摘　要：本文針對當前校園、工廠和小區(qū)等場所的安全用電隱患突出，用電安全事故頻發(fā)，傳統的被動安全用電保護措施已經無法滿足社會的需求。本系統運用人工智能和大數據分析技術，設計了一款基于云端的安全用電智能系統，系統主要由智能硬件終端、網關和云端系統組成。硬件終端實時采集用電參數，智能網關通過LoRa無線接收到數據后進行過濾并轉發(fā)到云端，云端系統對上傳的電參數和信息進行分析，系統還可以下發(fā)指令到硬件終端進行控制和。實驗結果表明，該系統穩(wěn)定可靠，能有效保障安全用電，減少用電事故的發(fā)生。

關鍵詞：安全用電；；人工智能；大數據；LoRa；云端

0 引言

       安全問題一直是社會關注的焦點，特別是校園、工廠和小區(qū)等場所的安全，這些場所空間窄、人員密集，一旦發(fā)生安全事故，則會導致不可預見的損失，而用電安全是預防安全事故的重要措施。線路過載、短路和漏電是安全用電首須要考慮的問題。老舊線路由于電氣絕緣老化和當時電氣保護裝置的技術水平，容易導致用電安全事故發(fā)生，雖然新安裝的線路中增加了很多過載和漏電保護裝置，但是由于保護裝置質量和人為安裝不規(guī)范等原因，還是會出現用電安全事故，從而發(fā)生火災和觸電，導致人員傷亡。

       電已經成為現代生活的必需品，提供便利的同時，稍有不慎，將成為巨大的風險源，超負荷的電流頃刻間可以使人斃命。隨著社會技術的發(fā)展，特別是當代我國互聯網的高速發(fā)展，大數據和人工智能技術的興起，不僅僅改變了人們的生活方式，還對各行各業(yè)的發(fā)展起來很大的推動作用。

本系統運用人工智能和大數據分析技術，設計了一款基于云端的安全用電智能系統。通過大數據的分析，能判斷出線路容易出現過載和漏電的時間段和大概線路位置，從而可以準確做好應對措施以及迅速進行故障排除；結合人工智能技術，系統實時監(jiān)測電壓、電流、漏電電流和功率等電參數，能實時準確地對故障線路進行斷電和恢復，發(fā)出語音播告等提示信息。

1 系統設計原理

       系統由智能硬件終端、智能網關和云端服務器組成。智能終端采集線路的電參數，通過RoLa無線傳輸給網關，網關過濾數據后由GPRS網絡上傳到云端服務器，云端服務器存儲、分析和顯示數據。系統設計框圖如圖1所示。各個采集終端與網關構成了星型網絡，網關與網關之間的網絡節(jié)點是平等的，直接和云端服務器聯網通訊。

2 硬件系統

2.1采集終端設計

2.1.1 STM32F407ZET6單片機

        STM32F4ZET6是由意法半導體開發(fā)的一種高性能微控制器，它的Flash有512KB，RAM大小為192KB，CPU頻率可達168MHz，芯片內嵌資源豐富。由于采集終端需要大量采集電量數據，并且對數據能實時分析處理，因此本采集終端使用了STM32F407ZET6作為主CPU。

2.1.2 電參數采集電路

        采集終端需要采集電路的電能、功率、功率因素、電流和電壓等電參數，為了準確而穩(wěn)定地采集電路參數，選用了ATT7022E芯片，ATT7022E是一顆高精度三相電能計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用，能滿足了采集電路數據的要求。

2.1.3 LoRa通訊技術

       采樣終端采集數據后，需要通過無線的方式傳輸到網關節(jié)點，再由網關節(jié)點上傳到云端服務器，所以要求終端數據的傳輸須穩(wěn)定可靠，考慮到部節(jié)約成本和部署采集終端的靈活性等原因，選用了LoRa無線技術，LoRa無線技術具有傳輸距離遠，頻段免費，部署方便等優(yōu)點。

2.2 智能網關設計

        SIM7600CE是一款可以實現2G/3G/4G網絡通信的全網通模塊，智能網關系統是以STM32F103為核心處理器，外接全網通模塊SIM7600CE和LoRa通信模塊構成的。通過的軟件算法，可以把LoRa模塊接收的數據，準確、穩(wěn)定地通過GPRS網絡上傳到云端服務器，網關還具有斷線自動重連、網絡監(jiān)測等功能，保證網關安全、可靠地工作。智能網關的系統框架如圖2所示。智能網關的數據傳輸全部通過設定的加密算法進行加密運算，可以保證重要數據的安全性。

3 軟件系統

       服務器軟件系統的設計主要劃分為HTTP服務和Socket服務。業(yè)務邏輯和數據顯示等由HTTP服務完成，網關終端與服務器之間的數據通信則由Socket服務完成。

3.1 HTTP服務

       HTTP服務的設計采用了PHP語言，PHP易于學習，使用廣泛，主要適用于Web開發(fā)領域；NGINX是一個高性能的HTTP和反向代理服務器，本系統的HTTP服務采用了PHP7和NGINX完成。

3.2 Socket服務

       由于網關終端與云服務器的連接的TCP長久連接，要求網關終端須實時連接服務器，以便于數據及時處理和采樣終端，因此了Swoole引擎開發(fā)Socket服務，Swoole是一個面向生產環(huán)境的PHP異步網絡通信引擎，可以編寫高性能的異步并發(fā)TCP服務。

3.3 B/S構架服務器設計

       為了減少開發(fā)量和滿足系統跨平臺、多終端使用的要求，提高系統使用的便捷性，云端系統采用了B/S構架設計，云端系統的設計框圖如圖3所示。

       終端采集數據后，對數據進行加密處理，通過制定的網絡通訊協議把數據由網關上傳到由Swoole引擎編寫的高性能Socket服務器上，Socket服務器采集數據后進行處理和分析。

       服務器上通過采集終端上傳的各種用電參數數據，通過開發(fā)的軟件算法，可以實時準確地分析線路的運行情況。再運用大數據技術進行分析處理，可以預測可能發(fā)生安全用電事故的線路位置，及時通知維修人員進行維護處理。

4 系統應用效果和性能驗證

       系統部署某公園的照明電路線路中，照明線路的電參數情況，測試系統的各項指標數據。在線路發(fā)生漏電、過流和過壓等不正常的情況時，智能終端能迅速切斷線路，防止發(fā)生嚴重的電類事故，異常動作反應時間和準確率如表1所示。

       通過出現各類安全事情，智能終端的運行情況，可以得出智能終端能在電路發(fā)生不安全狀況時，能在2秒以內迅速切斷線路，符合要求。而且通過的干擾過濾算法，能讓智能終端準確率保持100%。

5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型

5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹

        Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時、、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發(fā)現問題并實施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統通過集中，使得數據通過每個節(jié)點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的和管理。

平臺的整體結構圖

具體功能如下：

       （1）安全用電監(jiān)管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。

       （2）安全用電監(jiān)管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監(jiān)測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、未處理數、常規(guī)巡檢及產品維護等數據，監(jiān)管數據能保存十年以上。

       （3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

       （4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。

       （5）探測終端產品滿足法律法規(guī)和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災探測器》）的要求，并通過消防產品質量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。

       （6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監(jiān)管系統平臺。

5.2  產品選型

5.2.1 漏電火災探測器

5.2.2 故障電弧探測器

       安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

       AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3 限流式保護器

       安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

       ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。

       以下是ASCP200-1的主要功能：

       短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發(fā)出聲光信號。

       過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光信號。

       表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光信號。

過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光信號，可預先設置是否啟動限流保護。

配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過設定值時，保護器發(fā)出聲光信號，可預先設置是否啟動限流保護。

       漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過設定值時，保護器發(fā)出聲光信號，可預先設置是否啟動限流保護。

       保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發(fā)送到后臺系統，實現遠程。

5.2.4 剩余電流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

       AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺模塊。

       AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生，會實時上傳數據。

5.2.6 溫度傳感器

       溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。

6 結束語

       安全用電智能系統，不僅能夠實時網絡用電的各項參數，還能夠根據電路的漏電電流、過流和過壓值等，迅速做出判斷并且可以即時斷開線路，保證線路的安全，防止觸電等各類電類事故的發(fā)生，系統可以在不改變原來線路的情況下進行加裝，部署方便，成本低，實用可靠。

參考文獻

[1] 朱升林,歐陽駿,楊晶.嵌入式網絡那些事:STM32物聯網實戰(zhàn)[M].北京:中國水利水電出版社,2015.

[2] 吳大鵬.物聯網技術應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3] 易飛,余剛,何凌,朱威.GPRS網絡信令實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[4] 劉榮章.安全用電智能系統的研制

[5] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版