ETC門架系統一體化智能機柜-
綜合監控系統

技術方案

深圳市中聯創新自控系統有限公司
2019年7月

目錄
1. 項目背景	2
2. 項目概況	4
3. 建設內容	4
4. 系統設計	5
4.1. 設計原則	5
4.2. 設計依據	6
4.3. 系統架構	6
5. 設備監控	7
6. 系統功能	8
6.1. 界面功能	8
6.2. 告警管理	16
6.3. 北向接口	16
7. 組網方案	16
8. 技術優勢	17
8.1. 硬件設備可靠	17
8.2. 數據采集精準	17
8.3. 數據采集快速	19
8.4. 系統快速部署	19

1.項目背景
2019年6月14日，*人民共和國交通運輸部公路科學研究院在北京國家會議中心召開“科技成果發布會”，中交國通公司發布了ETC門架系統一體化智能機柜產品。
ETC門架系統一體化智能機柜的研發需求源自于李**在2019年***工作報告中提出的要深化收費公路制度改革，兩年內基本取消全國高速公路省界收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵，便利群眾。目前交通運輸行業正在全力推進此項重大任務。
5月16日《深化收費公路制度改革取消高速公路省界收費站實施方案》，5月下旬，交通部又印發了《關于大力推動高速公路ETC發展應用工作的通知》，目前交通運輸行業正在全力推進此項重大任務；正在有序地進行升級改造，優先解決高速公路省界收費站，部署ETC智能門架系統；其次解決高速公路出入口收費站，實現不停車快捷收費，減少擁堵。
  
一、ETC門架系統一體化柜簡介
ETC門架系統，需要吊裝在露天的高速公路上，ETC門架系統的一體化柜也安裝在門架旁，一體化柜需適應各種復雜氣候環境：暴曬、防塵防水、防潮濕、防霉變、防鹽霧、防銹，要抗風、抗震。如下圖所示：
 
ETC門架系統一體化柜也叫ETC戶外一體化柜（簡稱:ETC一體化柜），其主要為門架車道控制機、工業交換機、收費系統PC等設備提供一體化收容和為門架設備提供可靠供備電，**路側關鍵生產設備的可靠運行。根據業務需求選擇合適空間的戶外機柜，常見的如下圖：
  
為了給高速公路收費系統提供可靠的支撐，戶外柜將配置UPS電源及電池設備、空調設備、配電設備、網絡傳輸設備、環境監控設備。如下圖所示：
 
ETC業務設備有：收費系統PC、車道控制器、天線控制器、RSU（Road Side Unit）設備等。
2.項目概況
本項設計為“ETC門架系統一體化智能機柜”提供配套的一體化監控系統。在解決方案層面采用**、可靠的動環系統產品，實現以下四個目標：
?提供穩定可靠的動力環境監控系統。
?為運維管理提供有效的信息。
?具有可擴展性，可與第三方平臺對接。
?節省運維管理費用，達到短期投資長期受益的目的。
3.建設內容
動環監控系統涉及的監控對象包括：
序號	監控對象	數量	接口特性	備注
1	鋰電池包	2	RS485	電池包自帶BMS
2	UPS電源	1	RS485	或者48VDC開關電源+逆變器組合
3	柜門式空調	1	RS485	
4	網絡交換機	1	SNMP	
5	智能PDU	1	SNMP/RS485	
6	配電單元	1	RS485	
7	溫濕度傳感器	1	RS485	
8	煙感傳感器	1	DI	
9	水浸傳感器	1	DI	
10	智能機柜鎖	2	RS485	
11	門磁傳感器	1	DI	
12	200W紅外攝像頭	1	TCP	
13	聲光報警器	1	DO	告警聯動輸出
14	12VDC柜內LED燈	1	DO	燈光聯動：門開燈亮、門關燈滅
15	震動傳感器	1	DI	(選配)



4.系統設計
4.1.設計原則
1)**性：采用國際、國內流行的**技術，適應技術發展需求；
2)成熟性：以實用為原則，采用成熟的經過工程檢驗的**技術；
3)適用性：注重系統功能的適用性，不片面強調系統功能的多樣性，使構建的系統具有高的性價比；
4)開放性：采用開放的技術標準，能支持任意網絡設備和任意廠商產品；
5)標準化：采用標準化的設計，優先選用標準化產品；
6)可擴展性：本工程應考慮到未來發展，在設計布線系統時應充分考慮系統的擴充、升級能力；方案具有平滑的擴容和升級能力，以適應建設方業務發展和管理的需要。
7)安全性及可靠性：采用嚴格的、安全的可靠性措施。**系統正常運行、信息傳遞的安全及運行的可靠；
8)易管理、易維護性：應充分考慮到管理維護的可視化、層次化，應真正做到系統所有資源狀況一目了然。能充分**將設備故障控制在盡可能小的范圍內，不影響故障設備之外的設備和系統，**各系統正常運行。
9)所選的室外設備，除滿足室外防水、防塵以及防雷要求外，必須考慮較端低溫和高溫的影響，**設備在此較端溫度時能夠正常工作。
10)開放的數據接口，監控系統未來考慮與其他監控系統的互聯。


4.2.設計依據
整個系統的建設要遵循有關國家標準和國際標準，滿足但不限于以下技術標準及規范：
編號	標     準	名     稱	備注
1.	GB50174-2017	《電子信息系統機房設計規范》	
2.	GB50462-2015	《電子信息系統機房施工及驗收規范》	
3.	GB50311-2007	《綜合布線系統工程設計規范》	
4.	GB50312-2007	《綜合布線系統工程驗收規范》	
5.	GA/T75-94	《安全防范工程程序與要求》	
6.	GA/T74-2000	《安全防范系統通用圖形符號》	
7.	(GB50116-2008)	《火災自動報警系統設計規范》	
8.	GB20815-2006	《視頻安防監控數字錄像設備》	
9.	GB50395-2007	《視頻安防監控系統工程設計規范》	
10.	GB50396-2007	《出入口控制系統工程設計規范》	
11.	GA/T644-2006	《電子巡查系統技術要求》	

4.3.系統架構


如圖示，單套系統由數據采集層、一體化數據采集器、展示層組成。
一、數據采集層
由單個機柜內的采集傳感器、被監控的對象組成。其中：
?UPS、精密空調、智能機柜鎖通過RS485接入一體化數據采集器；
?漏水（DI）、煙感（DI）、門磁（DI）、電鎖（DO）、溫濕度（RS485）接入一體化數據采集器；
二、一體化數據采集器
接入機柜內的傳感器和智能設備，實現數據采集、解析、存儲、上傳，完成單個機柜的設備環境監控管理，提供頁面展示、告警管理、報表管理等功能。具備以下特點：
?穩定可用：嵌入式主機采用ARM Cortex A9 32位處理器，eMMC內嵌式存儲器，無機械硬盤設計，減少存儲器故障。整機低功耗、穩定性好，可勝任-40~85℃寬溫工作環境。
?功能豐富：LINUX操作系統，采用底端協議解析，實現數據采集、解析、存儲、轉發、報警、配置管理，支持web瀏覽器顯示監控組態界面
?獨立系統：可外接工業屏作或KVM為一個獨立的本地動環系統使用，支持北向接口上傳DCIM/動環。
?便捷管理：同時接入動環、門禁、視頻、報警設備等，組網管理更輕松、便捷。
?運行穩定：基于ARM架構的嵌入式設計，10年+無故障運行。
?配置便捷：采用Web遠程配置，簡單培訓可上手，配置文件一鍵導出復制。
?維護便捷：RJ45接線口支持供電，減少布線、安裝便捷、、上電自動下載配置信息。
?支持北向接口（如SNMP），可向第三方平臺提供數據接口。
三、展示層
?一體化數據采集器支持Web訪問界面。
?一體化數據采集器支持HDMI/VGA通過KVM查看本地界面。

5.設備監控
UPS	通過 UPS 的智能接口獲取數據。監測內容包括：輸入相電壓、輸出相電壓、旁路相電壓、輸入相電流、輸出相電流、旁路相電流、輸出頻率、系統負載、電池充電程度、電池后備時間、 輸入電壓越限、輸出電壓越限、輸出頻率越限、過載、電池工作模式、旁路工作模式、系統報警、整流器報警、逆變器報警、關機、旁路電壓**限等。
電池包	通過 電池包 的智能接口獲取數據。監測內容包括：電壓、電流、剩余容量、溫度等。
配電柜	通過配電柜的智能接口獲取數據。監測內容包括電壓、進出線電流、零線電流、電壓諧波、進出線電流諧波、進線漏電流、進出線有功電能、開關狀態等。
空調	通過空調的智能接口獲取數據。監控內容包括：
1、空調機組啟停控制及運行狀態顯示，過載報警監測，送、回風溫度監測，室內外溫、濕度監測，過濾器狀態顯示及報警，風機故障報警；
2、冷(熱)水流量調節，加濕器控制，風閥調節，風機、風閥、調節閥連鎖控制，室內空氣品質監測，(寒冷地區)防凍控制，送回風機組與消防系統聯動控制。
3、針對精密空調，主要監測其開、關狀態、送風溫度/濕度、回風溫度/濕度參數；遠程控制其開、關機。
4、針對普通空調，主要監測其開、關機狀態，控制其開、關機，溫度設置；根據實際情況需要，可考慮其來電自啟動功能。
漏水	部署漏水探測器，主要是監測有水源區域的漏水情況。一旦漏水發生，及時準確地檢測到并通過監控系統發出報警；同時可聯動排水設備排水，如聯動進出水管的電磁閥開、關。
溫濕度	監測機柜內環境溫度、濕度值。
煙感	監測機柜內的煙霧告警。
門磁	監測所有機柜的門磁開關狀態。
視頻	主要拍攝機柜正門的實時畫面，可設定與門禁開門/告警的聯動抓拍。

6.系統功能
6.1.界面功能
6.1.1.系統首頁
展示單柜/多柜的重要運行參數，空間/電力設計上限；當前告警；監控對象通訊狀態等。


監控界面顯示內容：
1.UPS負載率
2.UPS電壓和電流 
3.空調運行數量
4.空調送風及回風溫度
5.環境溫度，環境濕度
6.IT負荷，市電負荷，制冷負荷
7.安全運行天數，設備通訊異常數量
8.實時PUE，實時總功率，實時IT功率，PUE曲線
9.總電能，IT電能，其他電能及柱形圖

6.1.2.電力拓撲
展示當前單柜/多柜 的受電、饋電線路路由及各節點主要電力參數。




監控界面顯示內容：
1.市電輸入電壓、電流、頻率，電能，功率負載率，電流負載率
2.配電圖
3.各個IT支路的電壓，電流，功率

6.1.3.設備視圖
主要設備的監控畫面。包括：UPS、空調、溫濕度、煙感等。
?UPS監控界面




監控界面顯示內容：
1.UPS輸入輸出參數(可修改，包括但不限于電壓，電流，功率，頻率，負載率等)
2.UPS重要狀態信息(可修改)
3.UPS拓撲圖
4.電池組總電壓，總電流
5.電池組每節電池電壓，內阻，溫度柱形圖及數據表格

?空調監控界面

監控界面顯示內容：
1.回風溫度
2.送風溫度
3.回風濕度
4.空調狀態信息（包括但不限于機組運行方式，風機運行狀態等）
5.空調開關機
6.空調詳細參數（包括但不限于風機轉速，壓縮機轉速等）
7.空調設置參數（包括但不限于回風溫度設定，送風溫度設定，回風高溫告警等）

?環境監控界面

監控界面顯示內容：
1.溫濕度
2.漏水，應急風扇，煙感等設備狀態。

6.1.4.告警記錄
任意時間段的告警記錄，包括：告警名稱、產生時間、結束時間、確認時間。

監控界面顯示內容：
1.全部告警
2.告警類別分類
3.已確認告警
4.門禁事件

6.1.5.歷史數據
提供告警、運行數據等歷史報表數據查詢。



監控界面顯示內容：
1.各個設備的歷史告警
2.歷史數據曲線圖
3.攝像頭抓拍圖片

6.1.6.系統配置

系統支持本地設置，支持如下功能：
1.查看系統版本，授權信息
2.設備在線狀態
3.設備具體設備點值
4.短信告警及郵箱告警設置
5.門禁設置
6.采集器IP設置

6.2.告警管理
告警通知：界面、短信（預留）。
告警等級：系統支持多級告警（一般告警、重要告警、緊急告警）。
告警抓拍：可設定告警聯動視頻抓拍，例如：門禁被暴力打開時，系統會自動聯動攝像機進行抓拍。
告警展示：告警等級、告警描述、產生時間。
6.3.北向接口
系統內置北向服務，根據規范要求（默認提供SNMP接口），選取需要上傳的點值即可。
7.組網方案
本項目將與各運營商合作，由運營商提供各個一體化柜接入網絡，實現與總監控中心的互聯互通。
現場的接入網纖將有以下形式：光纖專線、4G、寬帶等

8.技術優勢
8.1.硬件設備可靠
本項目中選用的一體化數據采集器具備較佳的穩定性，單臺設備可確保無故障運行**過10年。一體化數據采集器作為整套系統底層的數據源頭對接的設備，考慮到監控對象→一體化數據采集器之間是單一連接，一體化數據采集器的穩定性非常重要。
本項目采用ARM一體化數據采集器，具備以下技術特征：
?高可靠設計：一體化數據采集器主板采用一體化ARM架構設計，整機功耗小于12W。控制器端口支持 4KV/2KA國家4類防雷標準；高標準防潮防塵處理；全端口過流、過壓、防反接、防錯接保護。
?雙看門狗、雙時鐘：雙看門狗設計確保一體化數據采集器在運行中**死機、數據**中斷。
?電信級標準：工作環境滿足溫度：-40~85°C，相對濕度：5%~95%。
?底層設備協議解析，支撐整體系統的基礎數據解析，降低中心數據處理壓力。
?底端離線報警技術，網絡中斷后報警依然可通過底端設備離線發送，解除報警對平臺的依賴性，提升底端設備智能水平，強化系統可靠性。
?ARM一體化數據采集器對比X86一體化數據采集器：


8.2.數據采集精準
ARM一體化數據采集器具備“數字濾波+信號時間戳+離線存儲+斷點續傳”多種數據處理機制，確保監控系統對數據采集更精準。
?數字濾波
ARM一體化數據采集器支持數字濾波，自動將采集數據中的干攏因素過濾，免除了外界干擾數據被采集后造成的系統誤報、漏報頻發。
?信號時間戳（區別中心平臺信號時間戳）
一體化數據采集器自帶“時間戳”功能，一體化數據采集器對每次查詢值（RS485/DI/AI/SNMP接入設備信號）附加一個“時間戳”并上傳至中心。
?離線存儲、斷點續傳
一體化數據采集器支持本地數據存儲，即使網絡中斷也不影響數據采集；網絡恢復，自動同步本地數據。
?采用“數字濾波+信號時間戳+離線存儲+斷點續傳”的價值體現：
（1）.解決因網絡中斷導致的數據追溯不準確的問題
舉例說明：若在中心平臺對所有信號添加時間戳，在出現網絡中斷故障及恢復后，系統會出現大批量類似下圖的歷史數據曲線。

原因：在采用中心平臺信號時間戳的情況下，網絡通訊中斷期間，電表數據無法上傳，待通訊恢復后數據再次上傳，中心平臺以當前接收到的用電量呈現并存入歷史數據，導致曲線出現斷崖式下跌和增長， 實際情況應該是一條平滑的直線。
（2）.解決數據相對時間軸的滯后問題
即使在網絡通訊正常的情況下，考慮到設備到中心平臺的信號延時，采用中心平臺對信號添加時間戳，其結果數據與時間的匹配上存在滯后。反之，采用一體化數據采集器信號時間戳的方案可解決這一難題。
（3）.識別“僵尸設備”和“無效數據”
通過計算傳感器數據最后一次更新時間與當前時間差值是否在系統設置的設備采集周期范圍內，來判斷設備數據是否真實，更快速地識別“僵尸設備”和“無效數據”。
（4）.減少數據延遲導致的“誤報”
現象：在平臺上看到的一條“實時告警”，到現場去看設備，告警早已結束了（由于信號傳輸延遲+中心平臺時間戳導致）。時間戳解決：在一體化數據采集器點值上傳帶時間戳，滿足告警條件時，以點值的時間戳為告警產生時間，從而減少人工現場確認。
8.3.數據采集快速
系統在數據采集層考慮采用信號頭**時、數據濾波、的技術，確保設備到采集層的采集速度在5秒以內。
?設備-一體化數據采集器：信號頭**時
一體化數據采集器內置Modbus采集指令做了優化，在采集指令中增加了“信號頭**時”功能：對每一個串口下的每個地址設備反饋的數據做時長校驗，設定主機在發送單條采集指令后開始計時0.1秒，**過0.1秒后再向下一個地址的設備下發采集指令直至完成整個串口的輪詢。對比常規情況，通過0.1秒的時長校驗替換響應等待（常規串口輪詢過程中，若串口下單個備因自身故障無法反饋數據，那么此次一體化數據采集器的采集命令就一直卡著等待數據），較終實現更快的數據采集。優勢體現在：
?單總線采集速度更快；
?單總線多個手拉手設備中，不因單個設備數據中斷導致整條總線數據無法采集；
?更快速地識別掉線設備（3秒內識別）。
?數據主動上傳機制
系統可自定義更新區間范圍，對于采集的數值在區間范圍內變化的則不上傳給服務器，只有在區間范圍外的數值才會主動上傳給服務器，以節省帶寬資源和降低服務器硬盤頻繁的讀寫率。例如：1個溫濕度傳感器，如果這個溫濕度傳感器的溫度/濕度在連續24小時內幾乎*變化，在這種情況下，一體化數據采集器*實時上報溫濕度數據，中心平臺默認以上一次的溫度/濕度值進行記錄存儲。

8.4.系統快速部署
1、現場快速交付
系統由我方根據項目需求配置完成后，提供“配置文件”，現場安裝人員將配置文件導入一體化數據采集器即可完成1套智能機柜的配置。其它相同配置的智能機柜，批量復制即可完成快速配置。

2、現場快速維護
針對系統硬件的故障維護，現場更換采集器，重新加載原配置文件即可。

深圳市中聯創新自控系統有限公司成立于2001年，是一家專業研發、生產、銷售各種接口轉換器的高科技公司。根據顧客的不同需求，我們為顧客提供各種串口聯網的專業而個性化的解決方案。公司成立以來，擁有一支強大的科研隊伍，制造出高可靠性的數據聯網產品。我們始終如一地追求**、高科技的專業服務品牌形象，以顧客需求為導向。 
  
公司產品已廣泛應用于各行各業，如各種門禁/考勤系統, 一卡通系統, 安防網絡監控系統, 工業/流程控管系統, 醫療/實驗儀器控管系統, 生產設備控管系統、通訊系統等。 業務范圍擴展到華南、華北、華東、東北、西北等全國各大地區，以及中國香港、新加坡等國外市場，贏得客戶高度信任。

公司將秉承“以科技為**，以市場為導向”，為用戶提供更多、較方便、較**的高科技產品。