CN113985785A - 分布式电气设备运行状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种分布式电气设备运行状态监测方法，系统架构包含n+1个节点，第0个节点由上位机与无线串口模块构成，其余节点由电气设备、检测装置、本地计算机与无线串口模块构成。本发明制定了用于各节点间通讯的巡检指令数据帧、握手请求上传指令数据帧、握手回复下传指令数据帧、上传节点运行状态异常指令数据帧、上传节点运行状态正常指令数据帧、上传节点运行状态异常发生指令数据帧以及上传节点运行状态异常清除指令数据帧。本发明具体提供了监测系统完成一次巡检以及当下游节点运行状态发生变化后如何将状态变化信息有序上传至顶层上位机的具体方法。本发明提高了分布式电气设备运行状态监测的效率，并且节点间采用LORA扩频传输降低了监测系统的硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及物联网边缘计算技术领域，尤其涉及一种分布式电气设备运行状态监测方法。
背景技术
首先描述两种场景：一是，学校为了保证各宿舍用电的安全性，需对各宿舍电能表进行实时监控，一旦检测到违规电器的使用应及时制止此行为；二是，电网公司为了保证居民用电的安全性，需对户外变压器进行实时监控，一旦检测到某变压器发生故障应及时排查。列举场景中电气设备宿舍电能表与户外变压器具有数量多、远距离分散式分布的特点。为了感知各电气设备的运行状态，需对相关电气量进行采集并分析，受限于传输速率无法在短时间内将所有采集数据传输至顶层计算机后处理。为了避免大数据远距离传输，数据获得后利用本地计算机进行及时处理。获得本地计算机数据处理结果的方式有人工巡检、有线传输与无线传输。人工巡检与有线传输由于效率低下不适合长距离传输。而无线传输中若利用2G、3G、4G及5G网络则会增加系统成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服分布式电气设备运行状态信号远距离传输效率低下及系统成本过高。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：提供一种基于LORA扩频传输的分布式电气设备运行状态监测方法，检测装置将采集到的各电气设备相关物理量输入本地计算机，本地计算机对获得的数据进行分析后感知电气设备运行状态，本地计算机通过串口将运行状态结果发送给无线串口模块，本地无线串口模块通过LORA扩频传输将电气设备运行状态结果传递给上游无线串口模块，直至最终顶层上位机。本地计算机分配两个通用IO引脚，一个用于控制外围电路中运行状态异常指示灯，另一个用于控制通讯异常指示灯。
本发明进一步提供了用于计算机与无线串口模块以及无线串口模块之间通讯的数据帧格式，具体为：帧头(1个字节)+指令(1个字节)+地址数据1(2个字节)+地址数据2(2个字节)+CRC校验(2个字节)。
本发明中，本地计算机主程序每隔ΔT1时间完成一次向上游发送握手信号以及上传保存的数据帧。本地计算机AD中断优先级高于串口接收中断。本地计算机AD中断子程序中完成具体工作步骤如下：1)读取AD采集物理信号；2)根据采集数据判断电气设备运行状态；3)判断电气运行状态是否发生变化，若从正常运行状态变为异常运行状态则保存增加节点异常发生信息，若从异常运行状态变为正常运行状态则保存增加节点异常清除信息；4)根据运行状态变量值判断是否点亮外围电路中异常运行指示灯；5)根据通讯状态变量值判断是否点亮或熄灭外围电路中通讯异常指示灯。本地计算机串口接收中断子程序根据接收数据帧指令要求执行对应任务。
本发明中，上位机应用程序界面设置端口选择框，上位机节点地址A、巡检起始节点地址B及巡检终止节点地址C输入框，设置巡检节点地址按钮，巡检启动按钮，巡检状态显示框，全范围内监测到异常节点显示框，巡检范围内监测到异常节点显示框，以及运行状态报警灯。地址输入要求C≥B＞A。上位机应用程序完成一次巡检具体包含以下步骤：1)启动应用程序，选择端口号，输入上位机节点地址、巡检起始节点地址及巡检终止节点地址后点击设置巡检节点地址按钮；2)点击巡检启动按钮；3)向下游发送巡检数据帧，并启动定时器，巡检状态显示框显示“正在巡检”；4)应用程序将收到的运行异常节点显示在全范围内监测到异常节点显示框与巡检范围内监测到异常节点显示框，同时点亮异常运行警报灯；5)当应用程序收到巡检终止节点上传数据帧或定时器计时时间到达ΔT2时刻，巡检显示框显示“巡检结束”。应用程序在巡检期间之外一旦接收到下游节点数据帧指令则执行对应任务。
本发明的有益效果是：提高分布式电气设备运行状态巡检的效率及信息传递的有序性，并且降低了监测系统的硬件成本。
附图说明：
图1分布式电气设备运行状态监测系统架构图；
图2上位机应用程序界面图。
具体实施方式
本发明的实现基础是，基于LORA扩频传输的监测系统，系统包含n+1个节点。第0个节点地址定为0，由上位机与无线串口模块0构成。其余节点i(1≤i≤n)地址定为i，由电气设备i、检测装置i、本地计算机i与无线串口模块i构成。上位机应用程序需要完成一次巡检时通过串口将巡检指令发送给无线串口模块0，无线串口模块0通过LORA扩频传输给下游无线传输模块1。无线传输模块i(1≤i≤n)将收到的巡检指令通过串口发送给本地计算机i，本地计算机i程序中的串口接收中断子程序收到巡检指令后将本地电气设备运行状态数据帧按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1、无线串口模块i-1、…、无线串口模块1、本地计算机1、无线串口模块1、无线串口模块0、上位机的路径上传。本地计算机i上传运行状态数据帧后根据巡检指令规定的巡检范围判断是否将巡检指令按无线串口模块i、无线串口模块i+1、本地计算机i+1的路径下转给节点i+1。节点i中本地计算机AD中断子程序对采集数据分析后，若判断出本节点电气设备运行状态发生变化，修改外围电路中运行异常指示灯状态以及保存运行状态改变数据帧，并且在主程序中将运行状态改变数据帧按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1、无线串口模块i-1、…、无线串口模块1、本地计算机1、无线串口模块1、无线串口模块0、上位机的路径上传。上位机应用程序串口接收运行状态改变数据帧后，对界面中全范围内监测到异常节点显示框、巡检范围内监测到异常节点显示框以及异常运行警报灯做相应修改。本地计算机i间隔ΔT1时间，在主程序中将握手指令按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1的路径上转给节点i-1后，若收到回复信号则外围电路中通讯异常指示灯熄灭且对应标记变量置零，否者通讯异常指示灯点亮且对应标记变量置1。节点i的本地计算机AD中断子程序中检测到外围按键开关电路输出电平为低电平，则通讯异常标记变量置零。
通讯指令帧格式定为：帧头(1个字节)+指令(1个字节)+地址数据1(2个字节)+地址数据2(2个字节)+CRC校验(2个字节)。具体如下：1)巡检指令数据帧[0xA5+0x80+巡检起始地址(2个字节)+巡检终止地址(2个字节)+CRC校验]；2)握手请求上传指令数据帧[0xA5+0x81+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]；3)握手回复下传指令数据帧[0xA5+0x81+0xFFFF+本节点地址(2个字节)+CRC校验]；4)上传节点运行状态异常指令数据帧[0xA5+0x82+本节点地址(2个字节)+0x0001+CRC校验]；5)上传节点运行状态正常指令数据帧[0xA5+0x82+本节点地址(2个字节)+0x0000+CRC校验]；6)上传节点运行状态异常发生指令数据帧[0xA5+0x83+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]；7)上传节点运行状态异常清除指令数据帧[0xA5+0x84+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]。
节点i的本地计算机程序结构包含主程序、AD中断子程序以及串口接收中断子程序。程序中定义变量具体为：一维整型数组变量MessBox[8]储存运行状态改变数据帧，整型变量have_mess标识节点运行状态改变数据帧是否存在，整型变量pret标识一维整型数组MessBox[8]是否被保护，整型变量LED_UPcomuni标识节点通讯是否异常，整型变量NOTE_inform_new标识节点当前采样周期内运行状态是否异常，整型变量NOTE_inform_old标识节点上一采样周期内运行状态是否异常。
节点i的本地计算机主程序运行过程包括以下步骤：1)判断ΔT1时间间隔是否到来；2)若时间间隔ΔT1到来，变量LED_UPcomuni置1，向无线串口模块i发送握手请求上传指令数据帧后延时ΔT3时间；3)若时间间隔ΔT1到来且变量have_mess为1且变量pret为0，置变量pret为1后向无线串口模块i发送上传运行状态改变数据帧，而后延时ΔT3时间，最后置变量pret为0。
节点i的本地计算机AD中断子程序运行过程包括以下步骤：1)读取AD采集物理信号；2)根据采集数据判断电气设备运行状态，若运行正常则变量NOTE_inform_new置0，若运行异常则变量NOTE_inform_new置1；3)判断电气运行状态是否发生变化，若变量NOTE_inform_new＝1且变量NOTE_inform_old＝0且变量pret＝0则整型数组MessBox[8]中保存节点运行状态异常发生指令数据帧，若变量NOTE_inform_new＝0且变量NOTE_inform_old＝1且变量pret＝0则整型数组MessBox[8]中保存节点运行状态异常清除指令数据帧，而后令变量NOTE_inform_old＝变量NOTE_inform_new；4)若变量NOTE_inform_new＝1则置高引脚P1点亮外围电路中异常运行指示灯，若变量NOTE_inform_new＝0则拉低引脚P1熄灭外围电路中异常运行指示灯；5)若变量LED_UPcomuni＝1则置高引脚P2点亮外围电路中通讯异常指示灯，若变量LED_UPcomuni＝0则拉低引脚P2熄灭外围电路中通讯异常指示灯。
节点i的本地计算机串口接收中断子程序运行过程中具体执行如下任务：1)当接收到巡检指令数据帧时，若本节点地址在巡检范围内则向无线串口模块发送上传本节点运行状态指令数据帧，延时ΔT3时间后，若本节点地址小于巡检终止地址则向无线串口模块发送下传接收到的巡检指令数据帧，而后延时ΔT3时间；2)当接收到下游节点运行状态指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态指令数据帧，而后延时ΔT3时间；3)当接收到下游节点运行状态异常发生指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态异常发生指令数据帧，而后延时ΔT3时间；4)当接收到下游节点运行状态异常清除指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态异常清除指令数据帧，而后延时ΔT3时间；5)当接收到上游节点握手回复下传指令数据帧时，置变量LED_UPcomuni的值为0。
上位机应用程序完成一次巡检具体包含以下步骤：1)操作员输入上位机节点地址、巡检起始节点地址及巡检终止节点地址后点击设置巡检节点地址按钮；2)操作员点击巡检启动按钮；3)响应程序向无线串口模块0发送下传巡检指令数据帧，同时设置定时器初值以及修改巡检状态显示框值为“正在巡检”；4)串口接收程序收到下游各节点上传运行状态指令数据帧后修改全范围内监测到异常节点显示框、巡检范围内监测到异常节点显示框以及运行状态报警灯的值；5)当接收到节点n上传的运行状态指令数据帧或是接收等待时间超过ΔT4时间后修改巡检状态显示框值为“巡检结束”。
上位机应用程序在巡检期间之外若收到下游节点上传的运行状态异常发生指令数据帧或运行状态异常清除指令数据帧后，对全范围内监测到异常节点显示框、巡检范围内监测到异常节点显示框以及运行状态报警灯的值做相应修改。
下面结合附图进一步说明本发明。
图1所示为分布式电气设备运行状态监测系统架构图，系统包含n+1个节点，节点间采用LORA扩频传输。第0个节点地址定为0，由上位机与无线串口模块0构成。其余节点i(1≤i≤n)地址定为i，由电气设备i、检测装置i、本地计算机i与无线串口模块i构成。
图2所示为上位机应用程序界面图，具体包含：端口选择框，上位机节点地址A、巡检起始节点地址B及巡检终止节点地址C输入框，设置巡检节点地址按钮，巡检启动按钮，巡检状态显示框，全范围内监测到异常节点显示框，巡检范围内监测到异常节点显示框，以及运行状态报警灯。
Claims (7)
1.一种分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，监测系统包含n+1个节点；第0个节点地址定为0，由上位机与无线串口模块0构成；其余节点i(1≤i≤n)地址定为i，由电气设备i、检测装置i、本地计算机i与无线串口模块i构成；上位机应用程序需要完成一次巡检时通过串口将巡检指令发送给无线串口模块0，无线串口模块0通过LORA扩频传输给下游无线传输模块1；无线传输模块i(1≤i≤n)将收到的巡检指令通过串口发送给本地计算机i，本地计算机i程序中的串口接收中断子程序收到巡检指令后将本地电气设备运行状态数据帧按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1、无线串口模块i-1、…、无线串口模块1、本地计算机1、无线串口模块1、无线串口模块0、上位机的路径上传；本地计算机i上传运行状态数据帧后根据巡检指令规定的巡检范围判断是否将巡检指令按无线串口模块i、无线串口模块i+1、本地计算机i+1的路径下转给节点i+1；节点i中本地计算机AD中断子程序对采集数据分析后，若判断出本节点电气设备运行状态发生变化，修改外围电路中运行异常指示灯状态以及保存运行状态改变数据帧，并且在主程序中将运行状态改变数据帧按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1、无线串口模块i-1、…、无线串口模块1、本地计算机1、无线串口模块1、无线串口模块0、上位机的路径上传；上位机应用程序串口接收运行状态改变数据帧后，对界面中全范围内监测到异常节点显示框、巡检范围内监测到异常节点显示框以及异常运行警报灯做相应修改；本地计算机i间隔ΔT1时间，在主程序中将握手指令按无线串口模块i、无线串口模块i-1、本地计算机i-1的路径上转给节点i-1后，若收到回复信号则外围电路中通讯异常指示灯熄灭且对应标记变量置零，否者通讯异常指示灯点亮且对应标记变量置1；节点i的本地计算机AD中断子程序中检测到外围按键开关电路输出电平为低电平，则通讯异常标记变量置零。
2.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述数据帧具体包括：1)巡检指令数据帧[0xA5+0x80+巡检起始地址(2个字节)+巡检终止地址(2个字节)+CRC校验]；2)握手请求上传指令数据帧[0xA5+0x81+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]；3)握手回复下传指令数据帧[0xA5+0x81+0xFFFF+本节点地址(2个字节)+CRC校验]；4)上传节点运行状态异常指令数据帧[0xA5+0x82+本节点地址(2个字节)+0x0001+CRC校验]；5)上传节点运行状态正常指令数据帧[0xA5+0x82+本节点地址(2个字节)+0x0000+CRC校验]；6)上传节点运行状态异常发生指令数据帧[0xA5+0x83+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]；7)上传节点运行状态异常清除指令数据帧[0xA5+0x84+本节点地址(2个字节)+0xFFFF+CRC校验]。
3.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述节点i的本地计算机程序包含主程序、AD中断子程序以及串口接收中断子程序，程序中定义变量具体为：一维整型数组变量MessBox[8]储存运行状态改变数据帧，整型变量have_mess标识节点运行状态改变数据帧是否存在，整型变量pret标识一维整型数组MessBox[8]是否被保护，整型变量LED_UPcomuni标识节点通讯是否异常，整型变量NOTE_inform_new标识节点当前采样周期内运行状态是否异常，整型变量NOTE_inform_old标识节点上一采样周期内运行状态是否异常。
4.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述节点i的本地计算机主程序运行过程包括以下步骤：1)判断ΔT1时间间隔是否到来；2)若时间间隔ΔT1到来，变量LED_UPcomuni置1，向无线串口模块i发送握手请求上传指令数据帧后延时ΔT3时间；3)若时间间隔ΔT1到来且变量have_mess为1且变量pret为0，置变量pret为1后向无线串口模块i发送上传运行状态改变数据帧，而后延时ΔT3时间，最后置变量pret为0。
5.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述节点i的本地计算机AD中断子程序运行过程包括以下步骤：1)读取AD采集物理信号；2)根据采集数据判断电气设备运行状态，若运行正常则变量NOTE_inform_new置0，若运行异常则变量NOTE_inform_new置1；3)判断电气运行状态是否发生变化，若变量NOTE_inform_new＝1且变量NOTE_inform_old＝0且变量pret＝0则整型数组MessBox[8]中保存节点运行状态异常发生指令数据帧，若变量NOTE_inform_new＝0且变量NOTE_inform_old＝1且变量pret＝0则整型数组MessBox[8]中保存节点运行状态异常清除指令数据帧，而后令变量NOTE_inform_old＝变量NOTE_inform_new；4)若变量NOTE_inform_new＝1则置高引脚P1点亮外围电路中异常运行指示灯，若变量NOTE_inform_new＝0则拉低引脚P1熄灭外围电路中异常运行指示灯；5)若变量LED_UPcomuni＝1则置高引脚P2点亮外围电路中通讯异常指示灯，若变量LED_UPcomuni＝0则拉低引脚P2熄灭外围电路中通讯异常指示灯。
6.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述节点i的本地计算机串口接收中断子程序运行过程中具体执行如下任务：：1)当接收到巡检指令数据帧时，若本节点地址在巡检范围内则向无线串口模块发送上传本节点运行状态指令数据帧，延时ΔT3时间后，若本节点地址小于巡检终止地址则向无线串口模块发送下传接收到的巡检指令数据帧，而后延时ΔT3时间；2)当接收到下游节点运行状态指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态指令数据帧，而后延时ΔT3时间；3)当接收到下游节点运行状态异常发生指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态异常发生指令数据帧，而后延时ΔT3时间；4)当接收到下游节点运行状态异常清除指令数据帧时，向无线串口模块发送上传接收到的下游节点运行状态异常清除指令数据帧，而后延时ΔT3时间；5)当接收到上游节点握手回复下传指令数据帧时，置变量LED_UPcomuni的值为0。
7.一种基于权利要求1所述的分布式电气设备运行状态监测方法，其特征在于，所述上位机应用程序完成一次巡检，具体包含以下步骤：1)操作员输入上位机节点地址、巡检起始节点地址及巡检终止节点地址后点击设置巡检节点地址按钮；2)操作员点击巡检启动按钮；3)响应程序向无线串口模块0发送下传巡检指令数据帧，同时设置定时器初值以及修改巡检状态显示框值为“正在巡检”；4)串口接收程序收到下游各节点上传运行状态指令数据帧后修改全范围内监测到异常节点显示框、巡检范围内监测到异常节点显示框以及运行状态报警灯的值；5)当接收到节点n上传的运行状态指令数据帧或是接收等待时间超过ΔT4时间后修改巡检状态显示框值为“巡检结束”。
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