基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于GIS安裝環(huán)境環(huán)境參數(shù)的信息管理、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、和智能監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)
隨著大電網(wǎng)的建設(shè)，電壓等級越來越高。目前已經(jīng)達(dá)到500kV、220kV等電壓等級。而電壓等級越高，GIS設(shè)備閃絡(luò)故障率越高。電力GIS放電閃絡(luò)故障是GIS故障的主要因素，發(fā)生該現(xiàn)象的原因往往是GIS安裝過程中環(huán)境清潔度低，空氣濕度大。塵埃粒子雜物等進(jìn)入GIS設(shè)備內(nèi)部從而導(dǎo)致放電閃絡(luò)。
因此現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范規(guī)定了GIS設(shè)備安裝過程中，溫濕度、塵埃粒子個數(shù)、壓差值必須滿足一定指標(biāo)。所以，實現(xiàn)對GIS安裝環(huán)境的監(jiān)控，對GIS安裝過程中及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境是否達(dá)標(biāo)、安裝是否合規(guī)以及后續(xù)的環(huán)境調(diào)控具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)GIS安裝環(huán)境溫濕度、塵埃顆粒個數(shù)、壓差值的高質(zhì)高效監(jiān)控與管理，適用于各種等級GIS安裝環(huán)節(jié)中。
包括分散式環(huán)境監(jiān)測點陣、中央處理單元、新風(fēng)系統(tǒng)控制單元、GIS棚環(huán)境監(jiān)測終端。環(huán)境監(jiān)測單元通過內(nèi)置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計采集環(huán)境信息，所采集的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳送至中央處理單元。中央處理單元經(jīng)過融合處理后，將數(shù)據(jù)傳送至位于防塵棚棚體內(nèi)的本地顯示終端并通過遠(yuǎn)程通訊模塊傳送至遠(yuǎn)程顯示顯示終端。用戶能夠?qū)崟r清晰的得知防塵棚棚體內(nèi)的實時情況。將數(shù)據(jù)傳送至位于棚外的新風(fēng)系統(tǒng)控制單元，實現(xiàn)對新風(fēng)系統(tǒng)的自動控制。滿足對GIS安裝棚內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測控制的需要以及智慧工地遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求。
其具體采用以下技術(shù)方案：
一種基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：在GIS防塵棚內(nèi)設(shè)置由多個顆粒度傳感器構(gòu)成的分散式環(huán)境監(jiān)測點陣；
針對顆粒度傳感器的誤差，將所有顆粒度傳感器當(dāng)中的采集到的顆粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以監(jiān)控棚內(nèi)的顆粒度數(shù)量。
進(jìn)一步地，所述將所有顆粒度傳感器當(dāng)中的采集到的顆粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以監(jiān)控棚內(nèi)的顆粒度數(shù)量的具體步驟為：
步驟S1：顆粒度傳感器數(shù)值模糊化：
設(shè)分散式環(huán)境監(jiān)測點陣共有n個顆粒度傳感器，某一時刻第i個顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數(shù)值為Xi
，各個顆粒度傳感器相互獨立互不干擾，求得在該時刻，所有顆粒度傳感器采集到的顆粒度數(shù)值的平均值：

則在該時刻，第i個顆粒度傳感器所采集的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)方差為：

顆粒度傳感器的模糊隸屬函數(shù)選擇為三角型，將第i個顆粒度傳感器的采集數(shù)值作為三角形中心，將四倍標(biāo)準(zhǔn)方差作為三角形的范圍，在該時刻，第i個顆粒度傳感器采集的模糊數(shù)值為：
Ai
＝{A1i
,A2i
,A3i
}＝{Xi
-2σ2
，Xi
，Xi
+2σ2
}；
步驟S2：各顆粒度傳感器數(shù)值權(quán)重計算：
根據(jù)模糊數(shù)的距離計算公式：

求得第i個顆粒度傳感器與第j個顆粒度傳感器的模糊數(shù)距離，從而列出所有顆粒度傳感器與其他顆粒度傳感器的模糊數(shù)距離矩陣：

取模糊距離的倒數(shù)為真實度：

則真實度矩陣為：

則一個顆粒度傳感器在所有顆粒度傳感器的權(quán)重由下式求得：

步驟S3：根據(jù)權(quán)重計算最符合的傳感器數(shù)值：
在求得各個顆粒度傳感器的權(quán)重后，則由：
X＝α1
X1
+α2
X2
+…+αn
Xn

求得在該時刻，最接近真實值的顆粒度傳感器數(shù)值。
進(jìn)一步地，所述分散式環(huán)境監(jiān)測點陣通過ZigBee模塊連接MCU；所述MCU連接新風(fēng)系統(tǒng)；當(dāng)棚內(nèi)的顆粒度數(shù)量超出預(yù)設(shè)的閾值時，啟動新風(fēng)系統(tǒng)。
進(jìn)一步地，在GIS防塵棚內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器、濕度傳感器和壓差計，分別經(jīng)信號調(diào)理濾波電路和ZigBee模塊連接MCU。
進(jìn)一步地，所述MCU經(jīng)NB-IOT模塊利用基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺建立連接和數(shù)據(jù)通信。
進(jìn)一步地，所述MCU連接有聲光報警模組、棚內(nèi)點陣顯示屏和棚外點陣顯示屏。
進(jìn)一步地，采用太陽能電池板和蓄電池供電。
進(jìn)一步地，所述分散式環(huán)境監(jiān)測點陣由多個環(huán)境監(jiān)測單元組成，每一所述環(huán)境監(jiān)測單元包括顆粒度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓差計、蓄電池、控制板和短距離收發(fā)天線；所述控制板上設(shè)置有一個信號處理濾波電路和一個ZigBee模塊。
進(jìn)一步地，所述控制板通過ZigBee模塊連接中央處理單元；所述MCU設(shè)置在中央處理單元上，中央處理單元上還設(shè)置有一個ZigBee模塊、一個電源模塊和一個NB-IOT模塊。
進(jìn)一步地，所述新風(fēng)系統(tǒng)的控制單元包括一個ZigBee模塊、一個單片機(jī)和一個紅外線發(fā)射模塊；所述單片機(jī)對所接收到的信息進(jìn)行判斷，選擇新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置信號通過紅外線發(fā)射模塊對新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置；
還設(shè)置有GIS棚環(huán)境監(jiān)測終端，由本地監(jiān)測終端以及遠(yuǎn)程監(jiān)測終端組成；
所述本地監(jiān)測終端對于接收到中央處理單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，并控制聲光報警模組是否工作，以及棚內(nèi)外點陣顯示屏的數(shù)據(jù)顯示；以及將融合后的環(huán)境信息通過NB-IOT與基站通訊的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺；通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，實現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明及其優(yōu)選方案具有以下有效效果：通過分散式環(huán)境監(jiān)測點陣中多個低成本的顆粒度傳感器以及基于模糊算法的數(shù)據(jù)融合算法，推算出更符合實際情況的顆粒度個數(shù)。逼近高端顆粒度傳感器的性能，大大降低了成本。與此同時，通過對環(huán)境中多個探測點的探測也更符合棚內(nèi)的實際情況，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可信度。
可以通過紅外線發(fā)射模塊對新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)測量、控制、反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。能讓GIS防塵棚更加快速節(jié)能的達(dá)到施工要求。
進(jìn)一步還可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在聲光報警顯示單元中通過采用DB9一拖二的方式、減少點陣顯示屏驅(qū)動的數(shù)量，降低了成本。

附圖說明
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
圖1是本發(fā)明實施例GIS防塵棚內(nèi)各模塊布局圖；
圖中：1-防塵棚棚體，2-環(huán)境監(jiān)測單元，3-中央處理單元，4-聲光報警顯示單元，5-棚內(nèi)點陣顯示屏，6-棚外點陣顯示屏，7-天線，8-聲光報警模組，9-新風(fēng)系統(tǒng)，10-新風(fēng)系統(tǒng)控制單元。
圖2是本發(fā)明實施例環(huán)境監(jiān)測單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明實施例中央處理單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明實施例本地監(jiān)測終端的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖5是本發(fā)明實施例新風(fēng)系統(tǒng)控制單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖6是本發(fā)明實施例完整系統(tǒng)流程示意圖。

具體實施方式
為讓本專利的特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，作詳細(xì)說明如下：
如圖1-圖6所示，本實施例提供的基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，其主要設(shè)計包括：
分散式環(huán)境監(jiān)測點陣的各個環(huán)境監(jiān)測單元2通過內(nèi)置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計采集環(huán)境信息，所采集的數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳送至中央處理單元3。中央處理單元3經(jīng)過融合處理后，將數(shù)據(jù)傳送至位于防塵棚棚體1內(nèi)的本地檢測終端并通過遠(yuǎn)程通訊模塊傳送至遠(yuǎn)程顯示終端。實現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境的實時智能監(jiān)測。將數(shù)據(jù)傳送至位于防塵棚棚體1外的新風(fēng)系統(tǒng)控制單元10，通過紅外線控制新風(fēng)系統(tǒng)9對防塵棚棚體1內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
具體地，在本實施例中：
分散式環(huán)境監(jiān)測點陣，由多個環(huán)境監(jiān)測單元2組成，環(huán)境監(jiān)測單元2由外殼、溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計、太陽能充電板、蓄電池、控制板、短距離收發(fā)天線7組成?？刂瓢逵尚盘柼幚頌V波電路、ZigBee模塊、其他外圍附屬電路組成。
中央處理單元3，由ZigBee模塊、電源模塊、單片機(jī)、NB-IOT模塊、其他外圍附屬電路組成。其中中央處理單元3對分散式環(huán)境監(jiān)測點陣獲取的顆粒度個數(shù)進(jìn)行基于模糊算法的數(shù)據(jù)融合。
新風(fēng)系統(tǒng)控制單元10，由ZigBee模塊、單片機(jī)、紅外線發(fā)射模塊及其他外圍附屬電路組成。其中單片機(jī)對所接收到的信息進(jìn)行判斷，選擇最合適的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置信號通過紅外線發(fā)射模塊對新風(fēng)系統(tǒng)9進(jìn)行設(shè)置。
GIS棚環(huán)境監(jiān)測終端，：由本地監(jiān)測終端以及遠(yuǎn)程監(jiān)測終端組成，本地監(jiān)測終端對于接收到中央處理單元3的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判別并控制聲光報警模組8是否工作，以及棚內(nèi)外點陣顯示屏的數(shù)據(jù)顯示。將融合后的環(huán)境信息通過NB-IOT與基站通訊的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。在物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，實現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)距離實時智能監(jiān)測。
在本實施例中，分散式環(huán)境監(jiān)測點陣由8個環(huán)境監(jiān)測單元2組成。
首先環(huán)境監(jiān)測單元2開始工作，采集當(dāng)前時間點防塵棚內(nèi)部的溫濕度、壓差值、顆粒度數(shù)值。并將其打包好通過ZigBee通訊將數(shù)據(jù)傳送給中央處理單元3。
中央處理單元3在接收到分散式環(huán)境監(jiān)測點陣所采集到的數(shù)據(jù)后，對顆粒度數(shù)值建立模糊算法的數(shù)據(jù)融合模型，推算出目前空間最合理的顆粒度數(shù)值。
采用的模糊算法的數(shù)據(jù)融合模型，主要設(shè)計如下：
①顆粒度傳感器數(shù)值模糊化
設(shè)分散式環(huán)境監(jiān)測點陣共有n個環(huán)境監(jiān)測單元2，某一時刻第i個顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數(shù)值為Xi
，各個顆粒度傳感器相互獨立互不干擾，可以求得在該時刻，所有顆粒度傳感器采集到的顆粒度數(shù)值的平均值：

則在該時刻，第i個顆粒度傳感器所采集的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)方差為：

防塵棚內(nèi)影響顆粒度數(shù)值的因素眾多，從而導(dǎo)致不同位置的顆粒度傳感器往往與真實顆粒度數(shù)值存在一定誤差，這些因素往往無法量化、但可以肯定的是，所有的顆粒度數(shù)值均會靠近真實顆粒度數(shù)值。因此，與真實顆粒度數(shù)值數(shù)值差越大的傳感器，與其他點陣傳感器的數(shù)值差也越大。因此，顆粒度傳感器的模糊隸屬函數(shù)選擇為三角型，將第i個顆粒度傳感器的采集數(shù)值作為三角形中心，將四倍標(biāo)準(zhǔn)方差作為三角形的范圍，因此可以寫出在該時刻，第i個顆粒度傳感器采集的模糊數(shù)值為:
Ai
＝{A1i
,A2i
,A3i
}＝{Xi
-2σ2
，Xi
，Xi
+2σ2
}
②各顆粒度傳感器數(shù)值權(quán)重計算
在獲得各個顆粒度傳感器的模糊數(shù)值后，因為所有的顆粒度數(shù)值均在真實數(shù)值附近，與真實顆粒度越遠(yuǎn)的顆粒度傳感器，與其他顆粒度傳感器的距離也會越遠(yuǎn)，因此衡量一個顆粒度傳感器的數(shù)值是否有較高的真實度，可以從該顆粒度傳感器與其他傳感器的相似度來衡量。當(dāng)顆粒度傳感器的數(shù)值與其他的顆粒度傳感器數(shù)值越接近，則代表該顆粒度傳感器與之更相似。
根據(jù)模糊數(shù)的距離計算公式：

可以求得第i個顆粒度傳感器與第j個顆粒度傳感器的模糊數(shù)距離，從而可以列出所有顆粒度傳感器與其他顆粒度傳感器的模糊數(shù)距離矩陣:

衡量一個顆粒度傳感器數(shù)值的真實度，可以從該顆粒度傳感器數(shù)值與所有顆粒度傳感器的距離得知，當(dāng)該數(shù)值越真實，則與所有顆粒度傳感器數(shù)值的距離越小，為了方便運算，取模糊距離的倒數(shù)為真實度：

則真實度矩陣為：

則一個顆粒度傳感器在所有顆粒度傳感器的權(quán)重可由下式求得：

③根據(jù)權(quán)重計算最符合的傳感器數(shù)值
在求得各個顆粒度傳感器的權(quán)重后，則可以由：
X＝α1
X1
+α2
X2
+…+αn
Xn

求得在該時刻，最接近真實值的顆粒度傳感器數(shù)值。
中央處理單元3通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳送給本地監(jiān)測終端，本地監(jiān)測終端在接收到防塵棚環(huán)境數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否達(dá)到安全數(shù)值。如果數(shù)據(jù)超出安全數(shù)值，則控制聲光報警模組8報警，并在聲光報警顯示單元4上進(jìn)行提示。同時，防塵棚環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到棚內(nèi)點陣顯示屏5和棚外點陣顯示屏6顯示。
中央處理單元3通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳送給新風(fēng)系統(tǒng)控制單元10，新風(fēng)系統(tǒng)控制單元10在接收到防塵棚環(huán)境數(shù)據(jù)后，根據(jù)測量到的環(huán)境參數(shù)，如果濕度高于一定閾值，控制新風(fēng)系統(tǒng)開啟除濕功能，如果溫度高于一定閾值，保存當(dāng)前溫度，并調(diào)低新風(fēng)系統(tǒng)溫度等級，經(jīng)過一段時間重新測量并比較保存的溫度，如果溫度依然高于一定閾值且溫度變化低于一定閾值，則繼續(xù)降低新風(fēng)系統(tǒng)溫度等級直至最低級。如果溫度低于一定閾值，則保存當(dāng)前溫度，調(diào)高新風(fēng)系統(tǒng)溫度等級，經(jīng)過一段時間重新測量并比較保存的溫度，如果溫度依然低于于一定閾值且溫度變化低于一定閾值，則繼續(xù)提高新風(fēng)系統(tǒng)溫度等級直至完全關(guān)閉空調(diào)功能。如果顆粒度參數(shù)高于一定閾值，則控制新風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)等級。
中央處理單元3通過NB-IOT模塊將數(shù)據(jù)通過基站傳送給物聯(lián)網(wǎng)云平臺，在物聯(lián)網(wǎng)云平臺上開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測顯示終端將實時遠(yuǎn)程顯示GIS防塵棚內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)，并實時保存環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，生成每日環(huán)境狀態(tài)報表。
本實施例的具體工作流程參照圖6。
本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實施例的記載可以結(jié)合本領(lǐng)域公知常識進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整或簡化，比如，分散式環(huán)境監(jiān)測點陣的最簡設(shè)計應(yīng)當(dāng)是僅包含顆粒度傳感器及對應(yīng)的通信模塊即可，溫濕度傳感器和壓差計等屬于實現(xiàn)發(fā)明目的的次要結(jié)構(gòu)。
本專利不局限于上述最佳實施方式，任何人在本專利的啟示下都可以得出其它各種形式的基于數(shù)據(jù)融合算法的GIS防塵棚環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本專利的涵蓋范圍。

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