現(xiàn)智能化的應(yīng)用。三個層次的相互配合，實現(xiàn)了設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)之間的交流。從各個層次上看，系統(tǒng)主要包括傳感技術(shù)和識別技術(shù)，利用了物理的基本知識完成了設(shè)備信息采集、電磁感應(yīng)、識別技術(shù)等；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)了遠距離低成本、低損耗通信，構(gòu)成了信息交流中心，負責(zé)傳遞采集和處理的信息；智能監(jiān)控技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)層傳來的信息進行分析處理，實現(xiàn)信息間的監(jiān)控管理[2]。

2 RFID射頻技術(shù)

RFID射頻技術(shù)利用無線射頻電波實現(xiàn)遠距離監(jiān)控、識別、定位，如圖2所示。RFID射頻技術(shù)利用光的反射與電磁波相結(jié)合，徹底解決了遠距離、超低功耗、高容量的標識物的識別和追蹤定位難題，具有壽命長、讀取數(shù)據(jù)大、數(shù)據(jù)可加密、能遠距離操控等優(yōu)點，還能對設(shè)備內(nèi)高速移動的物體進行識別，直接判斷出設(shè)備出現(xiàn)的故障。

圖2 RFID射頻技術(shù)工作過程

RFID射頻技術(shù)由天線、讀取器和感應(yīng)標簽三部分組成，設(shè)備的基本信息運用讀取器進行圖取，通過網(wǎng)絡(luò)通信進行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)讀寫模塊兒將數(shù)據(jù)進行加工處理，再輸出到射頻模塊通過天線進行能量時鐘數(shù)據(jù)的輸入至感應(yīng)標簽的天線中，在經(jīng)射頻模塊進行感應(yīng)輸送到控制模塊，對設(shè)備進行操控，若感應(yīng)標簽接收到讀取器的指令無法實行時，需要對數(shù)據(jù)進行分析判斷，是否在監(jiān)控管理過程中指令全部送達，若感應(yīng)標簽無異常的數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，將對設(shè)備操控的信號進行原路返回，實現(xiàn)了設(shè)備的感應(yīng)過程[3]，如圖3所示。

圖3 RFID射頻技術(shù)工作原理

3 場站設(shè)備智能監(jiān)控技術(shù)

3.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求分析

場站是重要能源生產(chǎn)運行和存儲的基礎(chǔ)設(shè)施，通常建設(shè)于地勢較為平坦，樹木稀少遠離人群密集的地區(qū)。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達，總體監(jiān)控容易發(fā)生故障，將場站設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)劃分為獨立部分，能夠在小區(qū)域內(nèi)報警，再將獨立部分組合在一起，在遇到非法入侵時形成聯(lián)動報警；也能實現(xiàn)日常執(zhí)勤巡邏人員相互識別；避免天氣惡劣或小動物闖入造成誤報。由此基于物聯(lián)網(wǎng)的場站設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)按其功能結(jié)構(gòu)應(yīng)該分為設(shè)備檢測平臺、遠程監(jiān)控中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)三大部分，如圖4所示。

圖4 場站設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 遠程監(jiān)控中心的功能和需求

遠程監(jiān)控中心只能對設(shè)備進行遠程遙控，對異常的數(shù)據(jù)進行分析處理，若設(shè)備發(fā)生故障時必須進行現(xiàn)場作業(yè)。遠程監(jiān)控中心通過每個區(qū)域發(fā)送出來的實時數(shù)據(jù)對設(shè)備進行管理和控制。除此之外，為了完善遠程監(jiān)控中心應(yīng)建立防護安全基地、公共安全、防火預(yù)警等部門，實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)聯(lián)動報警，提高場所設(shè)備檢修效率。

要實現(xiàn)系統(tǒng)場所檢修平臺應(yīng)具備以下功能：

(1)聯(lián)動報警:應(yīng)設(shè)立監(jiān)管部門、消防部門、運輸?shù)缆方煌ü芾淼葘崿F(xiàn)聯(lián)動報警平臺，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時進行應(yīng)急搶修。

(2)設(shè)備監(jiān)控：通過傳感器感應(yīng)裝置，對設(shè)備進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)每個區(qū)域都能全能預(yù)警。

(3)數(shù)據(jù)存儲：每個區(qū)域都應(yīng)設(shè)置數(shù)據(jù)庫，能夠安全地儲存設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便查處異常數(shù)據(jù)的來源，加快對設(shè)備安全水平的分析。

(4)應(yīng)急值守：在場所設(shè)備周圍設(shè)置值班室，方便對設(shè)備的現(xiàn)場監(jiān)控以及應(yīng)急搶修，確保監(jiān)控功能有序地進行。

4 場站設(shè)備智能監(jiān)控技術(shù)工作過程

監(jiān)控系統(tǒng)以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)進行整體控制，形成智能監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括四大功能:

(1)主要對設(shè)備信息進行采集、對場所設(shè)備環(huán)境進行自動檢測、遠程控制功能。設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集實現(xiàn)了對設(shè)備周圍環(huán)境變化、壓強等信息的采集和報警。

(2)物聯(lián)網(wǎng)對物聯(lián)設(shè)備的工作狀態(tài)進行精確的記錄，能夠?qū)υO(shè)備的運行速度與穩(wěn)定性進行絕對的平衡分析、提高設(shè)備的運行速度利用計算機系統(tǒng)進行更好的操控并優(yōu)化，在單位時間內(nèi)使功率達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲蠡ㄟ^監(jiān)測系統(tǒng)的流程實時圖有數(shù)據(jù)顯示。

(3)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)具有實時傳輸功能，將為編碼數(shù)據(jù)進行重新量化編碼，考慮設(shè)備所處的環(huán)境與監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，進行自動檢測通信連接。

(4)設(shè)備管理子系統(tǒng)對設(shè)備進行實時的監(jiān)控分析并進行報表，通過傳感器傳輸?shù)撵`敏度、設(shè)備的使用情況，進行可視化的數(shù)據(jù)管理，如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器結(jié)構(gòu)

場站設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，以計算機為核心，安裝狀態(tài)感知系統(tǒng)、存儲模塊、設(shè)備中央處理器系統(tǒng)和分區(qū)域小型中央處理器系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的場站設(shè)備智能監(jiān)控。狀態(tài)感知子系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的連接節(jié)點中，主要負責(zé)設(shè)備實時狀態(tài)的感知，并將所感知到的數(shù)據(jù)發(fā)送到小型中央處理器系統(tǒng)節(jié)點，經(jīng)數(shù)據(jù)加工整合發(fā)送到中央處理器系統(tǒng)。在狀態(tài)感知子系統(tǒng)中，需要感知設(shè)備所處的環(huán)境(溫度、壓強、濕度)、設(shè)備能否正常工作、設(shè)備是否超負荷工作；物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息包括設(shè)備的RFID是否能正常標識、能否測量出高速運轉(zhuǎn)的設(shè)備運行的速率信息，并對數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈恢眠M行實時的感知定位。為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實時設(shè)備的智能監(jiān)控，在小型中央處理器中需要構(gòu)建匯聚節(jié)點，連接無線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備終端，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式進行傳送至中央處理器，完成對小型中央處理器中各節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，加快采集和發(fā)送速度，提高機器的整體運行速率。存儲模塊是存儲場站設(shè)備信息重要模塊，包含動態(tài)存儲模塊和靜態(tài)存儲模塊，動態(tài)存儲模塊與CPU具有相同的時鐘頻率，通過人工篩選或機器自動處理對需要的數(shù)據(jù)進行保存，對于異常數(shù)據(jù)進行報警處理。靜態(tài)存儲模塊具有數(shù)據(jù)保存時間長、容量大、價格低、功耗小的特點。當(dāng)智能監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生報警時，通過將異常數(shù)據(jù)和靜態(tài)存儲模塊中數(shù)據(jù)進行對比，找出異常數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。

5 結(jié)束語

監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化分為監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)備優(yōu)化兩部分，采用遠程智能監(jiān)控技術(shù)，基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信與識別技術(shù)、傳感技術(shù)和識別技術(shù)構(gòu)建實時監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備進行實時監(jiān)控，提高設(shè)備運行速率，增強設(shè)備安全性。