宋汝浩，李 成，張 澤，李科遙，馬錦毅，朱代先

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710600)

0 `引言

UPS(Uninterruptible Power System，不間斷電源)是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的不間斷輸出電源，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的不間斷供電，保證負(fù)載正常工作，不受損壞[1]。UPS被廣泛應(yīng)用在變電站，數(shù)據(jù)中心、通信基站等重要場(chǎng)合，每年因UPS故障引發(fā)事故的案件時(shí)有發(fā)生。根據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)大部分UPS都沒有安裝監(jiān)測(cè)儀器，并且只有少部分的UPS蓄電池遵循規(guī)定進(jìn)行了周期性的維護(hù)，這使得UPS發(fā)生故障的概率大大增加[2]。究其原因是人工巡檢排查間隔時(shí)間長(zhǎng)，并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況，無法提前做出防范措施。同時(shí)因?yàn)楫?dāng)前市面上帶有監(jiān)管功能的UPS多數(shù)是通過RS232、USB等通訊接口與電腦連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有線連接的使用場(chǎng)景受限且不方便，并且?guī)в写朔N功能的UPS價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)UPS，用戶群體較小。

基于上述情況，本文所介紹的UPS智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)的傳輸方式升級(jí)為無線傳輸。雖然無線連接相較于有線連接降低了數(shù)據(jù)的可靠性和傳輸速度，但是無線連接使用場(chǎng)景更加廣泛，減少了有線連接的成本，操作更加方便，而且使UPS的集群管理變?yōu)榭赡?。同時(shí)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和傳輸速度已經(jīng)得到大大提升。其中，基于蜂窩的NB-IoT (Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)逐漸成熟，有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。NB-IoT可采取獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署和帶內(nèi)部署3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[3]。同時(shí)由于NB-IoT增益較高，頻譜效率高，可接入設(shè)備容量大[4]。與NB-IoT同作為L(zhǎng)PWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng))的LoRa技術(shù)也具有低功耗、廣覆蓋、廣連接的優(yōu)勢(shì)，但LoRa需要自建網(wǎng)絡(luò)，適用于終端較為集中的應(yīng)用場(chǎng)景；而NB-IoT可以與已經(jīng)成功部署的GSM和LTE網(wǎng)絡(luò)共存，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件，降低部署成本[5]，適用于終端設(shè)備分布范圍廣，使用地區(qū)偏遠(yuǎn)，通信頻繁的場(chǎng)景，并且NB-IoT在數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、可靠性等方面更具有優(yōu)勢(shì)[6]。

近年來針對(duì)UPS智能在線監(jiān)測(cè)的問題，已有人提出了不同的方案架構(gòu)，胡哲綱[7]等研究了分布式UPS蓄電池遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)架構(gòu)，夏志梁[8]研究了UPS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，但以上研究都沒有給出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的具體技術(shù)。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)UPS智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了各功能的具體實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使UPS設(shè)備的管理更加智能化、高效化。該系統(tǒng)可以存儲(chǔ)UPS的歷史工作數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析潛在故障并及時(shí)發(fā)送警告，通過集群管理，系統(tǒng)幾乎可以在同一時(shí)刻采集到各組UPS的工作數(shù)據(jù)，全自動(dòng)專業(yè)化測(cè)試更加精確，也降低了管理人員的工作量，提升了管理效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)UPS的工作狀態(tài)，系統(tǒng)需要能夠采集UPS的輸入輸出電壓、電流，輸出功率、頻率、負(fù)載率等工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及機(jī)房溫濕度環(huán)境參數(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并計(jì)算得到具有實(shí)際物理意義的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器，管理人員可以登錄Web端和移動(dòng)端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)和下發(fā)指令。根據(jù)UPS的監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分，包含用于UPS設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制以及數(shù)據(jù)上傳的檢測(cè)終端，云服務(wù)器和用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的監(jiān)管中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)終端主要是采集UPS的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括UPS的輸入輸出電壓、輸入輸出電流、輸出頻率、功率因數(shù)、電池電量和內(nèi)阻等，并對(duì)數(shù)據(jù)做預(yù)處理，通過NB-IoT模塊將各個(gè)UPS檢測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)利用NB-IoT無線專網(wǎng)匯聚到云服務(wù)器；云服務(wù)器主要功能是將檢測(cè)終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存貯和發(fā)布，同時(shí)提供數(shù)據(jù)搜索引擎功能，供監(jiān)管中心遠(yuǎn)程調(diào)用；監(jiān)管中心包含Web端和移動(dòng)應(yīng)用端，是具有人機(jī)交互界面的操作終端，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)管的各項(xiàng)管理功能，管理人員可以通過Web端或移動(dòng)應(yīng)用端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、異常報(bào)警等，同時(shí)也可通過監(jiān)管中心下發(fā)命令控制UPS檢測(cè)終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)核心為檢測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)，該部分設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)起到?jīng)Q定性作用。UPS作為一個(gè)電源，首先需對(duì)其輸入和輸出電壓電流、功率、頻率等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其次由于不同UPS的輸出功率因數(shù)和負(fù)載率不同，要保證UPS工作在正常狀態(tài)，還需對(duì)UPS輸出端功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。UPS內(nèi)部的整流電路和逆變電路工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電力電子設(shè)備影響嚴(yán)重，因此需對(duì)輸出電壓諧波進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)UPS對(duì)于工作環(huán)境的溫濕度也具有一定要求，還需在系統(tǒng)中加入對(duì)UPS工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)功能。

基于以上功能需求，檢測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6微控制器為核心，包含遠(yuǎn)程通信模塊電路，電壓電流檢測(cè)電路，諧波檢測(cè)電路，交流電能計(jì)量模塊電路和溫濕度采集模塊電路。檢測(cè)終端硬件框圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)終端硬件組成框圖

檢測(cè)終端中的STM32F103RCT6微控制器通過對(duì)應(yīng)引腳控制各個(gè)模塊，模塊通過A/D轉(zhuǎn)換接口，IIC總線或者UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用異步收發(fā)器)通信方式與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。

2.1 微控制器設(shè)計(jì)

微控制器模塊作為檢測(cè)終端的指令控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，其性能決定了檢測(cè)終端對(duì)于UPS的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。從性能和功耗等方面綜合考慮，檢測(cè)終端主控芯片采用的是STM32F103RCT6微控制器，該處理器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，串口數(shù)量多，帶有IIC接口和12位的ADC采集通道，PWM功能強(qiáng)大，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。微控制器主要作用是控制檢測(cè)電路和各個(gè)模塊對(duì)UPS設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并計(jì)算得到UPS的功率、負(fù)載率等數(shù)據(jù)。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時(shí)，微控制器會(huì)發(fā)送指令喚醒遠(yuǎn)程通信模塊，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到遠(yuǎn)程通信模塊，該模塊再通過NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器，并在MySQL中記錄歷史數(shù)據(jù)以備日后查看[9]。

2.2 遠(yuǎn)程通信模塊電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程通信模塊采用NB-IoT系列的BC26模塊，該模塊是一款高性能、低功耗、多頻段的無線通信模塊，具有SIM卡卡座、多個(gè)通信串口、濾波天線等。BC26模塊的供電電壓支持5 V或3.3 V，與微控制器供電電壓一致，其工作電流只需0.5 A，低于4 G、WIFI等通信模塊的工作電流，降低了功耗，減輕了電源設(shè)計(jì)要求，同時(shí)該模塊具有豐富的外部接口和協(xié)議棧，支持連接阿里云、ONENET云等多個(gè)云平臺(tái)，應(yīng)用場(chǎng)景更加靈活。BC26模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，它一方面負(fù)責(zé)將單片機(jī)串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按約定的協(xié)議進(jìn)行編碼、打包，再發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器；另一方面將服務(wù)器下發(fā)的指令經(jīng)過解碼發(fā)送給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。BC26模塊的電路原理如圖3所示。

圖3 BC26模塊電路原理圖

2.3 交流電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)UPS輸出電壓、電流、功率、頻率以及功率因數(shù)等數(shù)據(jù)的測(cè)量，采用SUI-101A交流電能計(jì)量模塊，該模塊是一款互感器隔離的高精度多功能交流變送器，它可以采集UPS在市電下輸入的交流電流、電壓、有功功率、累計(jì)電量、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)[10]，功能強(qiáng)大，測(cè)量精確，通過UART接口與微控制器進(jìn)行通信，硬件連接方便，可直接輸出數(shù)字信號(hào)。該模塊搭載一個(gè)電流互感器和一個(gè)電壓互感器，將被測(cè)電壓降至到可采集的低電壓，實(shí)現(xiàn)高低壓的完全隔離，再通過相關(guān)電路變換成與被測(cè)電壓成線性關(guān)系的直流電壓送入到高精度24位ADC芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過串口發(fā)送給微控制器。SUI-101A交流電能計(jì)量模塊電路如圖4所示。

圖4 SUI-101A交流電能計(jì)量模塊電路圖

2.4 蓄電池電壓電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

蓄電池管理是UPS供電系統(tǒng)維護(hù)的重要工作，而蓄電池內(nèi)阻的大小是評(píng)判蓄電池健康狀態(tài)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)阻的測(cè)量方式采用直流放電法，該方法是對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，通過負(fù)載接通瞬間的電池電流和電壓來計(jì)算內(nèi)阻。該方法可在線測(cè)量電池內(nèi)阻，測(cè)試結(jié)果不受充電紋波和其他噪聲的影響，具有較高的精度和重復(fù)性[11]。其具體原理是：蓄電池接通負(fù)載后，其內(nèi)阻會(huì)造成瞬間電壓壓降，經(jīng)過3～4 s后，負(fù)載放電電流達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，在關(guān)斷負(fù)載放電電流前的瞬間，測(cè)量此時(shí)的穩(wěn)定電流值I和負(fù)載的電壓值U1。在負(fù)載電流關(guān)斷后瞬間，測(cè)出蓄電池兩端電壓U2，根據(jù)歐姆定律，推導(dǎo)出蓄電池實(shí)際內(nèi)阻。內(nèi)阻計(jì)算公式為：

電壓電流的實(shí)際測(cè)量電路如圖5所示。蓄電池電壓電流檢測(cè)電路接在蓄電池輸出電壓VOUT與下一級(jí)BUCK降壓電路之間。蓄電池輸出電流的檢測(cè)電路使用INA282電流感應(yīng)放大器芯片為核心搭建，芯片的-IN腳與+IN腳之間接入一個(gè)阻值極小的采樣電阻，由于采樣電阻分得的電壓較低，無法被微處理器直接檢測(cè)，于是利用INA282芯片微弱電流檢測(cè)能力的特性對(duì)該電壓進(jìn)行放大。芯片內(nèi)有6 kΩ的差分輸入電阻，在芯片正常工作時(shí)，會(huì)把這個(gè)電阻上的電壓放大50倍然后輸出，同時(shí)在3.3 V供電系統(tǒng)里面，INA282的輸出可直接進(jìn)行A/D變換[12]。于是電壓便能夠被微處理器ADC接口檢測(cè)到，繼而可以計(jì)算得到電路中的電流。蓄電池的輸出電壓通過OPA189運(yùn)放差分電路搭建，電阻R2、R4構(gòu)成分壓電路將輸出電壓按比例縮小，再輸送至微控制器A/D轉(zhuǎn)換接口，軟件解算出輸出電壓。實(shí)際應(yīng)用中可以擬合曲線，使結(jié)果更加精確。

圖5 蓄電池輸出電壓電流檢測(cè)電路

2.5 諧波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

測(cè)量UPS輸出端諧波可直接利用STM32微控制器的12位ADC進(jìn)行采集，其具體方法是利用電流互感器，將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)小電流，在二次側(cè)利用整流橋?qū)㈦p極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)，再用采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，直接輸入微控制器的A/D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行高速采樣。微控制器讀取到采樣點(diǎn)值，便可在程序中利用FFT算法解算出頻譜，得出THD(Total Harmonic Distortion，總諧波失真)和第3、5次諧波的頻率和幅值。

2.6 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于UPS工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)，使用DHT11數(shù)字溫濕度采集模塊直接測(cè)量，該模塊是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，內(nèi)部包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，帶有數(shù)字信號(hào)輸出，可以通過IIC總線和單片機(jī)直接相連[13]，簡(jiǎn)化硬件連接，減小程序復(fù)雜度。

2.7 電源電路設(shè)計(jì)

在電池供電應(yīng)用中，電源的設(shè)計(jì)極為重要，供電的穩(wěn)定性將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作。本設(shè)計(jì)將蓄電池輸出電壓通過BUCK電路降壓并穩(wěn)壓后作為檢測(cè)終端的電源輸入。BUCK電路將電壓降低后輸送到以TPS7B4253芯片為核心的電源電路中，TPS7B4253器件是具有超低跟蹤公差的單片集成LDO (Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)[14]，該器件可根據(jù)ADJ引腳的基準(zhǔn)電壓精準(zhǔn)調(diào)節(jié)輸出電壓，將上一級(jí)BUCK電路輸出的BUCK-OUT電壓轉(zhuǎn)換為5 V輸出，可為微控制器等提供穩(wěn)定電源，之后通過正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117芯片將5 V電壓降為3.3 V供BC26等模塊使用。電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括檢測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)管中心的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)使用的開發(fā)語(yǔ)言是C語(yǔ)言，該語(yǔ)言一共只有32個(gè)關(guān)鍵字，9種控制語(yǔ)句，使用方便，書寫形式自由。開發(fā)環(huán)境為Keil MDK-ARM，MDK-ARM包含了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Keil C編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核等組件，使用起來方便快捷。在Keil MDK-ARM軟件中進(jìn)行檢測(cè)終端C語(yǔ)言程序的編寫、 編譯、修改，將編譯無誤后的程序下載到STM32F103單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，再由硬件的具體現(xiàn)象完善程序功能。

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端程序啟動(dòng)后，首先對(duì)STM32微控制器進(jìn)行初始化，包括中斷，定時(shí)器、GPIO、UART、ADC等，然后微控制器對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化配置，最后，微控制器開啟定時(shí)器，進(jìn)入低功耗模式。等待定時(shí)結(jié)束后，微控制器控制各個(gè)檢測(cè)電路和模塊采集UPS的輸入輸出電壓和電流、輸出功率、負(fù)載率、蓄電池內(nèi)阻等數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，若數(shù)據(jù)異常，如UPS設(shè)備的輸出電壓電流超出設(shè)定的閾值，功率和負(fù)載率超出額定值，則立即執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的緊急程序并在向BC26模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)中添加相應(yīng)的報(bào)警信息；若數(shù)據(jù)正常，則微控制器按照網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包封裝，通過串口發(fā)送到BC26模塊，然后通過NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。一次采集完成后，檢測(cè)終端進(jìn)入低功耗模式，等待定時(shí)結(jié)束開啟下一次數(shù)據(jù)采集。定時(shí)時(shí)間和報(bào)警閾值都可根據(jù)監(jiān)測(cè)需要調(diào)整，管理人員只需在監(jiān)管中心發(fā)送相應(yīng)指令，微控制器便可通過BC26模塊接收和保存閾值數(shù)據(jù)，并在每次數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行判斷。STM32微控制器主流程如圖7所示。

3.1.2 BC26通信程序設(shè)計(jì)

BC26模塊通過MQTT協(xié)議與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立連接，終端設(shè)備通過具有發(fā)布權(quán)限的Topic向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制臺(tái)可以直接通過已訂閱的Topic，向指定設(shè)備下發(fā)指令或發(fā)送消息。MQTT是一種基于代理的輕量級(jí)發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，其可在低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳輸，已成為物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議[15]，其優(yōu)點(diǎn)有協(xié)議內(nèi)存占有少、對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求低等，是一種即時(shí)通信協(xié)議。BC26模塊注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)連接、訂閱主題、發(fā)起通信請(qǐng)求、設(shè)備注銷等都是微控制器通過串口發(fā)送AT指令進(jìn)行控制。BC26模塊入網(wǎng)流程如圖8所示。程序啟動(dòng)后，首先進(jìn)行模塊初始化，查詢網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、信號(hào)質(zhì)量等，判斷是否符合入網(wǎng)條件，SIM卡入網(wǎng)成功后訂閱主題，BC26模塊接收由微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。為了降低功耗，當(dāng)STM32單片機(jī)待機(jī)時(shí)，單片機(jī)會(huì)向BC26模塊發(fā)送關(guān)機(jī)脈沖使其進(jìn)入PSM (Power Saving Mode)低功耗模式，等待定時(shí)結(jié)束開啟下一次數(shù)據(jù)采集，若超過一定時(shí)間未收到主控芯片發(fā)來的指令，BC26模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，等待下一次喚醒[16]。

圖8 BC26通信程序流程圖

3.1.3 FFT諧波分析程序設(shè)計(jì)

FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換)是實(shí)現(xiàn)電力諧波檢測(cè)運(yùn)用最廣泛的方法，可以有效地解決采樣數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)空間大與頻譜分析精度低的問題。其程序的具體實(shí)現(xiàn)流程為：首先通過互感器感應(yīng)電網(wǎng)中的電壓電流信號(hào)，利用STM32微控制器中的定時(shí)器周期性地觸發(fā)ADC采集，采樣得到波形序列X(n)，通過FFT算法得到電壓、電流信號(hào)的頻譜信號(hào)。但是由于電力系統(tǒng)的頻率并非始終為額定頻率，無法保證采樣頻率為實(shí)際工作頻率的整數(shù)倍，因而存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏現(xiàn)象[17]。故采取加窗函數(shù)FFT的方法進(jìn)行檢測(cè)分析，以減小檢測(cè)誤差。以采樣頻率fs對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)采樣，得到對(duì)應(yīng)離散信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行截?cái)嗵幚?，隨后實(shí)施離散傅里葉變換，最后對(duì)離散的頻譜計(jì)算諧波參數(shù)[18]。所計(jì)算參數(shù)包括檢測(cè)電流基波的頻率、幅值以及第3、5次諧波分量的頻率和幅值。加窗函數(shù)的分析流程如圖9所示。

圖9 FFT諧波分析程序流程圖

3.2 監(jiān)管中心的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)從阿里云服務(wù)器獲取，監(jiān)管中心基于HTTP協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信，通過調(diào)用平臺(tái)訂閱接口請(qǐng)求終端上傳的數(shù)據(jù)。監(jiān)管中心的Web應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用使用Web可視化開發(fā)工作臺(tái)設(shè)計(jì)，Web可視化開發(fā)工作臺(tái)是阿里云物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)(IoT Studio)中的工具，可從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備接入和管理模塊中直接獲取設(shè)備相關(guān)的屬性、服務(wù)、事件等數(shù)據(jù)，無需編寫代碼，只需在編輯器中拖拽組件到畫布上，再配置組件的顯示樣式、數(shù)據(jù)源及交互動(dòng)作即可快速完成設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控相關(guān)的Web應(yīng)用、移動(dòng)應(yīng)用的開發(fā)。

管理人員登錄Web端或移動(dòng)應(yīng)用端后可直接從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中獲取相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的顯示、異常報(bào)警和指令下發(fā)操作。監(jiān)控命令下發(fā)時(shí)，根據(jù)通信協(xié)議，通過Web端或移動(dòng)應(yīng)用端監(jiān)控界面發(fā)送命令至云平臺(tái)，云平臺(tái)解析命令并通過NB-IoT模塊下發(fā)至檢測(cè)終端，檢測(cè)終端的微控制器接收命令成功后返回確認(rèn)參數(shù)至云平臺(tái)[19]。此外，監(jiān)管中心還具有以下功能：

1)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和查詢。平臺(tái)能夠?qū)θ我庖唤MUPS的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行顯示，并以各種圖像和顏色加以區(qū)分。監(jiān)管中心還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能夠查詢每組UPS設(shè)備的充放電周期、輸出電壓電流以及UPS工作環(huán)境狀態(tài)等歷史數(shù)據(jù)。

2)分析系統(tǒng)內(nèi)各組UPS運(yùn)行狀態(tài)。管理平臺(tái)能夠?qū)Ω鱾€(gè)UPS設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、負(fù)載率和故障信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，依靠大數(shù)據(jù)分析，對(duì)電池電量進(jìn)行評(píng)估，判斷出電池組的壽命周期，分析UPS工作參數(shù)變化趨勢(shì)，一旦狀態(tài)趨向于異常，及時(shí)發(fā)出警告信息[20]。

3)具有對(duì)每臺(tái)UPS設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)警功能。管理人員可根據(jù)不同類型的UPS設(shè)置特定的電壓電流范圍、頻率范圍、溫濕度范圍等，一旦某一參數(shù)超出設(shè)定閾值，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

4)可根據(jù)用戶對(duì)UPS系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)管理要求，完善一些運(yùn)行狀態(tài)記錄、報(bào)表打印等功能需求[21]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性，在不同位置布置多個(gè)檢測(cè)終端，對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行功能實(shí)驗(yàn)和性能實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法如下。

4.1 功能實(shí)驗(yàn)

對(duì)檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集和上傳功能進(jìn)行測(cè)試，通過現(xiàn)場(chǎng)使用電壓表和數(shù)字功率計(jì)對(duì)UPS設(shè)備的電壓、電流、功率等進(jìn)行測(cè)量，與檢測(cè)終端上傳到監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若數(shù)據(jù)無明顯差異則證明檢測(cè)終端可以正確采集數(shù)據(jù)并無誤地上傳。首先測(cè)試市電正常時(shí)UPS為負(fù)載供電的模式，測(cè)量市電輸入電壓和UPS的輸出電壓，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和監(jiān)管中心數(shù)據(jù)顯示結(jié)果如表1所示。

表1 輸入輸出電壓測(cè)量結(jié)果表

其次斷開市電模擬市電故障，UPS切換為蓄電池為負(fù)載供電模式，測(cè)量蓄電池電壓和UPS輸出電壓，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和監(jiān)管中心顯示結(jié)果如表2所示。

表2 輸出電壓和蓄電池電壓測(cè)量結(jié)果表

根據(jù)表1表2可知，UPS工作在兩種模式時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和檢測(cè)終端上傳到監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)基本一致，測(cè)量誤差均在可接受范圍內(nèi)，證明檢測(cè)終端可正確采集設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)并準(zhǔn)確上傳至云平臺(tái)。監(jiān)管中心頁(yè)面如圖10和圖11所示，監(jiān)管中心設(shè)備數(shù)據(jù)界面通過圖像和數(shù)字直觀顯示了當(dāng)前UPS的電壓、電流、功率等工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，表明檢測(cè)終端可以正常連接到云服務(wù)器并上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和上傳。

圖10 監(jiān)管中心Web主界面

圖11 監(jiān)管中心移動(dòng)應(yīng)用界面

4.2 性能實(shí)驗(yàn)

性能測(cè)試方法：由監(jiān)管中心向檢測(cè)終端發(fā)送指令，檢測(cè)終端收到指令后回復(fù)應(yīng)答信號(hào)，監(jiān)管中心收到應(yīng)答信號(hào)視為一次有效通信，若超時(shí)未收到應(yīng)答信號(hào)則判定為通信失敗。對(duì)兩個(gè)設(shè)備分別測(cè)試1 000次，統(tǒng)計(jì)通信成功率如表3所示。

表3 NB-IoT通信統(tǒng)計(jì)表

由表3得出，兩個(gè)設(shè)備通信成功率均在99%以上，證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在監(jiān)管中心與檢測(cè)終端之間的可靠傳輸。其中，通信失敗的原因主要是由于發(fā)送指令過于頻繁導(dǎo)致終端接收數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤或者接收超時(shí)導(dǎo)致的。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試表明，檢測(cè)終端硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于NB-IoT的UPS智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，討論數(shù)據(jù)檢測(cè)終端、遠(yuǎn)程通信模塊和遠(yuǎn)程管理終端的組成與功能，詳細(xì)闡述了各個(gè)模塊的基本原理和硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)UPS的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和集群管理，解決了人工巡檢UPS機(jī)房耗時(shí)耗力、發(fā)現(xiàn)異常狀況不及時(shí)的問題。相較于傳統(tǒng)的維護(hù)管理方法，使用UPS智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是更加科學(xué)、更加高效的維護(hù)管理方法，它將綜合提升UPS系統(tǒng)功能，保障生產(chǎn)安全，提高企業(yè)維護(hù)管理能力，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。