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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(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(cè)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(jí)越來越高。目前已經(jīng)達(dá)到500kV、220kV等電壓等級(jí)。而電壓等級(jí)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(gè)數(shù)、壓差值必須滿足一定指標(biāo)。所以，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS安裝環(huán)境的監(jiān)控，對(duì)GIS安裝過程中及時(shí)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(shí)現(xiàn)GIS安裝環(huán)境溫濕度、塵埃顆粒個(gè)數(shù)、壓差值的高質(zhì)高效監(jiān)控與管理，適用于各種等級(jí)GIS安裝環(huán)節(jié)中。
包括分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)終端。環(huán)境監(jiān)測(cè)單元通過內(nèi)置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計(jì)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(shí)清晰的得知防塵棚棚體內(nèi)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。滿足對(duì)GIS安裝棚內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)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(gè)顆粒度傳感器構(gòu)成的分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣；
針對(duì)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(cè)點(diǎn)陣共有n個(gè)顆粒度傳感器，某一時(shí)刻第i個(gè)顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數(shù)值為Xi
，各個(gè)顆粒度傳感器相互獨(dú)立互不干擾，求得在該時(shí)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(shí)刻，第i個(gè)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(gè)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(shí)刻，第i個(gè)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(jì)算：
根據(jù)模糊數(shù)的距離計(jì)算公式：

求得第i個(gè)顆粒度傳感器與第j個(gè)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(shí)度：

則真實(shí)度矩陣為：

則一個(gè)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(jì)算最符合的傳感器數(shù)值：
在求得各個(gè)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(shí)刻，最接近真實(shí)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(cè)點(diǎn)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(shí)，啟動(dòng)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(jì)，分別經(jīng)信號(hào)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(tái)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(bào)警模組、棚內(nèi)點(diǎn)陣顯示屏和棚外點(diǎn)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(cè)點(diǎn)陣由多個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)單元組成，每一所述環(huán)境監(jiān)測(cè)單元包括顆粒度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓差計(jì)、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(gè)信號(hào)處理濾波電路和一個(gè)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(gè)ZigBee模塊、一個(gè)電源模塊和一個(gè)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(gè)ZigBee模塊、一個(gè)單片機(jī)和一個(gè)紅外線發(fā)射模塊；所述單片機(jī)對(duì)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(hào)通過紅外線發(fā)射模塊對(duì)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(cè)終端，由本地監(jiān)測(cè)終端以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端組成；
所述本地監(jiān)測(cè)終端對(duì)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(bào)警模組是否工作，以及棚內(nèi)外點(diǎn)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(tái)；通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
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(cè)點(diǎn)陣中多個(gè)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(shí)際情況的顆粒度個(gè)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(shí)，通過對(duì)環(huán)境中多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)也更符合棚內(nèi)的實(shí)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(duì)新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)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(tái)實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在聲光報(bào)警顯示單元中通過采用DB9一拖二的方式、減少點(diǎn)陣顯示屏驅(qū)動(dòng)的數(shù)量，降低了成本。

附圖說明
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
圖1是本發(fā)明實(shí)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(cè)單元，3-中央處理單元，4-聲光報(bào)警顯示單元，5-棚內(nèi)點(diǎn)陣顯示屏，6-棚外點(diǎn)陣顯示屏，7-天線，8-聲光報(bào)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(shí)施例環(huán)境監(jiān)測(cè)單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中央處理單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例本地監(jiān)測(cè)終端的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)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(shí)施例完整系統(tǒng)流程示意圖。

具體實(shí)施方式
為讓本專利的特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，作詳細(xì)說明如下：
如圖1-圖6所示，本實(shí)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(jì)包括：
分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣的各個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2通過內(nèi)置的溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計(jì)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(cè)終端并通過遠(yuǎn)程通訊模塊傳送至遠(yuǎn)程顯示終端。實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。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(duì)防塵棚棚體1內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
具體地，在本實(shí)施例中：
分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣，由多個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2組成，環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2由外殼、溫濕度傳感器、顆粒度傳感器、壓差計(jì)、太陽能充電板、蓄電池、控制板、短距離收發(fā)天線7組成。控制板由信號(hào)處理濾波電路、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(duì)分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣獲取的顆粒度個(gè)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(duì)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(hào)通過紅外線發(fā)射模塊對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)9進(jìn)行設(shè)置。
GIS棚環(huán)境監(jiān)測(cè)終端，：由本地監(jiān)測(cè)終端以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端組成，本地監(jiān)測(cè)終端對(duì)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(bào)警模組8是否工作，以及棚內(nèi)外點(diǎn)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(tái)。在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)GIS安裝棚棚內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。
在本實(shí)施例中，分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣由8個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2組成。
首先環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2開始工作，采集當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)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(cè)點(diǎn)陣所采集到的數(shù)據(jù)后，對(duì)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(jì)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(cè)點(diǎn)陣共有n個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)單元2，某一時(shí)刻第i個(gè)顆粒度傳感器所采集到的顆粒度數(shù)值為Xi
，各個(gè)顆粒度傳感器相互獨(dú)立互不干擾，可以求得在該時(shí)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(shí)刻，第i個(gè)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(shí)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(huì)靠近真實(shí)顆粒度數(shù)值。因此，與真實(shí)顆粒度數(shù)值數(shù)值差越大的傳感器，與其他點(diǎn)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(gè)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(shí)刻，第i個(gè)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(jì)算
在獲得各個(gè)顆粒度傳感器的模糊數(shù)值后，因?yàn)樗械念w粒度數(shù)值均在真實(shí)數(shù)值附近，與真實(shí)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(huì)越遠(yuǎn)，因此衡量一個(gè)顆粒度傳感器的數(shù)值是否有較高的真實(shí)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(jì)算公式：

可以求得第i個(gè)顆粒度傳感器與第j個(gè)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(gè)顆粒度傳感器數(shù)值的真實(shí)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(shí)，則與所有顆粒度傳感器數(shù)值的距離越小，為了方便運(yùn)算，取模糊距離的倒數(shù)為真實(shí)度：

則真實(shí)度矩陣為：

則一個(gè)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(jì)算最符合的傳感器數(shù)值
在求得各個(gè)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(shí)刻，最接近真實(shí)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(cè)終端，本地監(jiān)測(cè)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(bào)警模組8報(bào)警，并在聲光報(bào)警顯示單元4上進(jìn)行提示。同時(shí)，防塵棚環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到棚內(nèi)點(diǎn)陣顯示屏5和棚外點(diǎn)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(cè)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(jí)，經(jīng)過一段時(shí)間重新測(cè)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(jí)直至最低級(jí)。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(jí)，經(jīng)過一段時(shí)間重新測(cè)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(jí)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(jí)。
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(tái)，在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示終端將實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程顯示GIS防塵棚內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)，并實(shí)時(shí)保存環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，生成每日環(huán)境狀態(tài)報(bào)表。
本實(shí)施例的具體工作流程參照?qǐng)D6。
本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)施例的記載可以結(jié)合本領(lǐng)域公知常識(shí)進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整或簡化，比如，分散式環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)陣的最簡設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是僅包含顆粒度傳感器及對(duì)應(yīng)的通信模塊即可，溫濕度傳感器和壓差計(jì)等屬于實(shí)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(shí)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(qǐng)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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