電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 楊

（國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

1 研究目的及意義

蓄能電廠的作用主要是作為源頭和承載體讓電力輸送順利進(jìn)行。一般處于離城區(qū)較遠(yuǎn)的山區(qū)，并且部分配電變壓器和電纜等電力設(shè)備遠(yuǎn)離辦公區(qū)，這也導(dǎo)致了對(duì)它的看護(hù)措施和巡檢難以照顧周全，配電變壓器和電纜等設(shè)備的防盜措施也很難成功實(shí)施。電力設(shè)備遭到破壞不僅損害了人民的利益，還給電力企業(yè)和電力使用部門帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 報(bào)警器的分類及其介紹

2.1 被動(dòng)式紅外傳感器

被動(dòng)式紅外傳感技術(shù)能最高效率地將飄落的物體和正處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的生物體（人）劃分界限并區(qū)分開來，原因是紅外光敏器件能接收到活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再集中進(jìn)行放大、處理。與此同時(shí)還具有誤報(bào)率低、抗干擾能力強(qiáng)、監(jiān)控范圍大、隱蔽性好等諸多特點(diǎn)。信息處理，光學(xué)系統(tǒng)和紅外傳感器3個(gè)獨(dú)立部分組成了被動(dòng)式紅外入侵報(bào)警器，被動(dòng)式紅外入侵報(bào)警器也叫做熱釋電紅外入侵報(bào)警器。它由折射式、反射式和透射式3種光學(xué)系統(tǒng)與之相輔相成。在這三者之中，靈敏度最高的還屬反射式光學(xué)系統(tǒng)，只要處于25~60 m的距離之間，均可以探測(cè)到信號(hào)；其次是折射式的靈敏度，處于中間水平，既不居高也不偏低，它集成了透射式和反射式的優(yōu)缺點(diǎn)。最后是透射式的靈敏度，它在這三者之中處于最低水平，它的探測(cè)距離較短，僅僅處于2~10 m之間，這是它的不足所在。

2.2 主動(dòng)式紅外探測(cè)器

主動(dòng)式紅外探測(cè)器由3個(gè)不同的部分組成，分別是報(bào)警控制器、紅外發(fā)射機(jī)、紅外接收機(jī)。光學(xué)透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中一般放置于收、發(fā)端位置，它能將發(fā)散的紅外光束聚焦成集中的平行光束，從而能夠使紅外光的能量更集中的傳送。紅外光是人眼所不可見的，有物體經(jīng)過，必然會(huì)遮擋住部分或者全部紅外光束。紅外光束被遮擋會(huì)影響到接收端輸出的電信號(hào)強(qiáng)度，其強(qiáng)度發(fā)生變化，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。主動(dòng)式紅外探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)一定要注意維護(hù)保養(yǎng)，使其保持絕對(duì)的清潔。主動(dòng)式探測(cè)器所探測(cè)的不是一個(gè)面的范圍，而是點(diǎn)到點(diǎn)的范圍。探測(cè)可靠性高是主動(dòng)式紅外探測(cè)器主要特點(diǎn)。但它也有不足的一面，若布防探測(cè)的范圍是相對(duì)較廣的空間，則需要同時(shí)安裝多個(gè)主動(dòng)式探測(cè)器，安裝價(jià)格會(huì)大大的升高。個(gè)人用戶不常用主動(dòng)式探測(cè)器，一般用在離城區(qū)較遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)的配電變壓器和電纜等電力設(shè)備上。

3 整體電路的設(shè)計(jì)

本文的電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制和報(bào)警系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行控制，通過傳感器檢測(cè)信號(hào)，并傳輸，然后再發(fā)送報(bào)警信息，從而達(dá)到防盜效果。傳統(tǒng)的電力設(shè)備智能防盜防破壞報(bào)警器由于只能在裝置安裝處發(fā)出警報(bào)，不能將情況遠(yuǎn)程發(fā)送到接收端，從而導(dǎo)致違規(guī)違法行為不能得到及時(shí)有效的制止。同時(shí)其還因存在裝配難度較大而備受局限。本設(shè)計(jì)的智能控制報(bào)警系統(tǒng)通過傳感器采集人體位置、震感和失電這3個(gè)信息，經(jīng)由單片機(jī)控制、輸出，觸發(fā)報(bào)警聲和警示燈，然后再由通信模塊向維護(hù)人員、值班人員、巡檢人員發(fā)出警示信息。它共有5個(gè)主要組成模塊，分別為GPRS GA6通信模塊、失電傳感器模塊、主控單片機(jī)、振動(dòng)傳感器模塊和人體紅外感應(yīng)傳感器模塊。

一個(gè)系統(tǒng)的變壓器作為支持輸配電工作的關(guān)鍵點(diǎn)，是至關(guān)重要的，一旦變壓器被損壞或被盜，電廠機(jī)組工作就會(huì)被迫中斷，毫無預(yù)備的停止工作會(huì)造成機(jī)組整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路的致命性損壞。本設(shè)計(jì)主要由軟件和硬件兩個(gè)部分組成。共有單片機(jī)控制、GSM短信模塊報(bào)警數(shù)據(jù)采集等3個(gè)子模塊。振動(dòng)傳感器、熱釋電紅外傳感器、單片機(jī)控制電路、GSM短信模塊及相關(guān)的控制管理軟件組成了它的結(jié)構(gòu)。用戶終端可利用它實(shí)現(xiàn)信息的采集與處理、數(shù)據(jù)的傳送、短信報(bào)警等作用，完成相應(yīng)防范功能。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)中的處理器采用了51系列單片機(jī)STC89C51。系統(tǒng)軟件控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作。人體輻射的紅外光譜散發(fā)出來后被設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的紅外探頭采集到，其信號(hào)就會(huì)被變換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路、比較電路處理送至門限開關(guān)，打開門限閥后把TTL 電平送至51單片機(jī)。此系統(tǒng)接收到振動(dòng)信號(hào)，傳導(dǎo)到單片機(jī)內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行查詢、識(shí)別、判斷。驅(qū)動(dòng)電路需將控制信號(hào)放大實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。當(dāng)報(bào)警已經(jīng)延遲20 s或一段時(shí)間后還檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)和人體信號(hào)，事先設(shè)定好的用戶就會(huì)收到推動(dòng)GSM模塊發(fā)送的報(bào)警信息，同時(shí)報(bào)警信號(hào)也可經(jīng)人工手動(dòng)解除，當(dāng)警情消除后系統(tǒng)會(huì)借助復(fù)位電路復(fù)位。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 最小系統(tǒng)

STC89C51單片機(jī)是集成電路芯片上集成了各種元件的微型計(jì)算機(jī)，作為中央處理系統(tǒng)。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

此類芯片組成的最小系統(tǒng)具有精簡(jiǎn)、信賴度強(qiáng)的特點(diǎn)。在使用時(shí)只要連接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就可正常運(yùn)行，如圖3示。因?yàn)榧啥鹊募s束，最小應(yīng)用系統(tǒng)僅可用于某些小型的控制單元。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖

4.2 人體紅外采集電路設(shè)計(jì)

物體產(chǎn)生紅外光譜的條件是溫度高于絕對(duì)溫度（-273℃），溫度的高低，影響其釋放的紅外能量波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，所以紅外波長(zhǎng)與溫度的高低息息相關(guān)。

熱釋電紅外傳感器(PIR)和菲涅爾透鏡作為被動(dòng)紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性元件，其中熱釋電紅外傳感器(PIR)可將處于8~12 μm之間波長(zhǎng)的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，同時(shí)具有抑制自然界中的白光信號(hào)的功能，所以在警戒區(qū)域無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是背景溫度，當(dāng)警戒區(qū)域有人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器通過菲涅爾透鏡能感應(yīng)到背景溫度與人體溫度兩者的溫度差異。

菲涅爾透鏡可由反射式和折射式兩種形式相輔相成。具有聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，警戒區(qū)域被劃分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，電信號(hào)由此產(chǎn)生。

人體在恒定體溫（37 ℃）時(shí)，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)在10 μm左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭的作用就是探測(cè)人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線，它將人體發(fā)射的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。熱釋電元件在接收到人體紅外輻射變化溫度時(shí)會(huì)發(fā)生失去電荷平衡的現(xiàn)象，隨后向外界釋放電荷，報(bào)警信號(hào)由后續(xù)電路檢測(cè)處理后產(chǎn)生。

圖4 人體感應(yīng)模塊電路圖

4.3 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)主要包含兩種方式：一種內(nèi)部形成，二為外部形成。如圖5顯示。存在于STC89C51單片機(jī)里的振蕩電路，僅用于單片機(jī) XTAL1（18）和 XTAL2（19）引腳外接石英晶體（簡(jiǎn)稱晶振），在組成自激振蕩器的同時(shí)于單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。此部分電路中相關(guān)電容具有穩(wěn)定頻率與快速起振的功能，電容值為5~30 pF，一般值是30 pF。晶振CYS的振蕩頻率限制在1.2~12 MHz，一般值在6 MHz與12 MHz。

圖5 STC89C51復(fù)位電路

4.4 聲光報(bào)警模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所包含的報(bào)警電路，在布防的狀態(tài)下檢測(cè)到設(shè)定信號(hào)時(shí)，蜂鳴器 LED亮起同時(shí)發(fā)聲報(bào)警，直至管理人員按下撤防，才會(huì)停止發(fā)聲報(bào)警。產(chǎn)品利用三極管作為開關(guān)電路既有保護(hù)單片機(jī)本身的作用，也有放大電流的作用，此外當(dāng)三極管基極高電平，發(fā)射極可以及時(shí)截止，低電平時(shí)，發(fā)射極還可以導(dǎo)通。報(bào)警模塊如圖6所示。

圖6 聲光報(bào)警模塊

4.5 振動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)的振動(dòng)模塊采用SW-420常閉型振動(dòng)傳感器，與常開型的振動(dòng)傳感器相比，它所需的觸發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)。正常工作電壓在3.3~5 V之間，采用數(shù)字量輸出，一旦檢測(cè)到震感，振動(dòng)開關(guān)自動(dòng)斷開。本設(shè)計(jì)通過主控單片機(jī)來檢測(cè)該模塊輸出電平的高低，由此來鑒別監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)是否有震感，從而達(dá)到報(bào)警的作用。SW-420常閉型振動(dòng)傳感器的電路圖如圖7所示。

圖7 SW-420振動(dòng)傳感器電路圖

4.6 SIM900A模塊

數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵木褪荊SM通信模塊。當(dāng)然，SIM900A也有很多的優(yōu)勢(shì)，它除了可以安全快速可靠地進(jìn)行語言傳輸，系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、短消息服務(wù)（Short Message Service）之外，還可以進(jìn)行傳真。

5 結(jié)論

本文利用具有單片機(jī)控制、GSM短信模塊報(bào)警、數(shù)據(jù)采集等3個(gè)子模塊。振動(dòng)傳感器、熱釋電紅外傳感器、單片機(jī)控制電路、GSM短信模塊及相關(guān)的控制管理軟件組成了它的結(jié)構(gòu)。用戶終端可利用它實(shí)現(xiàn)信息的采集與處理、數(shù)據(jù)的傳送、短信報(bào)警等作用，完成相應(yīng)防范功能。

處理器采用了51系列單片機(jī)STC89C51。系統(tǒng)軟件控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作。其中主動(dòng)式紅外探測(cè)器和被動(dòng)式紅外傳感技術(shù)能最高效率地將飄落的物體和正處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的生物體(人)劃分界限并區(qū)分開來，原因是紅外光敏器件能接收到活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再集中進(jìn)行放大，處理。本設(shè)計(jì)的振動(dòng)模塊采用SW-420常閉型振動(dòng)傳感器，通過主控單片機(jī)來檢測(cè)該模塊輸出電平的高低，由此來鑒別監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)是否有震感，從而達(dá)到報(bào)警的作用。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵氖荊SM通信模塊?？梢园踩焖倏煽康剡M(jìn)行語言傳輸，系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、短消息服務(wù)（Short Message Service）之外，也可以進(jìn)行傳真?？傊?，提高電力設(shè)備防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以減少配電變壓器和電纜等電力設(shè)備被人為偷竊或其他因素的破壞現(xiàn)象，保證電力設(shè)備和用電安全。