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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)
技術領域
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、和智能監(jiān)控技術領域，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
隨著大電網(wǎng)的建設，電壓等級越來越高。目前已經(jīng)達到500kV、220kV等電壓等級。而電壓等級越高，GIS設備閃絡故障率越高。電力GIS放電閃絡故障是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。塵埃粒子雜物等進入GIS設備內(nèi)部從而導致放電閃絡。
因此現(xiàn)有技術規(guī)范規(guī)定了GIS設備安裝過程中，溫濕度、塵埃粒子個數(shù)、壓差值必須滿足一定指標。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)境是否達標、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程通訊模塊傳送至遠程顯示顯示終端。用戶能夠實時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系統(tǒng)控制單元，實現(xiàn)對新風系統(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程監(jiān)控的需求。
其具體采用以下技術方案：
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)設置由多個顆粒度傳感器構成的分散式環(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中的采集到的顆粒度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，以監(jiān)控棚內(nèi)的顆粒度數(shù)量。
進一步地，所述將所有顆粒度傳感器當中的采集到的顆粒度數(shù)據(jù)進行數(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)值標準方差為：

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，將四倍標準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重由下式求得：

步驟S3：根據(jù)權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連接新風系統(tǒng)；當棚內(nèi)的顆粒度數(shù)量超出預設的閾值時，啟動新風系統(tǒng)。
進一步地，在GIS防塵棚內(nèi)還設置有溫度傳感器、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。
進一步地，采用太陽能電池板和蓄電池供電。
進一步地，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；所述控制板上設置有一個信號處理濾波電路和一個ZigBee模塊。
進一步地，所述控制板通過ZigBee模塊連接中央處理單元；所述MCU設置在中央處理單元上，中央處理單元上還設置有一個ZigBee模塊、一個電源模塊和一個NB-IOT模塊。
進一步地，所述新風系統(tǒng)的控制單元包括一個ZigBee模塊、一個單片機和一個紅外線發(fā)射模塊；所述單片機對所接收到的信息進行判斷，選擇新風系統(tǒng)設置信號通過紅外線發(fā)射模塊對新風系統(tǒng)進行設置；
還設置有GIS棚環(huán)境監(jiān)測終端，由本地監(jiān)測終端以及遠程監(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)云平臺連接遠程監(jiān)測終端，實現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠距離實時監(jiān)測。
與現(xiàn)有技術相比，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，增強了數(shù)據(jù)可信度。
可以通過紅外線發(fā)射模塊對新風系統(tǒng)進行控制，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)能的達到施工要求。
進一步還可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)低成本的遠程監(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、減少點陣顯示屏驅動的數(shù)量，降低了成本。

附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步詳細的說明：
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-新風系統(tǒng)，10-新風系統(tǒng)控制單元。
圖2是本發(fā)明實施例環(huán)境監(jiān)測單元的電路結構圖；
圖3是本發(fā)明實施例中央處理單元的電路結構圖；
圖4是本發(fā)明實施例本地監(jiān)測終端的電路結構圖；
圖5是本發(fā)明實施例新風系統(tǒng)控制單元的電路結構圖；
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程通訊模塊傳送至遠程顯示終端。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外的新風系統(tǒng)控制單元10，通過紅外線控制新風系統(tǒng)9對防塵棚棚體1內(nèi)的環(huán)境進行調(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、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)進行基于模糊算法的數(shù)據(jù)融合。
新風系統(tǒng)控制單元10，由ZigBee模塊、單片機、紅外線發(fā)射模塊及其他外圍附屬電路組成。其中單片機對所接收到的信息進行判斷，選擇最合適的新風系統(tǒng)設置信號通過紅外線發(fā)射模塊對新風系統(tǒng)9進行設置。
GIS棚環(huán)境監(jiān)測終端，：由本地監(jiān)測終端以及遠程監(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)遠程監(jiān)測終端，實現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠距離實時智能監(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，主要設計如下：
①顆粒度傳感器數(shù)值模糊化
設分散式環(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)值標準方差為：

防塵棚內(nèi)影響顆粒度數(shù)值的因素眾多，從而導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，將四倍標準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，與真實顆粒度越遠的顆粒度傳感器，與其他顆粒度傳感器的距離也會越遠，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重可由下式求得：

③根據(jù)權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)傳送給新風系統(tǒng)控制單元10，新風系統(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，控制新風系統(tǒng)開啟除濕功能，如果溫度高于一定閾值，保存當前溫度，并調(diào)低新風系統(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，則保存當前溫度，調(diào)高新風系統(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)提高新風系統(tǒng)溫度等級直至完全關閉空調(diào)功能。如果顆粒度參數(shù)高于一定閾值，則控制新風系統(tǒng)的通風等級。
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)的遠程監(jiān)測顯示終端將實時遠程顯示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。
本領域技術人員根據(jù)本實施例的記載可以結合本領域公知常識進行改進調(diào)整或簡化，比如，分散式環(huán)境監(jiān)測點陣的最簡設計應當是僅包含顆粒度傳感器及對應的通信模塊即可，溫濕度傳感器和壓差計等屬于實現(xiàn)發(fā)明目的的次要結構。
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，皆應屬本專利的涵蓋范圍。

GIS防塵棚廠家請聯(lián)系：黃生 135-70963007

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