基于微信公众平台的高速公路停电信息推送系统设计
时间：2023-02-22 23:35:04 来源：千叶帆 本文已影响人
■杨名有
（福建省高速公路集团有限公司南平管理分公司，南平 353000）
随着高速公路事业的不断发展和路网的不断延伸，福建省南平市境内现有高速公路收费站58 座，隧道331 座，ETC 门架170 座，目前沿线隧道配电房为无人值守管理模式且收费站通信机房并未安装动力环境监控设备，当发生10 kV 外线路供电故障、机房温度异常时不能被及时发现，虽然各个配电房都有后备UPS 蓄电池组，但蓄电池组容量有限，如果停电后未及时发现，可能导致蓄电池组过放电发生通信中断的事故。
供电监测多依靠UPS 监控软件进行监测，当10 kV 外线路停电后，UPS 监控软件并不能识别出电力故障，同时当维护人员在外作业时，不能通过UPS 监控软件查询现场供电情况。
基于此，设计高速公路10 kV 外线路停电、通信机房温湿度异常告警信息推送系统，该系统通过局域网开关量采集模块、PLC、 智能远程终端、微信公众平台、云平台等监测10 kV 外线路供给是否正常，并将停电告警信息经过采集、分析处理， 当触发告警条件时可将告警信息内容通过微信公众平台推送至维护人员手机上。
为了保障沿线收费站、隧道各用电设备的可靠用电，隧道供电方式为市电供电和UPS 不间断电源应急供电，长隧道配备双电源互投供电功能。
收费站供电方式为市电供电和柴油发电机互补供电及UPS 不间断电源应急供电，在每个收费站和隧道机房都配有1～2 台UPS 和蓄电池组对各用电设备不间断供电，虽然能实现市电监控，但同时也存在着不少缺点，如告警延时、依靠监控人员实时监控等问题，主要有以下几个特点。
优点：（1）支持模块统一管理功能，每台UPS 主机都配有数据采集模块，每台UPS 数据可以归集到UPS 监控软件，可实现集中管理；
（2）可监控市电输入告警状态、电压、负载、电池容量等参数。
缺点：（1）告警延时长。
故障发生需由当班监控人员发现后，反馈给对应辖区机电维护站，再通知机电维护站运维管理人员前去处理，由于南平市境内高速公路路段公司和维护单位较多，一条路段往往由多个维护站共同维护，监控人员不能快速定位故障点对应的维护单位和人员，存在不可避免的人为延时问题，造成运维管理人员不能第一时间知晓故障和及时处理；
（2）准确性不高和功能不完善。
当10 kV 外供电线路失电后， 但由于在每个收费站都配有1 台柴油发电机，在10 kV 外线路失电后会自行启动提供电力供给， 现有监控软件不能辨别出10 kV 外线路故障，容易误导监控人员市电已经恢复正常；
同时收费站通信机房没有温湿度监测功能，由于通信机房内温度过高未及时发现，造成服务器和通信设备死机、停机现象偶有发生；
（3）较依赖人工。
停电故障发生时，需依靠人工发现，同时由于线路里程长、供电点多，发生故障后需查找所辖路段运维管理人员的联系方式。
在雷雨季节时，10 kV 外线路供电故障经常发生， 依赖人工判定故障地点效率低，会导致故障数据收集缓慢，影响故障修复的进度。
针对当前UPS 监控软件不能准确判断10 kV外线路供给状态及不能采集通信机房内温湿度、响应不及时、功能不完善等问题，设计了高速公路停电信息推送系统，该系统选用合适的软、硬件技术方案，借助PLC、智能终端、云平台、微信公众平台等，PLC 将收集到的故障信息发送至智能终端，智能终端通过外网与云平台服务器通信，当触发告警阈值且满足告警条件后，将故障情况按照事先编辑好的消息模板及时推动到运维管理人员手机微信上，可通过web 网页、微信公众号和手机APP 等多种方式随时随地实时监控，增加故障数据信息报表的存储功能，为事后查询、统计、分析等提供可靠依据（图1）。
图1 系统结构示意图
2.1 系统硬件和软件组成
系统硬件包括2 个部分：监控中心硬件部分和隧道、收费站硬件部分。
监控中心的硬件主要包括收集器、串口服务器、西门子S7-200smart 系列PLC、巨控GRM530 智能终端等。
隧道、收费站的硬件包括采集器、温湿度传感器、LoRa 通信终端、串口服务器等，主要实现数据采集、处理和传输。
系统软件包括GRM530 智能终端的GRMDev5开发软件、 西门子STEP 7- Micro/WIN SMART 编程软件、采集器组网软件、串口调试助手、手机APP和微信公众平台，实现设备参数配置、设备间相互配合、协同工作，保证数据传输可靠。
2.2 隧道停电信号采集及组网传输
2.2.1 隧道配电房停电信号采集
沿线隧道配电房安装有2 台施耐德WTS320自动转换开关，分别用于10 kV 外线路发生停电时能够切换至另一侧供电。
在自动转换开关辅助常开触点引出接线至采集器输入端口，当10 kV 外线路停电时，自动转换开关动作后常开触点吸合，此时采集器接收到闭合的开关量信号，完成停电信号采集动作。
2.2.2 采集器联动组网配置
各隧道配电房采集器与在监控分中心机房收集器进行组网配对，设备间通过局域网UDP 广播点对点进行通信，采集器配置为主机开关量输入检测设备，收集器配置为从机继电器输出设备；
同一局域网内主机的目标ID 与从机的设备ID 一致主机就可以控制从机。
考虑设备状态及时性和实时性，控制类型采用实时联动关系进行控制，即采集器输入端口1 和2 采集到开关量信号后，实时联动映射到收集器设备输出继电器端口1 和2。
2.2.3 数据通信传输方式
由于高速公路隧道沿线机房较多、设备分布较离散，没有接入外网，同时没有备用的光纤直连监控分中心机房，综合考虑项目施工成本和施工便捷性， 复用现有高速公路隧道监控环网进行传输，该环网支持RJ45 网口设备接入，因此选用支持RJ45网口通信方式采集器，设备间可进行1 对多相互组网联动（图2）。
图2 采集器、收集器组网传输示意图
2.3 收费站机房温湿度和停电信号采集及传输方式
收费站通信机房设有烽火SDH 传输设备、服务器、三层数据交换机等重要设备，对机房内设备供电和环境温湿度度要求较高，主要对接入收费站配电房10 kV 外线路和通信机房温湿度进行采集。
2.3.1 通信机房温湿度采集
在通信机房内安装RS-485 型温湿度传感器，支持标准Modbus-RTU 协议，不需要经过复杂的校验、标定过程，将采集到的温湿度数据分别存储在内部寄存器地址为40001 和40002 中，对应的数值可通过线性关系直接转换成具体温湿度读数。
2.3.2 配电房停电信号采集
沿线收费站的10 kV 外线路单独接入配电房内，建设时配电房至通信机房中间没有铺设通信光缆无法通信，而且之间存在障碍物干扰，在这种情况下使用蜂窝、Wi-Fi 和蓝牙低功耗（BLE）网络通信方式是不可靠的，故采用LoRa 无线通信方式（图3），其采用LoRa 扩频技术，工作频率在433 MHz，抗干扰和穿透能力强，可实现低功耗和远距离传输，极大降低施工成本。
在收费站配电房和通信机房各安装1 台LoRa 终端进行点对点传输数据，LoRa 终端设备自带IO 和RS485 接口，IO 口与配电房内施耐德WTS320 自动转换开关辅助触点连接，采集10 kV外线路供给状态是否正常。
图3 LoRa 终端传输原理
2.3.3 数据通信传输方式
由于温湿度传感器传输使用的是RS-485 接口和Modbus-RTU 协议进行传输，数据不能直接通过交换机传输至监控中心，需借助串口服务器将RS-485 串口转换成TCP/IP 协议网络接口， 实现RS-485 串口与TCP/IP 协议网络接口的数据双向透明传输。
沿线收费站通信机房和监控中心机房各安装1 台串口服务器实现多对1 数据透传，采集、传输设备通信接口选用RS-485 串口， 支持Modbus-RTU协议。
通信方式采用主从式结构，串口服务器作为主机将各个从机设备RS-485 接口串联起来进行通信，复用收费站区域主干通信网络将数据传输至监控分中心。
2.3.4 串口服务器点对点透传模式配置
串口服务器实现多对1 数据透传，需对串口服务器模式进行修改。
将沿线收费站安装的串口服务器设置为Server 模式，监控中心机房内串口服务器设置为Client 模式，将客户端串口服务器（Client 模式）远程端口和远程服务器地址都设置为服务端串口服务器（Server 模式）本地端口和IP 地址，即可完成配对，具体配置如下：客户端串口服务器（Server模式）设置：本机IP 地址：35.44.98.100；
工作模式：Server；
本地端口：26。服务端串口服务器（Client 模式）设置：本机IP 地址：35.44.98.101；
工作模式：Client；
远程端口：26；
远程服务器地址：35.44.98.100。
2.4 监控中心信号收集、反馈处理
各隧道监测点的采集器采集到的停电信号经过设备间组网联动反馈给收集器，反馈信号经过收集器继电器输出西门子S7-200smart PLC 数字量输入模块，各数据存入至PLC 内部I 区寄存器进行存储，PLC 无需添加任何程序。
巨控GRM530 系列智能终端包含2 个RS-485 端口、1 个WAN 口和2 个LAN 口。
WAN 口需接入外网才能将数据传输至云平台，LAN 口接入监控中心机房内三层以太网交换机和PLC 进行通信。沿线收费站采集的数据通过串口服务器与智能终端的RS-485 接口相连， 通讯连通后读取PLC 和相关串口通讯设备寄存器区地址数据，从而实现两者的双向数据交换。
2.4.1 智能终端关联变量设置
通讯连接后，使用巨控GRM530 系列智能终端的GRMDev5 软件开发工程， 设置智能终端与PLC通信协议为smart S7-200 TCP 协议，RS-485 通讯设备通过Modbus-RTU 协议进行通信，将新建变量关联到PLC 和相关通讯设备寄存器地址。
新建设备PLC，配置IP 地址和网络端口，该地址和智能终端的IP 地址需在同一个网段， 建立各个隧道配电房变量名称、类型、变量组等参数，根据温湿度传感器和PLC 中寄存器类型和地址与智能终端建立变量关联，温湿度传感器寄存器存储的湿度、温度值分别对应组态地址为40001 和40002， 在新建变量时，变量类型为浮点数，寄存器类型选择可读写字4X，IO 数据类型为INT16，地址分别对应为1、2。
新建PLC 变量时，变量类型为开关量，寄存器类型选择I 区（Bit），IO 数据类型为BIT，地址范围为0.00-31.07，分别对应各采集器监测点位，工程编译后程序可用过云端下载到智能终端。
2.4.2 变量报警信息的编辑
要实现告警信息推送，需使用GRMDev5 软件事先对变量或者表达式预先定义（图4）。停电信息的变量类型采用开关量形式，开关量型变量报警触发表达式格式为：变量名称==1，即停电状态是变量值由0 变为1 后触发告警。
温湿度变量类型采用浮点数形式，温度报警上限为30℃，下限为15℃，超出阈值后触发告警。
在条件报警编辑器内对每个变量触发告警时需要发送的信息内容预设模板，信息推送依据模板内容推送至用户手机。
图4 GRMDev5 软件操作界面
2.5 告警信息推送平台功能架构构思
随着微信等社交软件的不断发展应用，越来越多的人开始使用微信，目前微信用户人数已超12 亿人。对企业而言，一方面，微信已深入到千家万户，便于用户的推广；
另一方面，微信公众平台支持第三方服务接入，兼容性、扩展性、灵活性较好，无用户数量和时间、位置限制，采用微信公众平台对设备进行监控和接收告警信息，用户只需关注巨控智能终端厂家开通的工业安全平台公众号，绑定智能终端SN 码和登录密码， 在手机微信公众平台上就实现远程监控和接收告警信息。
2.5.1 告警信息通知生成规则
微信公众平台推送方式有模板信息推送、纯文本信息推送、 视频信息推送和语音信息推送等，模板信息推送方式支持设置参数字段方式自动获取数据库的匹配字段内容，因此选择模板消息推送作为停电通知的推送方式[1]。
2.5.2 微信客户匹配规则
云平台数据库客户数据与微信公众号平台已有的微信客户数据并不完全相对，同时信息推送用户群体范围和权限不同，为保证信息推送到微信目的客户群体的准确性，需设定匹配规则对数据库用户和消息推送目的用户2 个来源数据进行匹配和过滤处理[1]，使用GRMDev5 软件对设备间的变量操作权限进行编辑定义，分配用户权限账号以便于信息发送到不同用户群体，实现微信信息推送精准定位。
2.5.3 告警信息推送
告警信息的推送是指当系统中某些变量值超过了所规定的界限或满足报警表达式时，智能终端自动发送报警短信。
每条告警信息包含报警条件、发送目标、 报警延时和报警消息模板等要素。
PLC和相关通讯设备寄存器地址状态往往是以开关量和浮点数呈现，当智能终端读取到开关量类型的变量状态由0 变为1 或浮点数类型变量数值超出预设阈值就可触发报警条件，智能终端根据事先编辑的信息模板通过外网将数据传送到云平台上的监控服务器，云平台通过和微信端匹配的接口，将告警信息推送至维护人员手机微信公众号上，也支持使用手机短信和语音播报通知功能。
该套系统在南平松建、京台高速公路进行理论分析、系统整体设计、软硬件的安装调试，对辖区36条隧道、9 座收费站的10 kV 外线路供电点以及通信机房温湿度完成全覆盖监控，安装投入使用后测试表明该系统具有信息推送准确、稳定性高、可实时云端监控等特点，特别是利用微信公众平台能较方便运维管理人员使用，主要有以下特点：
3.1 故障告警及时性高
以往故障响应不及时，故障出现后监控人员需多次核实、多方查找运维管理人员联系方式，该系统投入使用后将故障报修从被动接收转变为将故障节点移至拨打报修电话之前，告警信息推送从故障出现到运维管理人员知悉能在5 s 内完成， 实现运维管理人员提前介入、主动响应、精准定位。
3.2 完善系统功能
对现有监控软件使用上功能不足进行补充，增加10 kV 外线路失压监测功能、通信机房温湿度监测功能、Web 浏览器和微信监管功能，通过云平台用户可以不受任何时间、任何地点限制，使用手机APP、网页、微信等多种方式从云平台获取数据，实现监控和接收告警信息，使用方便灵活（图5）。
图5 微信公众号监控界面
3.3 统计分析功能
实现监控和告警信息推送同时，增加报表统计功能，在云平台上可以查看历史数据表格与历史报警表格，还可以直接导出数据表格和报警表格到电脑，供打印和处理，支持断线续传功能，定时记录的数据会在下次上线后补录到云服务器，历史数据不会丢失。
依托物联网设备、云平台和微信公众平台等技术手段，实现机房高效预警、无人值守、远程报警和集中管理等功能。
微信推送告警信息的方式能满足运维管理人员在任何时间、任何地点第一时间接收到告警信息，实现故障点的快速精准定位和及时响应。
该系统无需搭建服务器，维护成本低，可扩展性好， 极大确保高速公路机电三大系统稳定运行，提升了整个系统的运维管理能力，为高速公路安全畅通和车户出行提供优质服务保障。
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