刘卫庄，方 猛，刘成伟，黄洪明

（合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

随着经济的持续快速发展以及人们生活水平的不断提高，提高国民的科学文化素质已是摆在各级政府面前的大事，在此背景下，科技馆的建设工作得到全面展开。科技发展迅速，在生活的各个方面都可以发现开始利用高科技产品更便捷的表达想法。比如科技馆、博物馆等开始利用智能中控系统来协助工作，当今中控系统也层出不穷、各种各样。设计一种优化管理、节约成本、功能集成、技术水平高的智能中控系统。智能中控系统主要由通用控制单元系统、网络系统、软件系统、终端控制器，强电控制器五部分组成。

1 智能中控系统的设计方案

展厅中控系统综合多媒体软件技术、STM32-ARM 嵌入式单片机技术、网络技术、电力监测技术，是一个完整的应用系统。中控系统具体是对展厅展项进行集中控制，包括对展品自动、手动开机，展品状态监测、报警、处理以及客流统计和大数据记录。其拓扑结构如图1 所示。

中控系统控制具备以下功能：

（1）一键开关机：通过平板电脑或中控计算机上的操作按钮，可一键控制展品分区域依次自动供电、断电，并自动开关机，同时实现对电脑和投影机的一键开关机。

图1 中控系统拓扑结构

（2）指定区域或指定展品开关机：根据需要可通过平板电脑或中控计算机单独控制某区域或任意一键展品的自动开、关机。

（3）应急开关机：系统故障时，管理员通过手动模式控制展品开关机管理。

（4）监测展品开关机状态，并在平板电脑及中控计算机上实时显示。

（5）展品出现异常自动报警提示，预防和及时发现故障，并为展品维护维修提供数据支持，单独显示界面，正常的展品显示绿色，有故障的显示红色。

（6）展品故障处理：可通过无线终端发送展品报警信息给操作人员的同时，给出处理选择，操作人员根据实际情况选择处理方式。（报警信息含有处理报警的建议）。

（7）管理展区及数据库：增加或者去除展区及下属展项，调整名称及相关配置。

（8）管理展品：通过中控计算机或手持客户端增加或者去除展项，调整名称及相关配置。

（9）展品维护时，选择维修选项，该展品处于锁死状态，优先级高于展品的开关机。

（10）大数据记录信息：对一些需要记录体验者信息且信息具有延续性的展品，由中控服务器记录存储。

（11）客流统计分析：通过人流分析系统得出热力图、受欢迎展项列表。并能够对数据进行长期存储及统计分析。

（12）可以实现自定义时间、条件自动开关机。

2 智能中控系统功能实现

一个完善可行的中控系统需具备控制器的标准化、统一化、模块化、可配置、可重构、可实现全馆总体控制与展厅单独控制。需要中控系统能实现整馆展品控制及信息汇总，制定标准化通信协议，各展厅控制系统按照标准协议开发通信接口可接入总控系统。总控系统通过与展厅中控系统通信，实现各展厅展品状态监测、控制展品开关机、通断电等全部控制功能，备份各展厅数据，预留接口，添加新改造展厅的展厅控制系统。总控系统对展厅的控制延迟≤5 s。

2.1 一种适用科技馆展项的通用控制单元系统

现有科技馆展项厂家众多，展项众多，控制规模庞大，接口协议种类多，非标多且大相径庭。

针对上述难点和需求，结合多年的展品制作经验设计一种能基本适用科技馆展品的通用控制单元系统，该系统结构简单、便于扩展、CPU 处理速度快（32 位寄存器）、可靠性强、系统工作稳定，最重要的是与展厅的中控系统采用统一的标准通信协议（Modbus RTU），便于展项乃至展厅升级和数据扩容服务。控制单元结构如图2 所示。

控制单元作为展项控制系统的核心，具有很强的扩展功能，结合设计的扩展模块可以灵活的组装搭配，根据展项的实际功能扩展其相应功能需求。该控制单元核心具备多串口、蓝牙、无线等数据通信功能。

图2 控制单元结构

（1）串口功能：串口1 可以和计算机投影机设备数据通信，串口2 可以和UPS 设备通信，串口3（RS485）可以和终端设备通信，展项数据可上传中控系统。

（2）蓝牙功能：通过蓝牙模块CPU 可以和手机、PAD 等数据交互。

（3）无线功能：通过无线数据模块CPU 可以和外接子设备数据交互，对有些不便于布线的设备可以数据网连接。

（4）LED 显示功能：LED 显示模块可以显示CPU 的运行情况以及设置参数。

（5）输入功能（X0～X7；X8～X15）：控制单元的输入接口可根据展项的输入设备的数量进行配置，选择相应的输入扩展模块，这样可以节约资源节省成本。

（6）输出功能（Y0～Y7；Y8～Y15）：控制单元的输出接口可根据展项的控制设备进行配置，根据设备的电压、电流配置，选择相应输出控制模块或相应的驱动设备。这样可以节约资源节省成本，便于维护和保养。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服电机、步进电机、LED 数码串行显示、语音控制等扩展功能。

2.2 中控网络系统

总控室作为统管展厅设备系统的核心，具有最高的管理权限。中控器通过主控电脑连接网络系统起到桥梁作用。根据展厅实际布局设计网络系统，具备交换机、AP、AC 控制器等设备。实现全展厅覆盖千兆有线及2.4 G 和5 G 无线网络，展厅所有内置图形工作站和工控机的可联网展品使用TCP/IP 协议形成局域网。所有展品与中控室的通信原则上使用无线网络，只有无线网络无法满足需求时使用有线网络联网。

软件系统的运行服务器采用高端的机架式服务器，要求性能高、存储空间大，模块组合、增强的散热系统，可以满足整个系统监控软件的稳定高速运行，同时搭配UPS 保证断电时的数据安全。中控网络拓扑如图3 所示。

图3 中控网络拓扑

2.3 中控软件系统

中控软件系统采用编程语言python 开发，后端开发框架使用的Django，数据库使用SQL Server，前端开发框架使用的是基于METRONIC 的Bootstrap 开发框架，配合Highcharts 提供前端图表显示。使用Ajax 做前后端通信技术，数据格式遵循JSON格式。软件系统流程如图4 所示。

Pad 客户端：安装在Pad 上，提供一键开关机，手动开关机，设备状态监测等业务功能。中控系统管理平台：在PC 上展示供管理人员使用，提供一键开关机，手动开关机，设备状态监测等功能。中控系统接口端统一接入平台：为系统中枢，提供各个外围接口的数据转换和业务处理功能。

图4 中控系统软件流程

2.4 终端控制器

中控系统与连接展品的终端控制器通过标准接口，获得展品的运行状态、开关机状态、通断电状态以及故障等信息，向展品发送开关机，通断电等指令。终端控制器控制流程如图5所示。

图5 终端控制器控制流程

展项中每个用电展项和需要控制的设备都接有线或无线终端控制盒，它具有WiFi 连接功能，能够连接展厅的交换机或无线AP 进行通信，具有接收发送中控系统命令、展品状态监控和预警等功能，通过内部无线网络实现展品开机和关机控制。可实现基础的状态监控和预警[4]。控制盒的主要功能有：①控制展品电源通断；②控制展品内的计算机、投影机等设备统一开机、延时关机功能（计算机需保存数据正常关机、投影机需关机后保持通电一段时间以便散热）；③支持多种通信模块用于计算机等智能设备通信；④具有WiFi 模块及加强天线能够稳定接入中控系统的无线网络；⑤具有应急按钮，以便维修或维护时能脱离中控系统，独立启动或关闭；⑥具有显示模块能直观显示展品运行状态及故障信息；⑦控制终端的尺寸尽量小型化，长度≤250 mm、宽度≤160 mm、高度≤100 mm。

2.5 强电控制器

强电配电房内需要对电控箱进行剩余电流、线缆温度、故障电弧的实时监测及报警，对展区效果灯进行区域化控制和方案预存功能。技术上采用有线控制模块来实现，需要配置专用设备。专用设备明细见表1。

2.5.1 剩余电流、温度监测

PMC-350-F 安装在配电箱中既可作为电气火灾探测器用于对剩余电流、温度及相电流的监控、预警、报警与保护，消除电气火灾隐患，又能对三相全电量进行测量，实现遥测、遥信和遥控等功能。

2.5.2 故障电弧监测

MC-T411 故障电弧探测器按照GB 14287.4—2014《电气火灾监控系统第4 部分：故障电弧探测器》设计，可对电气线路中容易引起火灾发生的串联和并联故障电弧进行有效的监测和报警，本地发出声光报警并将报警信息上传给监控系统或监控设备，及时通知运维人员排除故障，避免因绝缘不良、线路老化、接触不良、连接松动等火灾隐患产生的故障电弧引燃易燃物而造成火灾发生。PMC-T411 故障电弧探测器弥补了现有低压电气设备如断路器以及电气火灾监控中剩余电流、温度监测与报警的不足。

表1 配置专用设备明细

3 结束语

中控是一个复杂的系统，需要各展项公司配合才能做得更好。每个展项需做到展项各设备的开关机和状态反馈、各设备的故障报修代码统计、展项操作的频次统计等功能。采用统一的RS485 接口和标准的通信协议，设计通信协议可采用标准的MOUBUS-RTU 协议。中控系统还需做到容易扩展的功能，比如添加相应的控制终端和网络设备，即可对展品实现控制，其中强电控制室也可进行方便的控制和扩展。如：从一楼扩展到二楼、三楼、四楼。