基于物聯網技術智能巡檢系統設計研究

呂文祥

（河南省駐馬店財經學校 河南 駐馬店 463000）

0 引言

物聯網是互聯網的一種擴展形式，它通過使用射頻識別設備、全球定位系統、紅外傳感器等技術，將互聯網的概念擴展到現實世界中的物體和設備上［1］。 在能源行業中，物聯網技術的應用不斷推動現有的控制系統進一步完善，促使能源領域向更高效、智能化的現代化方向發展。 同時，由于許多設備安裝位置的特殊性，運維人員無法了解設備的運行狀態，增加了運維人員的操作和監控風險。 針對這一問題，本文將物聯網技術應用在組合智能巡檢裝置的設計中，該裝置由檢測小車、移動升降平臺、檢測軌道、在線環境監測裝置和顯示控制終端等組成［2］。 它可以幫助用戶和服務人員讀取設備的運行情況，查找故障發生位置，進行溫濕度監測等。

1 系統框架設計

圖1 所示為智能巡檢終端層次化設計。 智能終端巡檢系統分為應用層、通信層、采集層。

圖1 智能巡檢裝置層次化設計示意

1.1 智能巡檢系統通信技術

網絡通信分為有線和無線技術，其主要區別在于傳輸介質的不同。 有線傳輸是通過物理連接進行數據傳輸，而無線技術則利用無線電技術實現數據傳輸。 無線網絡技術目前已經非常成熟，廣泛覆蓋餐館、學校、圖書館、購物中心等多個區域，給人們的生活帶來了極大的便利，也為人們之間的溝通提供了更多可能性［3］。 因此，在智能控制系統的設計中，采用無線技術可以取得顯著的效果。

1.2 自動化識別技術

該技術指的是當某些設備檢測到物體時，它們會自動接收相關信息，并將這些信息發送到后臺的計算機技術系統。 自動化識別技術正在快速發展，涌現出許多相關技術學科，包括常見的詞條技術、射頻技術、視覺識別技術、條形碼技術、IC 卡技術等。 在各個社會領域中，自動識別技術解決了傳統工作流程中數據采集過程中的高重復性、大工作量和低準確性等問題，發揮著關鍵的作用。

1.3 終端操作系統

在國內手機市場上，個人數據管理設備繼續發揮著重要作用，受到了許多公司的關注，但目前市場上的競爭是分散的，因為大量的電子產品制造商加入。 從應用情況、競爭地位和市場容量來看，得益于整個市場發展階段，增長潛力仍然很大。 目前，最大的操作系統是安卓、蘋果等［4］。

2 關鍵技術

2.1 分層分級管理技術

為了實時直觀地了解設備數據，該系統基于地圖為底圖，結合拓撲檢測、圖論和面向對象技術，實現了自動建網、自動更新。 首先，巡檢系統基于由不同粗細的線條所表示的拓撲關系，確定主線和支線；在發生緊急情況時，后端控制系統還根據地圖給出最優解決方案。

2.2 基于空間位置的設備統一管理

通過物聯網連接和管理的對象具有時空屬性，依賴于GIS 管理的空間數據。 該系統集成了地圖可視化和設備管理，并實時顯示設備檢查的當前狀態。 當用戶通過移動設備注冊設備信息，選擇編號，以JSON 發送格式數據給系統后臺。 系統web 終端使用jOuery 庫與業務層進行通信，并與百度地圖web 應用界面相結合，以圖形和文本等多種格式顯示設備數據和現場觀測，并關聯設備到地圖上。 Android 端和服務器端接受定時自動更新的方法，顯示最新的管理信息［5］。

3 模塊功能組成

智能巡檢系統是通過移動升降平臺、巡檢小車、在線環境監測設備、巡檢軌道和顯示控制終端實現運行的。 其中，顯示控制終端是智能巡檢系統的信息接收端和指令發送端，它能夠控制車輛的移動，并記錄和存儲圖像數據。移動升降平臺用于控制車輛的升降操作，以適應不同高度的巡檢需求。 巡視小車具備拍攝照片和視頻的功能，并將數據發送給控制面板終端，使得數據能夠實時顯示和監控。 此外，智能巡檢設備還配備了在線環境監測裝置，該裝置安裝在巡視小車上，用于檢測設備間隔內的溫度和濕度等環境參數，以提供更全面的設備狀態信息。 而巡檢設備的模塊包括導航定位模塊、信息存儲及處理模塊、環境在線監測模塊等。

3.1 導航定位模塊

巡檢小車對導航和定位有很高的要求。 本文選擇了一種具有高定位精度的多融合數據導航定位模塊。 該模塊的多源數據采集單元結構包括霍爾計算機、傾角和傳感器、行走編碼器等，可以滿足巡檢小車智能檢測過程的數據采集和處理要求。 導航和定位是通過結合射頻識別（radio frequency identification，RFID）、超聲波和激光技術實現的。

3.2 信息存儲及處理模塊

在采集設備多源信息后，云服務器模塊可以實時存儲機電設備運行數據，并創建控制數據進行綜合分析和管理。 數據存儲和處理模塊可以提高智能巡檢系統運行和管理能效。 同時設備多源信息存儲在云計算服務器中，可以有效提高信息利用效率和信息共享水平。

3.3 圖像識別模塊

在智能巡檢機器人上安裝防爆高分辨率攝像頭，基于圖像識別技術對設備運行情況進行分析，實時記錄和分析設備外觀，自動生成巡檢日志。 為了提高視頻圖像檢測的準確性，高分辨率防爆攝像機應在檢測過程中反復記錄設備的運行情況，并結合智能算法實現設備的目標識別與搜索。

3.4 網絡通信模塊

網絡通信是智能巡檢裝置內部功能模塊、調度中心控制之間實現信息通信的通道。 網絡通信模塊的上行數據與調度中心向巡檢小車提供的檢查指令有關；下行數據主要為智能巡檢小車獲取到的視頻圖像信息、監測信息、機電設備巡檢狀態等。

3.5 環境在線監測模塊

該設備通過4G／GPRS 方式進行通信，并采用主動定時上傳的方式。 即使沒有網關和通信主機，氣體傳感器仍能執行傳感和通信功能，實現物聯網節點的功能。 氣體傳感器使用直流電源，工作電壓范圍為12 ～24 V，具有1×10－6的測量精度和0 ～500×10－6的測量范圍。 在4G／GPRS 網絡中，溫濕度數據通過4G／GPRS 溫濕度傳感器進行傳輸。 如果沒有專用通信線路，數據可以定期通過移動信號網絡收集，并主動發送到服務器。 同時，設備支持網絡配置更新、短信查詢和參數設置。 溫濕度傳感器采用直流電源，工作電壓范圍為9～24 V。 溫度測量范圍為－40 ℃～80 ℃，精度為0.1 ℃。 濕度測量范圍為0%～100%RH，精度為0.1%RH。 該裝置的環境參數如圖2 所示。

圖2 環境參數顯示之數據圖形顯示

3.6 網絡連接模塊

通過在WiFi 攝像頭模塊上設置物聯網網卡，能夠實現對車輛的遠程控制。 當需要在本地對巡檢小車進行控制時，可以連接到設備所建立的WiFi 網絡，這樣可以在500 m 的范圍內進行測控操作，滿足了運維人員對于控制距離的要求。 而對于遠程控制，則不依賴于WiFi 網絡，而是通過4G 網絡連接到物聯網設備內部網絡。 以使用來自移動電話網絡和中國電信網絡的信號進行遠程控制。遠程控制的優勢在于網絡速度更快，同時具有連續的網絡連接性，而且具備自動離線網絡恢復功能。 圖3 所示為物聯網控制系統。

圖3 物聯網控制系統示意圖

3.7 軟件設計

STM32CubeMX 是一款圖形化軟件設置工具，允許使用圖形化向導來生成C 初始代碼。 Keil ARM 軟件具有靈活的窗口管理系統，方便多臺監視器的同時使用。 新的用戶界面能夠高效組織多個窗口，提供簡潔的環境開發應用程序。 本文設計的智能巡檢系統需實現的系統軟件設計包括：通過STM32CubeMX 在STM32F407VET6 上配置各個模塊所需的時鐘以及各個模塊的GPIO 輸入、輸出口；在Keil ARM 軟件上進行工程文件的編寫、編譯，通過ST?LINK 仿真器下載到主控板上。 智能巡檢系統的軟件設計包括主程序設計、避障程序設計。 軟件設計方案見圖4。

圖4 軟件設計方案圖

4 系統測試分析

4.1 智能巡檢實現步驟

在本系統中，設備巡檢控制并沒有完全依賴于自動化，而是結合了人員團隊的參與。 除了一些傳感器監測點外，人員還可以按照指定的路徑進行人工巡檢，以了解設備的運行情況。 通過將人員現場檢測數據與傳感器數據相結合，作為基準，可以生成設備的控制命令，從而執行智能檢測任務。 以下是執行巡檢任務的步驟。

步驟1：發布巡檢任務后，巡檢人員使用數字密鑰來驗證其身份。 一旦驗證完成，他們會接收到無線通信模塊發送的驗證任務的內容。

步驟2：根據巡檢任務執行巡檢工作。 在此過程中，系統自動激活GPS 定位功能，并使用RFID 掃描進行快速讀寫。 根據員工當前位置和地理位置，系統將引導巡檢人員到檢查現場，并給出完成檢查路線和執行任務的指示。

步驟3：巡檢人員打開圖像記錄器和專業傳感器模式，從本地驅動器收集數字和圖像數據，并使用功能數據存儲和處理模塊進行存儲和管理。 無線通信模塊用于創建通信連接，并將處理后的數據發送到控制面板以進行故障排除。

步驟4：一旦控制中心接收到數據，系統會調用系統數據庫來比較數據，以確定當前數據是否與故障情況相符，并生成設備診斷結果。 此外，系統還提供地理信息，作為優化下一次巡檢路線的依據。

4.2 系統測試

根據系統結構設計方案對系統硬件進行組裝。 對智能巡檢裝置進行了系統功能測試，并將傳統巡檢方案作為對照組，以本文提出的智能巡檢裝置作為觀察組。 測試結果表明，本系統設計方案在五個方面有所改進，包括故障診斷、巡檢時效性、巡檢路徑優化、信息處理效率和故障定位。 傳統的巡檢計劃依賴于多年的工作經驗，規劃檢查路線、現場數據存儲、將數據添加到計算機并上傳數據，需要由一個專門的團隊來進行檢查和評估故障診斷結果。 本次提出的智能巡檢裝置采用了智能管理模式，利用設備運行數據來評估是否存在故障，并自動創建控制路徑，啟動沿該路徑的檢查，并使用端點收集數據以獲得設備使用數據。 通過對比分析數據，可以發現，在故障診斷、巡檢時效性、巡檢路徑優化、信息處理效率和故障定位等方面，與傳統方案相比，智能巡檢裝置取得了明顯的改進。 具體而言，此裝置能夠創建更短的檢測路徑，顯著減少檢測時間，并提高了檢測誤差的準確性、故障排除的準確性以及故障定位和數據處理的效率。 智能巡檢裝置在故障檢測診斷準確率和故障定位準確率方面表現出色，能夠滿足配電網設備檢測和故障排除的要求，為用戶提供高效、準確的服務。 具體應用效果如下：

（1）自動巡檢。 控制中心可以根據設備的巡檢目標、周期、時間為依據，為智能巡檢小車制定巡檢任務。 在智能巡檢模式下，可以實現巡檢機器人的智能巡檢。

（2）固定巡檢。 如有必要，控制中心可根據需要將電網設備中的特定巡檢目標作為巡檢對象，由智能巡檢小車開展固定巡檢任務。

（3）遠程控制巡檢。 控制中心可在后臺控制下遠程控制巡檢小車，對電網中指定的機電設備進行自動巡檢。

智能巡檢裝置在實際應用效果表明，基于物聯網技術所構建的組織智能巡檢裝置具有自動巡檢、遠程遙控巡檢、固定巡檢等眾多功能，能夠在一定程度上提高電網設備中的智能巡檢效果，并且可以確保智能巡檢裝置的運行維護和故障診斷能力。 如表1 所示。

表1 系統測試結果

5 結語

綜上所述，隨著電網對于人們的重要性不斷提升，確保電網設備的穩定運行成為主要研究的問題之一。 因此，為了實現對電網設備的監控，本文利用物聯網技術開發智能巡檢裝置。 該裝置采用中央控制單元對現場終端進行控制，實現高效的數據采集和實時數據傳輸。 使用無線通信模塊向檢測和控制中心提供必要的信息，經過準確分析之后發送控制命令。 系統測試結果意味著本裝置能夠采集設備運行數據，在控制路徑、故障定位和數據處理等各個領域都顯示出顯著的優勢。