基于物联网的高速公路防雷远程监控系统

摘 要：本文针对当前高速公路防雷器无法实现有效监测的问题，根据物联网的概念和体系结构，构建了基于物联网的高速公路防雷远程监控系统，主要从防雷远程监控系统的总体结构、功能实现、系统优点及存在问题等方面进行了论述。

关键词：物联网；防雷器；防雷远程监控系统

中图分类号：TP393.4

1 引言

高速公路变电房、收费站、道路与隧道监控设备均安装了防雷保护系统，防雷保护系统一般分为外部防雷系统、内部防雷系统和接地系统。防雷保护器也称浪涌保护器SPD（Surge Protection Devices），是内部防雷系统及防雷保护系统中最重要的保护环节。目前，广州至河源高速公路广州段安装了电源防雷器、信号防雷器等，这些防护设备能在很大程度上保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压等的损害，使电力系统能够正常运行。但是对于防雷器的工作状态，一直不能无法准确掌握，部分防雷器已经损坏之后未能及时发现甚至进行更换，导致价格高昂的机电设备缺乏保护，极易遭受雷击，致使设备损坏、停止运转等，不仅给收费、交通管理带来不便，更容易酿成巨大的直接经济损失和间接经济损失。

因此，必须解决对防雷器的有效监测工作，改变常规的人工抽检或不检的工作方式。当防雷器工作状态出现故障或者损坏时，能够立即发现异常情况，并向监管中心部门发出报警，及早确定受损防雷器，将雷击隐患控制、消灭在萌芽状态，减少雷击损失。所以，建立一种实时监测防雷器状态信息的高速公路防雷远程监控系统势在必行。

物联网的概念最早在1999年提出，它的英文名称叫“The Internet of things”，就是由许多在空间上分布的自动装置通过无线、有线等通信网络连接组成的计算机应用网络，通过该网络实现信息采集、分析处理和设备监控等功能，从而达到对物品跟踪、监控、管理等目的。

因此将物联网的建设思路引入到高速公路防雷远程监控系统中，从而构建基于物联网的防雷远程监控系统，可以有效对防雷器状态进行监控与管理，降低雷击发生的机会，减小雷击造成的危害。

2 防雷远程监控系统的结构及功能

2.1 物联网的结构

物联网有别于互联网，互联网主要目的是构建一个全球性的信息通信计算机网络，而物联网则主要从应用出发，利用互联网、无线通信网络将用户终端设备联网结合，构建一个实现终端物品信息实时共享的巨大网络结构[1]。

物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、智能前端等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制[2]。

在业界，物联网大致被公认为有三个层次[3]，底层是用来感知数据的感知层，是物联网发展和应用的基础，包括RFID感应器、传感器等数据采集设备；第二层是数据传输的网络层，包括移动通讯网络、互联网以及信息中心、网管中心，对应数据处理有云计算平台；最上面则是内容应用层，应用于社会上多个行业领域，比如物流监控、智能交通等众多领域，如图1所示。2.2 防雷远程监控系统的结构及实现

高速公路防雷远程监控系统能够远程、自动、不间断地循环监测防雷的工作状态，并通过无线通讯网络，将防雷器的工作状态传送到系统监控主机上，工作人员可在系统监控主机屏幕上直观的观察到每个防雷器的工作状态。根据物联网的体系结构，并参照目前已经较成熟的其他类型远程监控系统结构，构建高速公路防雷远程监控系统，其结构图如图2所示。

图2中，高速公路防雷远程监控系统感知层建立在监控、收费、通信和计算机网络设备上，比如低压配电柜、收费岛设备设施等。远程监控系统的感知设备即前端监控装置需要进行研发。以菲尼克斯系列防雷器为例，其自带远程报警监控端口，正常工作时，输出固定频率的开关量信息，可采用前端监控装置与防雷器端口连接并进行采集，前端监控装置需要有A/D功能和I/O功能，能够在现场对防雷器的状态采集后进行调制后，无线发送给系统监控主机。

防雷远程监控系统的网络层设计由于考虑到高速公路的通讯距离、环境限制、系统主机所在位置等因素，采用ISM（Industrial Scientific Medical）频段，此频段为免费使用，无需授权许可，因此采用此频段可节省远程系统的通讯网络使用费用。ISM频段距离较长，在室内500米，室外开阔地带可到1500米，最远可实现3000米。根据微功率（短距离）无线电设备的技术要求，各类民用设备的无线控制装置的使用频率可在433.00-434.79MHz之间，发射功率限值为10mW。

应用层方面，使用系统监控主机，主机硬件结构上有无线发射和接收系统模块、主机数据处理模块，软件上有无线远程监控实时软件。系统主机可以采取独立研发，也可采取工业控制机加入无线发射接收模块，并嵌入主控软件。系统监控主机的监测界面上，按照高速公路区域和感知设备类型可显示各个防雷器的工作状态，并对每个防雷器进行编码编号，并用不同颜色来指示状态，例如，绿色显示正常工作，红色显示出现故障，灰色显示防雷器被击穿或前端监控设备自身故障等。当系统监控主机监控到防雷器非正常工作时，可以通过电话、短信等报警方式第一时间通知工作人员，降低雷击的可能性。系统监控主机还应包括数据统计分析功能，含有操作日志统计分析、报警数据统计分析、监控数据统计分析等一系列功能。

3 防雷远程监控系统的优点及存在问题

高速公路防雷远程监控系统主要有以下几个方面的优点：

（1）能够实现无人值守功能，能够实现全天24小时不间断监控并传送防雷器工作状态信息的功能。

（2）系统采用免费的ISM频段，无需申请频点，因此不产生通讯网络费用。

（3）系统运行简单，系统主机屏幕通过不同指示颜色表示防雷器不同状态，简单直观，并可通过短信、电话等方式第一时间报警，方便迅速。

（4）系统安装应用简单，使用时不需对原有的电力系统进行改造，也无需布置任何电缆。

虽然防雷远程监控系统能够实现无人值守、自动监控等功能，但以当前技术水平，仍有以下几个问题：

（1）通讯距离：虽然远程系统使用无线传输的通讯距离最远可达3000米，但对高速公路的长度来说仍显很短，因此要考虑选择更长传输距离网络，也可在系统布置时，以区域为划分，多增加几个系统监控主机。

（2）接口兼容问题：当前高速公路防雷器品牌众多，不同防雷器的自带远程监控端口会有所不同，因此当设计系统时需对前端不同品牌的防雷器端口分别连接，能够兼容不同品牌防雷器。所以在高速公路建设时为考虑后续升级、改造问题，最好能统一前端所有防雷器的型号。

4 总结

物联网的概念虽然提出时间很短，但其发展迅速，已成为各国政府和企业关注及研究的重点。我国“十二五”规划纲要中明确指出，要“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”。广州目前也积极推进“智慧广州”建设，广州物联网应用已被正式纳入国家总体发展战略布局。而对于高速公路防雷远程监控系统来说，虽然现在存在一些技术、规范方面的制约因素，市场上推出相应产品的企业厂家很少，但从长远来看，借助物联网发展的趋势，必将克服技术难题，完善系统应用，增加高速公路机电设备安全性，减少雷击、操作造成的经济损失，进一步提高对高速公路机电设备的管理水平。

参考文献：

[1]刘玮，王红梅，肖青，杨剑.物联网概念辨析[J].电信技术，2010，1：5-6.

[2]刘化君.物联网体系结构研究[J].中国新通信，2010，5：19-20.

[3]沈苏彬，范曲立，宗平，毛燕琴，黄维.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2009，26（9）：2-4.

作者单位：广州市高速公路有限公司，广州 510288