劉建國，嚴(yán)利雄，向官騰，常聚忠

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

在電力檢修運維的過程中，溫度與濕度的檢測和控制是安全保障的重要環(huán)節(jié)。變壓器、GIS等變電（換流）站主設(shè)備開蓋或解體時對溫濕度有嚴(yán)格的限制條件，現(xiàn)場施工過程中若出現(xiàn)濕度超標(biāo)時違規(guī)冒險施工，極易導(dǎo)致設(shè)備本體內(nèi)部受潮，影響設(shè)備正常投運，帶來負(fù)面影響，嚴(yán)重者可能會導(dǎo)致設(shè)備投運后故障、非停等問題。因此，實時監(jiān)測現(xiàn)場工作環(huán)境的溫濕度，保障工作環(huán)境合格，可以有效避免溫濕度異常帶來的負(fù)面影響，從而保障設(shè)備的正常使用及使用壽命。

由于電力施工現(xiàn)場設(shè)備類型多，施工條件復(fù)雜，溫濕度環(huán)境監(jiān)測點的位置選取對監(jiān)測效果有重要影響，需要監(jiān)測設(shè)備具備良好性能與可移動性。目前大多數(shù)溫濕度監(jiān)測裝置都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與處理功能，但裝置往往具有體積大、可視化低、功能少、移動性差等缺點。本文設(shè)計了一種基于Android終端的便攜式智能溫濕度監(jiān)測警示系統(tǒng)，其脫離了插線電源，能放置于電力施工現(xiàn)場各個監(jiān)測位置，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集顯示、曲線分析、多途徑告警等功能，解決了傳統(tǒng)裝置的不足，為作業(yè)現(xiàn)場的安全提供更加便捷智能的保障[1]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能設(shè)計

便攜式智能溫濕度監(jiān)測警示系統(tǒng)是一種由硬軟件結(jié)合的多功能裝置，其物理結(jié)構(gòu)僅由Android終端、傳感器與硬件電路構(gòu)成并組裝成整體，具有體積小、重量輕、能耗少、移動性好的優(yōu)點。按功能架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和表達層三層結(jié)構(gòu)[2]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能設(shè)計圖Fig.1 The overall architecture and functional design of system

該裝置放置于現(xiàn)場，實時溫濕度連續(xù)監(jiān)測記錄，自動生成溫濕度曲線，并帶有影像記錄和存儲功能，方便查看和調(diào)用，能夠直觀、清楚地觀察出溫濕度的變化趨勢，有利于溫濕度的預(yù)測；數(shù)據(jù)存儲功能可以用于分析總結(jié)溫濕度變化的規(guī)律，做出相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)對措施。出現(xiàn)溫濕度異?；虺秶鷷r，能夠發(fā)出聲音警報并彈出醒目的紅色吊牌指示，警示現(xiàn)場立即停工采取有效措施，同時通過點對點（或多點）向指定負(fù)責(zé)人發(fā)出短信提醒，規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)，做到責(zé)任可追溯，同時減輕現(xiàn)場人員工作量。

2 數(shù)據(jù)采集層設(shè)計

數(shù)據(jù)采集層主要完成現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集與格式轉(zhuǎn)換，該層主要由溫濕度傳感器、單片機控制模塊和電源模塊構(gòu)成，采集層設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集層邏輯設(shè)計圖Fig.2 Logical design of data acquisition layer

2.1 溫濕度復(fù)合傳感器模塊

為了提高裝置便攜性，本文采用了DHT11溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器由電阻式感濕單元和NTC測溫單元構(gòu)成，能與一個高性能8位單片機連接，具備響應(yīng)快速、穩(wěn)定性強、信號傳輸距離遠等特點。

當(dāng)收到單片機傳發(fā)的采集信號后，首先傳感器由低耗待命模式轉(zhuǎn)為高速響應(yīng)模式，開始采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機通過計算將處理后的數(shù)據(jù)通過藍牙指令發(fā)送至Android終端，傳感器再次進入低耗模式，這樣便進行一次完整采集，整個通訊過程耗時5 ms左右。數(shù)據(jù)采集為40 bit二進制格式，包含16 bt濕度數(shù)據(jù)、16 bt溫度數(shù)據(jù)與8 bit校驗數(shù)據(jù)[3]。

2.2 單片機控制模塊

為了適應(yīng)上述符合傳感器輸出接口，在控制電路中采用的是目前比較流行的Arduino UNO R3控制板，該板擁有高分辨率的AVR ATmega 328型8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，14個基于USB接口的數(shù)字I/O口，以及6個10bit的模擬輸入腳，開發(fā)人員可以通過USB接口快速更新程序[4]。該系統(tǒng)中，控制模塊主要對傳感器采樣進行信號控制，并將傳入數(shù)據(jù)進行計算，將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在Android終端內(nèi)讀取的十進制格式，同時，該模塊具備識別終端藍牙設(shè)備及數(shù)據(jù)加密運算功能，采集數(shù)據(jù)在進行非對稱算法加密后通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至Android終端。

2.3 電源模塊

由于該系統(tǒng)中Android終端自帶電池，故電源模塊只需對數(shù)據(jù)采集層中硬件進行供電。傳感器模塊和單片機控制模塊設(shè)計中均考慮了間歇響應(yīng)，因此耗電量基本很小，為達到便攜式效果，此處采用多節(jié)CR2032紐扣電池作為直流輸入源，并利用78L05型與AS1117型電源穩(wěn)壓芯片進行降壓穩(wěn)壓。78L05型穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后的輸出電壓為5 V，可為控制模塊及傳感器模塊供電，AS1117型電源穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出電壓為3.3 V，可為藍牙通訊模塊供電。

3 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計

目前大多數(shù)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸采用的是無線WIFI技術(shù)或藍牙技術(shù)，前者傳輸距離遠、傳輸容量大、支持一對多傳輸，但其能耗也大，連接較為繁瑣，并需要單獨網(wǎng)卡和路由器設(shè)備。在本系統(tǒng)中傳感器、控制板與Android終端直接封裝，數(shù)據(jù)傳輸距離非常短，容量小，且使用紐扣電池作為電源，故本數(shù)據(jù)傳輸層采用簡單快速的藍牙通訊，其支持近距離、小容量、低能耗的點對點傳輸。藍牙模塊采用TI CC2540/1芯片，可以同各種帶藍牙功能的移動終端配對，配置256 KB空間，支持AT指令，兼容3.3 V單片機系統(tǒng)，可以很方便與系統(tǒng)進行連接，使用非常靈活、簡單。采集數(shù)據(jù)以廣播包的形式通過藍牙傳入Android終端，廣播包中加入了MAC地址，方便用統(tǒng)一MAC地址在Android設(shè)備上識別。

考慮到藍牙傳輸?shù)陌踩?，本文提出一種安全傳輸方案，即在數(shù)據(jù)采集完畢后，首先將搜尋到Android終端的基本信息（包括終端識別碼、應(yīng)用程序ID及終端藍牙MACp）通過藍牙發(fā)送至控制模塊并進行匹配，驗證該終端和程序的合法性，若不匹配則斷開其連接，若匹配則反饋握手信息（即同意將數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)終端設(shè)備的信息），并利用控制模塊ID及時間動態(tài)生成AES密鑰于采集數(shù)據(jù)前，故傳輸?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)為“密鑰+40bit數(shù)據(jù)”格式，最后在Android終端應(yīng)用程序中進行解密運算后得到有效數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的終端識別碼為終端設(shè)備通訊號，應(yīng)用程序ID為程序標(biāo)識碼，終端的基本信息均提前錄入至控制模塊方便每次匹配。

4 數(shù)據(jù)表達層設(shè)計

表達層功能流程設(shè)計如圖3所示。

圖3 App軟件功能及流程設(shè)計圖Fig.3 App software function and process design

表達層的載體為帶有4G通訊卡的Android設(shè)備，核心在于Android APP界面、功能及接口開發(fā)。本系統(tǒng)采用基于Java的Eclipse可拓展開發(fā)平臺進行Android軟件開發(fā)，相關(guān)模塊界面（身份確認(rèn)界面、報警參數(shù)設(shè)置界面、生成報告界面、數(shù)據(jù)記錄界面）如圖4中各分圖所示，該軟件在接收藍牙傳入的數(shù)據(jù)后進行簡單處理并存儲于Android設(shè)備內(nèi)存后，以實時數(shù)據(jù)和曲線的形式顯示，并與信息、微信、百度地圖、拍照等APP建立接口，通過調(diào)用實現(xiàn)相應(yīng)報警功能[5]。

圖4 系統(tǒng)軟件各模塊界面設(shè)計圖Fig.4 System software interface design of each module

4.1 數(shù)據(jù)記錄與表達功能

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時溫濕度連續(xù)監(jiān)測記錄，自動生成溫濕度曲線，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控管理。工作人員可以隨時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)或者曲線圖，明確當(dāng)前環(huán)境是否可以工作。同時能夠根據(jù)得到的溫濕度曲線，預(yù)測接下來一段時間內(nèi)的溫濕度，提前做好防范措施。

4.2 軟件后臺自啟動功能

為保證溫濕度數(shù)據(jù)記錄全面，軟件使用后臺自啟動技術(shù)自動讀取溫濕度數(shù)據(jù)并使用文件記錄。Android系統(tǒng)提供了很多Broadcast廣播，用于獲取系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)軟件接收到本系統(tǒng)的啟動廣播時，軟件的Receiver類開始運行，后臺開始記錄溫濕度數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)這個功能，需在AndroidManifest.xml文件中注冊廣播接收器，并配置權(quán)限。

4.3 定位功能

本系統(tǒng)使用百度地圖的開放接口，采用GPS與基站定位相結(jié)合的方式，當(dāng)信號強時優(yōu)先采用GPS定位，當(dāng)GPS信號弱時使用網(wǎng)絡(luò)基站定位，這樣增強了定位的準(zhǔn)確性并擴大了定位功能的使用范圍。通過調(diào)用百度地圖接口，利用定位系統(tǒng)自動獲取GPS坐標(biāo)信息和時間信息，現(xiàn)場拍攝的照片上有GPS信息和時間信息水印，報告中也會包含GPS坐標(biāo)和時間。

4.4 拍照功能

本系統(tǒng)帶有影像記錄功能，拍照記錄負(fù)責(zé)人照片，作為記錄存檔。開始工作前拍攝照片發(fā)送給負(fù)責(zé)人，確認(rèn)身份。工作過程中定時拍攝現(xiàn)場照片，并推送至微信群。工作結(jié)束后將拍攝的負(fù)責(zé)人照片和現(xiàn)場照片自動整理成報告存檔。

為實現(xiàn)該功能，首先需要注冊調(diào)用相機的權(quán)限，要將拍攝的照片進行存儲還需要注冊讀寫存儲器權(quán)限，通過Android API中OpenCamera函數(shù)方法打開相機設(shè)備，通過Parameters函數(shù)設(shè)置拍照的參數(shù)如亮度、對比度、閃光燈等，調(diào)整拍攝的照片。最后拍攝照片，生成圖片文件并存儲。

4.5 報警功能

該功能主要實現(xiàn)當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)異常時，除了設(shè)備屏幕上顯示告警圖像和發(fā)出警報，還將異常信息通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場或相關(guān)人員的手機上。圖像和聲音報警在軟件層可以很容易實現(xiàn)，但在Android系統(tǒng)下，告警信息的發(fā)送是一個難點，因為系統(tǒng)是采用后臺服務(wù)的方式來發(fā)送，因此不能調(diào)用Android的界面，必須先構(gòu)造出要發(fā)送的內(nèi)容，即構(gòu)建一個pdu，并要把需要的類從Android源碼的MMS應(yīng)用包中復(fù)制出來[6]。

當(dāng)異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，本系統(tǒng)通過調(diào)用信息程序，通過點對點（或多點）向指定負(fù)責(zé)人發(fā)出短信提醒，同時調(diào)用微信程序，發(fā)送告警信息至微信群，規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)，整個過程軟件可自動完成，無需人工操作。其中，微信不提供開放接口，需要人工編譯實現(xiàn)。

由于使用的4G移動通信本身安全性較高，報警信息傳輸在此基礎(chǔ)上也設(shè)置相應(yīng)安全機制，在短信通訊中，首先采用非對稱加密交換信息，利用密鑰進行通信過程中信息的加密和解密，為了保證消息在傳遞過程中沒有被篡改，使用加密Hash編碼來確保信息的完整性。在報警信息微信傳播的安全方案中，主要是使用了微信的消息交互方式以及生成簽名的方式進行加密，本系統(tǒng)中把報警信息的MD5值也參與到了簽名運算中，增加了被仿冒的難度。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

將調(diào)試機器首次運用于湖北某變電站檢修大廳現(xiàn)場進行功能測驗。設(shè)置傳感器溫度分辨率1℃，濕度分辨率1%RH；溫度量程0-60℃，濕度量程0-95%RH；精度溫度+-2℃，濕度+-5%RH，系統(tǒng)采樣頻率為10 min/次，設(shè)置溫度正常范圍0-50℃，濕度正常范圍20-80%RH，現(xiàn)場首先為硬件電路板安裝紐扣電池，使得傳感器紅色指示燈常亮，然后打開軟件搜索藍牙設(shè)備，搜索到設(shè)備后選擇連接，連接成功后傳感器藍色指示燈常亮，如圖5所示，采集數(shù)據(jù)以數(shù)字和曲線形式顯示于屏幕。用專業(yè)溫濕度檢測設(shè)備對最后一次采樣環(huán)境進行測試，得到濕度和溫度值分別為37.6%與29.6℃，說明該系統(tǒng)溫濕度測量誤差較小。

圖5 數(shù)據(jù)實時采集界面及現(xiàn)場工作采集照片F(xiàn)ig.5 Real-time data acquisition interface and field work image

圖6 屏幕報警提示及短信報警信息圖Fig.6 Screen alarm prompt and SMS alarm information diagram

人工改變環(huán)境濕度至89%測試報警功能，圖6中屏幕顯示出報警圖樣，現(xiàn)場發(fā)出“滴”急促報警音，并進行現(xiàn)場拍照，標(biāo)記有現(xiàn)場定位信息，且先前設(shè)置的聯(lián)系人收到報警短信與微信提醒，說明該系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)報警功能正常，達到設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)及藍牙技術(shù)，設(shè)計了便攜式智能溫濕度監(jiān)測警示系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小，方便使用與攜帶，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫濕度，并繪制溫濕度曲線，并帶有報警提示功能，能夠發(fā)送定位信息迅速確定溫濕度異常地點，為電力現(xiàn)場施工提供一個簡單可靠、安全經(jīng)濟的溫濕度監(jiān)測平臺，對現(xiàn)場作業(yè)安全評估提供有效支撐，具有較高的應(yīng)用價值。

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