基于GPRS的電力鐵塔智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張恩鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008;2.棗礦集團(tuán)供電工程處,山東省棗莊市,277011)

基于GPRS的電力鐵塔智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張恩鋒1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008;2.棗礦集團(tuán)供電工程處,山東省棗莊市,277011)

介紹了應(yīng)用GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))無線通訊和先進(jìn)的傳感技術(shù)設(shè)計(jì)的電力鐵塔智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述了監(jiān)控終端的組成、原理以及軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力鐵塔的傾斜角度、振動(dòng)信號(hào)、溫度和濕度、圖像等測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,讓監(jiān)管人員實(shí)時(shí)了解鐵塔的運(yùn)行狀況,對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、監(jiān)視。

電力鐵塔 遠(yuǎn)程監(jiān)控 GPRS TCP/IP 傳感技術(shù)

TD61

A

長(zhǎng)期以來,煤炭礦區(qū)偷盜或人為破壞電力線路、高壓鐵塔的情況不斷發(fā)生。盜拆桿塔的幾米拉線或幾段塔材就可能使其倒塌。同時(shí),線路覆冰、土建施工等一系列不利因素也可能造成桿塔的傾斜甚至倒塌。而電力鐵塔的倒塌會(huì)導(dǎo)致大面積停電,短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù),這損害了煤礦電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行,有時(shí)也會(huì)對(duì)煤礦的供電安全產(chǎn)生危害。另一方面,傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控方式要求值班人員長(zhǎng)期監(jiān)視顯示器屏幕,很難保證長(zhǎng)時(shí)間的完全監(jiān)控。因此,急需采用新的技術(shù)手段,開發(fā)出具有自動(dòng)報(bào)警功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來幫助線路運(yùn)行維護(hù)人員提高工作效率,節(jié)約人力資源。

針對(duì)上述問題,考慮到電力鐵塔點(diǎn)多且分布分散,所處地形、環(huán)境復(fù)雜多樣的特點(diǎn),為了準(zhǔn)確掌握電力鐵塔周圍的情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象,主動(dòng)迅速報(bào)警。本文提出利用GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業(yè)務(wù))無線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)傳感技術(shù)等,開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于GPRS的電力鐵塔智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)力求解決原監(jiān)控系統(tǒng)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)野外電力鐵塔運(yùn)行故障或破壞電力設(shè)施事件的難題,成功實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警,實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)監(jiān)防、智能化管理。

1 GPRS通訊技術(shù)

GPRS是中國(guó)移動(dòng)通過在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入新的硬件設(shè)施和軟件升級(jí)而發(fā)展起來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS經(jīng)常被描述成2.5 G通訊技術(shù),也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代(2 G)和第三代(3 G)移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GGSN可以與互聯(lián)網(wǎng)(Internet)無縫連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,即組成了移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò),為用戶提供語音、短信息、圖像等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率高,實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100 kBit/s,最高可達(dá)到170 kBit/s;“永遠(yuǎn)在線”、透明數(shù)據(jù)傳輸;覆蓋面廣(能使用移動(dòng)電話的地方就有網(wǎng)絡(luò)覆蓋);接入速度快,建立連接時(shí)間平均為2 s;采用按流量收費(fèi)的辦法,收費(fèi)合理,費(fèi)用低。

實(shí)踐證明,GPRS采用分組交換技術(shù),特別適用于頻繁和突發(fā)的小數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸,是電力設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)睦硐脒x擇。

2 基于GPRS的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控管理中心服務(wù)器3大部分組成,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供,所以實(shí)際設(shè)計(jì)過程中主要就智能監(jiān)控終端和上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行研究開發(fā)。

監(jiān)測(cè)終端固定地安裝在電力鐵塔上,實(shí)時(shí)采集電力鐵塔的傾斜角度、振動(dòng)信號(hào)、溫度和濕度等數(shù)據(jù)。GPRS通訊模塊把數(shù)據(jù)分組,先送到GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò),再經(jīng)過TCP/IP協(xié)議傳送到互聯(lián)網(wǎng),最后把現(xiàn)場(chǎng)的語音、抓怕的圖片和其他測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到監(jiān)控管理中心。監(jiān)管人員通過上位機(jī)圖形化界面了解現(xiàn)場(chǎng)終端上傳的信息,可以查詢、記錄、儲(chǔ)存鐵塔的相關(guān)數(shù)據(jù),還可以下發(fā)指令去控制、更改終端的工作狀態(tài),例如解警指令、圖像召喚、設(shè)置參數(shù)等,實(shí)現(xiàn)雙向通信。當(dāng)電力鐵塔周圍出現(xiàn)異常情況時(shí),如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入侵、鐵塔被鋸動(dòng),將主動(dòng)上傳報(bào)警信息,并撥打預(yù)置的手機(jī)號(hào)碼。系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)圖像報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警,從而實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的對(duì)電力鐵塔的24 h監(jiān)測(cè)監(jiān)控和運(yùn)行管理。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)示意圖見圖2。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端組成及原理

3.1 終端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)的硬件組成框圖見圖3。

圖3 終端系統(tǒng)的硬件組成框圖

3.1.1 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)

為了克服8位MCU處理能力的瓶頸,本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32F103VC控制器。它是基于ARM Cortex-M3核心的32位處理器,72 MHz主頻,具有高性能、低功耗、片上集成的外設(shè)資源豐富等特點(diǎn),能夠滿足工控領(lǐng)域要求,具有更快的中斷速度,非常適合于監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)主要包括開關(guān)量I/O接口、探測(cè)器信號(hào)輸入接口、傳感器、GPRS模塊連接、圖像采集卡的RS-485和RS-232接口等?？紤]到高壓鐵塔的電磁場(chǎng)環(huán)境,需要注意主板電路的電磁兼容問題,盡量選用貼片封裝的元器件,PCB板設(shè)計(jì)成4層,做到布線合理,保證電源和信號(hào)的完整性和接地良好。

3.1.2 GPRS通訊模塊

GPRS調(diào)制解調(diào)模塊采用西門子公司生產(chǎn)的SIM 300芯片,它內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議,完全兼容AT指令,提供了9針的標(biāo)準(zhǔn)串行接口與MCU進(jìn)行聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信,可提供GSM短信息、語音和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通信模塊的硬件電路包括電源接口、TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換接口電路、RF射頻天線電路、話音輸入輸出接口,這些外部電路的接口與SIM300芯片60個(gè)引腳的連接部分電路圖見圖4。

3.1.3 傳感探測(cè)器

傾角傳感器用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵塔的傾斜角度(雙軸±60°,精度0.1°),當(dāng)鐵塔傾斜角度超過預(yù)設(shè)值時(shí),終端主機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息,讓巡塔人員及時(shí)去維護(hù),防止鐵塔倒塌。

圖4 GPRS模塊硬件電路圖

振動(dòng)傳感器通過沿鐵塔橫向和縱向兩個(gè)方向,監(jiān)測(cè)鐵塔被敲打、鋸動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)。為了準(zhǔn)確識(shí)別出“鋸”塔行為,我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)做了很多試驗(yàn),收集了相關(guān)數(shù)據(jù),利用傅里葉(FFT)算法對(duì)振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的加速度信號(hào)進(jìn)行變換、分析處理。

傳感器采用RS485數(shù)字信號(hào)輸出,省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,還提高了輸出信號(hào)的抗干擾性。

通過兩個(gè)安裝在鐵塔不同位置的紅外微波探測(cè)器來監(jiān)測(cè)鐵塔下的人體紅外感應(yīng)信號(hào)、動(dòng)物身體紅外感應(yīng)信號(hào),以及電焊、氣焊等切割工具的使用。在監(jiān)防范圍內(nèi),只有兩種探測(cè)技術(shù)同時(shí)觸發(fā)時(shí),才輸出報(bào)警信號(hào)。它既保持了微波探測(cè)器與熱源無關(guān)、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有被動(dòng)紅外探測(cè)器無需照明和亮度要求、可晝夜運(yùn)行的特點(diǎn),大大降低探測(cè)器的誤報(bào)率。

一旦收到振動(dòng)傳感器或紅外微波探測(cè)器觸發(fā)的報(bào)警信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)喇叭播放語音予以警示,監(jiān)控終端立即發(fā)送報(bào)警短信到預(yù)置的值班人員手機(jī)號(hào)碼中,同時(shí)啟動(dòng)紅外攝像機(jī)拍攝下當(dāng)前鐵塔周圍實(shí)景并發(fā)往監(jiān)控中心。

3.1.4 太陽能供電

電源是現(xiàn)場(chǎng)終端硬件組成中非常關(guān)鍵的部分,應(yīng)特別注意。本系統(tǒng)采用太陽能電池板(15 V/30 W)和鋰電池(12 V/20 A)供電,能保證在陰雨天氣持續(xù)半個(gè)月左右的情況下正常供電,解決野外供電難的問題。

系統(tǒng)由+5 V和+12 V電源組成,供單片機(jī)、攝像機(jī)和傳感探測(cè)器等部件使用。同時(shí)為保證供電的持續(xù)可靠,終端裝置內(nèi)部所有電子元器件采用低功耗電路設(shè)計(jì)。

3.1.5 存儲(chǔ)器單元

采用8 M的外部FLASH作為系統(tǒng)外存,保存一些重要的數(shù)據(jù),避免在系統(tǒng)掉電后丟失。主要存儲(chǔ)程序指令、SIM卡號(hào)、監(jiān)控中心IP地址、桿塔ID號(hào)、采集的數(shù)據(jù)等。

3.2 終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件是由主程序、串行數(shù)據(jù)發(fā)送接收子程序、GPRS模塊控制子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等組成。主程序根據(jù)數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)模式來設(shè)計(jì),即主動(dòng)指令觸發(fā)和被動(dòng)異常事件觸發(fā)兩種模式。

3.2.2 GPRS模塊程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過RS-232串行口發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊的工作狀態(tài)。首先需要GPRS模塊進(jìn)行初始化,主要包括設(shè)置監(jiān)控中心站IP地址、檢查SIM卡狀態(tài)、檢查是否是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、設(shè)置心跳信號(hào)間隔時(shí)間等。一切就緒后可以通過發(fā)送ATD撥號(hào)命令進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接,接下來的過程和PC機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)一樣,需執(zhí)行PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議程序,進(jìn)行SIM 300與GGSN的通信鏈路協(xié)商,一旦協(xié)商成功,鏈路TCP/IP建立,SIM 300獲得分配的IP地址并通過GGSN接入因特網(wǎng),實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。GPRS模塊TCP通信程序流程圖見圖5。

圖5 GPRS模塊TCP通信程序流程圖

4 監(jiān)控管理中心

監(jiān)控中心管理信息系統(tǒng)是建立在局域網(wǎng)基礎(chǔ)上的客戶機(jī)/服務(wù)器構(gòu)架,采用C++語言開發(fā),使用Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫軟件。整個(gè)電力鐵塔監(jiān)控平臺(tái)包括網(wǎng)絡(luò)通信程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地圖顯示系統(tǒng)。監(jiān)控平臺(tái)的主界面包括地圖、圖像、列表、報(bào)警、巡檢、查詢、設(shè)置、幫助菜單欄及其子窗口。這些子窗口的設(shè)計(jì)使用了wxWidgets界面編輯工具,它提供了GUI圖形用戶界面,可以大大提高開發(fā)效率。

4.1 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端通訊方式有兩種,即套接字(Socket)通信和串口通信。套接字通信用來從互聯(lián)網(wǎng)上接受終端GPRS模塊發(fā)來的TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。串行通信的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的控制,比如語音、短消息的收發(fā),監(jiān)控中心下發(fā)給終端系統(tǒng)的指令等。

在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信程序的時(shí)候,TCP數(shù)據(jù)包和串行口數(shù)據(jù)的收發(fā)是并行的,而且多個(gè)監(jiān)測(cè)終端可能同時(shí)會(huì)向中心服務(wù)器發(fā)起TCP通信,為保證通信的可靠和高效,采用多線程的程序設(shè)計(jì)思想。

4.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MySQL小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫模型主要圍繞輸電線路和電力鐵塔這兩個(gè)實(shí)體,使用“實(shí)體-聯(lián)系方法”,簡(jiǎn)稱“E-R方法”。數(shù)據(jù)模型主要是關(guān)系模型,數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容是表和視圖。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā),監(jiān)管人員可以通過人機(jī)界面進(jìn)行查詢、分析等各種操作。

4.3 地圖顯示系統(tǒng)

利用OpenGL軟件繪制桿塔地圖,OpenGL是一個(gè)三維的計(jì)算機(jī)圖形模型庫,提供了十多個(gè)生成三維實(shí)體模型輔助函數(shù)。應(yīng)用這些圖形函數(shù)庫能方便地制作出高質(zhì)量的靜止三維彩色圖像。

該方法將桿塔地理信息分別放置在不同的層中,通過調(diào)整視點(diǎn)的位置對(duì)地圖進(jìn)行縮小、放大或顯示特定區(qū)域。結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)桿塔“E-R”方法,可以顯示桿塔自身的ID號(hào)、類型、所屬線路、SIM卡號(hào)。整個(gè)地圖也反映了線路桿塔地圖走向分布。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的多功能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力鐵塔的傾斜角度、振動(dòng)信號(hào)、溫度和濕度、圖像等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸。系統(tǒng)基于主動(dòng)監(jiān)防的理念,將值班人員從傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控工作中解脫出來。目前,該系統(tǒng)已投入使用,能有效遏制偷盜塔材的現(xiàn)象。

[1] 裴冠榮.基于GPRS的電力鐵塔防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[R].北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007

[2] 張水波.Visual C++2008完全學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010

[3] 喬林,費(fèi)正廣.OpenGL程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000

Designing of GPRS-supported smart monitoring system for power towers

Zhang Enfeng1,2

(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangshu 221008,China;2.Power Supply Division,Zaozhuang Mining Group,Zaozhuang,Shandong 277011,China)

The paper describes the use of General Packet Radio Service(GPRS)and advanced sensing technology for designing the smart monitoring system for power towers,focusing on the principle and composition the monitoring terminal and its software/hardware designing.The system conducts real-time acquisition of such measurement data as the angle of inclination of a power tower,vibration signals,temperature/humidity and images,and transmits them to the monitoring center for onsite monitoring of power tower operation.

power tower,remote monitoring,GPRS,TCP/IP,sensing technology

張恩鋒(1963-),1985年畢業(yè)于山東科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè),現(xiàn)任棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司供電工程處總工程師。

(責(zé)任編輯 張艷華)