張 鑫, 牟龍華, 徐志宇

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804)

近10多年以來,物聯(lián)網(wǎng)一直是科技界大熱的名詞[1-2]。隨著電子、通信、計算、網(wǎng)絡(luò)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)從虛無縹緲的幻境成為觸手可及的現(xiàn)實。伴隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展浪潮,高校高電壓教學(xué)實驗平臺也應(yīng)該順應(yīng)時代的發(fā)展[3-5]。針對電氣設(shè)備絕緣特性實驗設(shè)備及實驗教學(xué)中存在的問題,依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵要素,提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣絕緣特性實驗平臺的設(shè)計方案。通過設(shè)計智能絕緣參數(shù)測試儀、數(shù)據(jù)合并單元,經(jīng)由LoRa無線局域網(wǎng)絡(luò)及4G廣域網(wǎng)絡(luò),將實驗數(shù)據(jù)上傳至云平臺,實現(xiàn)電氣絕緣特性實驗數(shù)據(jù)云存儲,并可由后臺PC、移動終端進行實驗數(shù)據(jù)追溯與分析。本設(shè)計不僅可以替代現(xiàn)有的ZC36型高絕緣電阻測量儀,完成高電壓技術(shù)教學(xué)中絕緣特性實驗,而且可以實現(xiàn)實驗歷史數(shù)據(jù)云存儲,便于學(xué)生對電氣設(shè)備絕緣狀況進行拓展性研究,提升高校高電壓實驗信息化教學(xué)、管理水平。

1 電氣絕緣特性實驗平臺設(shè)計方案

在高校開設(shè)的高電壓技術(shù)實驗課程中,電氣設(shè)備絕緣電阻與泄漏電流測量實驗是非常重要的實驗科目[6-7]。目前,各高校高電壓實驗室通常采用以ZC36型高絕緣電阻測量儀為代表的模擬式高阻計(簡稱為高阻計)來完成絕緣電阻與泄漏電流測量實驗。這類高阻計通過在試品薄膜的2個電極上施加一定的直流電壓,再由實驗者人工讀取并記錄泄漏電流變化值及絕緣電阻值。雖然該裝置在2年的實驗教學(xué)中基本能夠滿足教學(xué)實驗需求,但仍存在以下問題:

(1) 經(jīng)濟性。高阻計通常用作科研實驗,通過面板上的機械撥段開關(guān)來選擇測試電壓與電流倍率。由于學(xué)生人數(shù)多、操作頻繁等原因,撥段開關(guān)損壞非常多,幾乎每學(xué)期課程結(jié)束都需要更換全部撥段開關(guān)。同時,由于學(xué)生操作時對所加電壓缺乏事先預(yù)計,造成儀器的電流計超量程損壞率相當高,因此,實驗儀器需要經(jīng)常更換零部件，甚至直接報廢,經(jīng)濟損失較大。

(2) 準確性。高阻計采用指針式uA表指示泄漏電流,非常容易受到測試高壓的干擾,導(dǎo)致指針有時飄忽不定,不利于學(xué)生的實驗觀測、記錄。

(3) 真實性。高阻計只能測量薄膜型試品的絕緣電阻及泄漏電流,無法對真實電氣設(shè)備(如電力電纜、避雷器等)進行實驗,導(dǎo)致學(xué)生對實驗真實對象缺乏形象、真實的認知,無法滿足電力系統(tǒng)工作崗位的需求。

(4) 拓展性。目前絕緣特性本科教學(xué)實驗只需學(xué)生記錄一次實驗的相應(yīng)結(jié)果,進而評估試品的絕緣特性。但電氣設(shè)備絕緣特性實驗具有很大的拓展空間,除了單次測量外,還需要結(jié)合歷次實驗記錄,通過綜合分析來判斷設(shè)備的電氣絕緣狀況。而現(xiàn)有的高阻計無法實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的保存,不能滿足進一步拓展學(xué)生關(guān)于設(shè)備絕緣特性數(shù)據(jù)分析能力的需求。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)ITU《互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,ITU將“物聯(lián)網(wǎng)”形容成為一個無所不在的,在任何時間、任何地方,任何人、任何物體之間都可以相互聯(lián)接的計算及通信網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)包括感知與執(zhí)行層、通信與網(wǎng)絡(luò)層、信息聚合與應(yīng)用層。感知與執(zhí)行層主要是完成各種傳感及檢測信息的采集與動作執(zhí)行；通信與網(wǎng)絡(luò)層包括各種局域通信網(wǎng)以及廣域通信網(wǎng)絡(luò)；信息聚合與應(yīng)用層主要完成信息的聚類、挖掘、分析與呈現(xiàn)等[8]。

在感知與執(zhí)行層,涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括材料與器件技術(shù)、嵌入式軟硬件技術(shù)等；在通信與網(wǎng)絡(luò)層,涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括無線局域通信技術(shù)、廣域網(wǎng)通信技術(shù)等；在信息聚合與應(yīng)用層,涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括云存儲、信息分析與協(xié)同技術(shù)等[9-10]。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣絕緣特性實驗平臺

一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特點:

(1) 感知層應(yīng)該具備配置有無線通信接口的智能檢測/采集裝置,能夠針對檢測對象實現(xiàn)信息采集；

(2) 通信與網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該首先采用自組織的無線局域網(wǎng)絡(luò),在任何時間、任何地點,不依賴公用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)感知層裝置的檢測信息匯聚,進而利用4G等無線廣域網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至云服務(wù)器；

(3) 信息聚合與應(yīng)用層應(yīng)該采用云存儲方式存儲數(shù)據(jù)信息,便于任何具有權(quán)限的PC、移動終端在任何時間、任何地點通過互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù),并根據(jù)需求在后臺PC或移動終端進行數(shù)據(jù)分析。

基于此,提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣絕緣特性實驗平臺,如圖2所示,分為3個層次。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣絕緣特性實驗平臺

(1) 采集層。智能絕緣參數(shù)測試儀實現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣電阻與泄漏電流的測量及本地存儲,并可通過LoRa將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)合并單元。

(2) 通信層。通信層面可分為2層:智能絕緣參數(shù)測試儀與數(shù)據(jù)合并單元采用LoRa方式形成自組織的無線局域網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)不依賴基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò),采取自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將各測試儀存儲的絕緣電阻、泄漏電流傳輸至數(shù)據(jù)合并單元；數(shù)據(jù)合并單元與云服務(wù)器構(gòu)成廣域通信網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)合并單元通過4G通信方式將信息上傳至云服務(wù)器進行云存儲。

(3) 應(yīng)用層。采用后臺PC、移動終端與云存儲結(jié)合的方式,由阿里云服務(wù)器進行云存儲,并由后臺PC、移動終端調(diào)取云存儲數(shù)據(jù)進行實驗數(shù)據(jù)追溯與分析。

2 電氣絕緣特性實驗平臺硬件設(shè)計

2.1 智能絕緣參數(shù)測試儀

智能絕緣參數(shù)測試儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示,以STM32F103VCARM處理器為核心,結(jié)合高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705、線性光耦HCNR200檢測設(shè)備的泄漏電流,并采用“二次控制一次”的方式,通過板載繼電器控制測試高壓的投送,以保證實驗者的人身安全。同時,測試儀具備LoRa無線接口,用于與數(shù)據(jù)合并單元組成無線局域網(wǎng)絡(luò),傳輸實驗數(shù)據(jù)。

圖3 智能絕緣參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)合并單元

數(shù)據(jù)合并單元的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示,STM32F103VCARM處理器通過LoRa無線模塊調(diào)取嵌入式絕緣參數(shù)模塊中的實驗數(shù)據(jù),并經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)透傳模式上傳至云服務(wù)器進行云存儲。

圖4 數(shù)據(jù)合并單元結(jié)構(gòu)圖

LoRa是一種基于擴頻調(diào)制與解調(diào)的超遠距離無線傳輸技術(shù),采用包括433、868、915MHz等全球免費頻段,實現(xiàn)了超低功耗、超遠距離無線通信。LoRa將頻譜擴展通信技術(shù)與GFSK調(diào)制技術(shù)融合,這使得網(wǎng)絡(luò)中的不同終端只要使用不同的擴頻序列,既可保證用一樣的頻率同時發(fā)送數(shù)據(jù),也不會相互干擾[11-12]。本設(shè)計中選用ZM470SX-M型LoRa無線通信模塊構(gòu)成無線局域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)數(shù)據(jù)合并單元與智能絕緣參數(shù)測試儀間的數(shù)據(jù)傳輸。ARM處理器與LoRa通信模塊以SPI方式連接,其接口電路如圖5所示。

圖5 ARM處理器與LoRa通信模塊接口電路圖

4G模塊選用USR-LTE-7S4工業(yè)級4G模塊,實現(xiàn)專用路由器與云服務(wù)器間的廣域數(shù)據(jù)傳輸。ARM處理器與4G模塊以UART串口方式連接,其接口電路如圖6所示。

圖6 ARM處理器與4G通信模塊接口電路圖

3 電氣絕緣特性實驗平臺軟件設(shè)計

根據(jù)平臺總體設(shè)計,平臺軟件設(shè)計分成3個子系統(tǒng),即采集層子系統(tǒng)、通信層子系統(tǒng)和應(yīng)用層子系統(tǒng)。

3.1 采集層子系統(tǒng)

采集層子系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 采集層子系統(tǒng)軟件流程圖

采集層子系統(tǒng)主要作用是完成實驗電氣設(shè)備泄漏電流測量及絕緣電阻計算。絕緣參數(shù)測試儀啟動按鍵一經(jīng)按下,繼電器K1觸點閉合,通過外部升壓器投入1 000 V電壓,測試儀開始以5 s為周期自動檢測待測樣品的泄漏電流,30 s后結(jié)束檢測,將泄漏電流值與計算得到的絕緣電阻加時間戳存儲至EEPROM中；隨時等待數(shù)據(jù)合并單元的指令,根據(jù)指令將泄漏電流值與絕緣電阻上傳至數(shù)據(jù)合并單元。

3.2 通信層子系統(tǒng)

通信層子系統(tǒng)主要負責收集、整合絕緣參數(shù)測試儀采集的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器,等待下一步處理。本軟件制定了一套適合本平臺的自定義異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,數(shù)據(jù)合并單元與絕緣參數(shù)測試儀之間組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一個數(shù)據(jù)合并單元對應(yīng)多個絕緣參數(shù)測試儀,通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令至采集層設(shè)備,進而收取絕緣參數(shù)測試儀上傳的實驗數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)包進行拆包和重新組包。同時,隨時等待云服務(wù)器指令,通過4G廣域網(wǎng)絡(luò)將實驗數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。通信層子系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 通信層子系統(tǒng)軟件流程圖

3.3 應(yīng)用層子系統(tǒng)

應(yīng)用層子系統(tǒng)位于整個平臺的頂端,主要負責對整個平臺進行管理, 接收下端傳輸?shù)膶嶒灁?shù)據(jù),完成云存儲,并將數(shù)據(jù)進行分析、處理及應(yīng)用。其劃分的功能模塊如圖9所示。

圖9 應(yīng)用層子系統(tǒng)模塊圖

(1) 用戶管理模塊。系統(tǒng)通過用戶管理模塊,為用戶提供系統(tǒng)服務(wù)。用戶通過注冊在數(shù)據(jù)庫中建立個人的全信息字段,實現(xiàn)對網(wǎng)站服務(wù)的接入與使用。

(2) 數(shù)據(jù)接收與存儲模塊。該模塊利用虛擬串口,通過4G網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)合并單元進行交互,接收其發(fā)出的實驗數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲至云存儲服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,供后臺PC、移動終端使用。

(3) 數(shù)據(jù)處理模塊。后臺PC、移動終端中的數(shù)據(jù)處理模塊可以通過對云存儲服務(wù)器中實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和分析,建立長效機制的電氣設(shè)備絕緣特性模型。利用歷次實驗記錄,綜合分析來判斷設(shè)備的電氣絕緣狀況,拓展學(xué)生關(guān)于設(shè)備絕緣特性數(shù)據(jù)分析能力。

4 結(jié)語

根據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的理解,本文采用典型的物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu),提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣絕緣特性實驗平臺設(shè)計方案。與傳統(tǒng)電氣絕緣特性實驗平臺相比,智能絕緣參數(shù)測試儀可以完全替代現(xiàn)有ZC36型高絕緣電阻測量儀。同時,LoRa無線局域網(wǎng)絡(luò)和4G廣域網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式可以實現(xiàn)絕緣參數(shù)測試儀、數(shù)據(jù)合并單元及云服務(wù)器之間靈活的物聯(lián)交互,進而完成電氣絕緣特性實驗數(shù)據(jù)的遠程存儲、管理與分析,對提高高電壓技術(shù)實驗的真實性、準確性、可拓展性及實驗系統(tǒng)信息化管理具有積極的現(xiàn)實意義。