（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs及gis技术的电力线路远程监控系统.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：p o w e rl i n ei si m p o r t a n te q u i p m e n to fp o w e rs y s t e m s i n c eal o n gp e r i o d ， d e s t r o y i n gp o w e re q u i p m e n tc a s e sb ym a n c a u s e df a c t o ra l w a y so c c u r r e di no u rn a t i o n ， e s p e c i a l l ys t e a l i n gm a t e r i a lo fp o w e r t r a n s m i s s i o nt o w e rc a s e so c c u r r e dm o r ef r e q u e n t l y , w h i c hd a m a g e dt h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e ma n dc a u s e dt r e m e n d o u se c o n o m i cl o s s d u et ot h ep o w e rl i n e sc o v e r i n gab r o a da r e a ，m o s t l yd i s t r i b u t e di nt h ew i l d ，s i m p l yr e l y o nm a n u a li n s p e c t i o n sc a nn o tp r e v e n tt h ed e s t r u c t i o no fp o w e re q u i p m e n ti nt i m ea n d e f f e c t i v e l y b a s e do ns u c hb a c k g r o u n d ，c o n t r a p o s i n gp o w e rl i n e sf o rt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e p a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h ep o w e rl i n er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb ya d o p t i n g g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，o n l i n e m o n i t o r i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，d a t a b a s e sa n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s t h e s y s t e mc a i ld e t e c ta b n o r m i t ya n dd e s t r u c t i o ni nt i m e ，p r e v e n ts e c u r i t yi n c i d e n t so f p o w e rs y s t e m i ti sc o m p o s e do fm o n i t o r i n gt e r m i n a la tt h es c e n e ，g p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi nt h em o n i t o r i n gc e n t e r m o n i t o r i n gt e r m i n a li si n s t a l l e do nt h ep o w e rt r a n s m i s s i o nt o w e r , m o n i t o r st h es t a t eo f p o w e rl i n ea n dp o w e r t r a n s m i s s i o nt o w e r , s e n d sa l a r mi n f o r m a t i o nw h e nt h ea b n o r m i t y a p p e a r e d ；g p r sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e ms e n d si m a g e ，v o i c ea n do t h e rm e a s u r e m e n t d a t at h a tm o n i t o r i n gt e r m i n a lm e a s u r e dt om o n i t o r i n gc e n t e r ；m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mi nt h em o n i t o r i n gc e n t e rp r e s e n t st h e s ed a t at ot h ee n 西n e e r s m o r e o v e r , m o n i t o r i n gt e r m i n a lc a ns e n da l a r ms m s t om o b i l ep h o n e st a k e n b yr e l a t e de n g i n e e r s t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i l ， i n t r o d u c e sc o n t r o lm e t h o d so fg p r sm o d u l e ，v i d e oc o m p r e s s i o nc a r d ，v i d i c o na n ds o o n ；d i s c u s s e sc o m m u n i c a t i o nm o d e a n d s t r a t e g y o fg p r sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ；d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mb yc 撑 l a n g u a g ew i t h n e td e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es y s t e mr e a l i z e sr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h er u n n i n gs t a t eo ft h ep o w e rl i n e 、 p o w e rt r a n s m i s s i o nt o w e r , i m p r o v e st h es t a n d a r do ft h ep o w e rl i n eo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t i tc a nr u ns t a b l ye v e nu n d e rt e r r i b l ec o n d i t i o ni nt h ew i l d k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；g u a r da g a i n s tt h e f t ；g p r s ；g i s ；c j | i ：a d o n e t c i 。a s s n o ：t m 7 2 6 ：t p 2 7 7 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字e t 期：年月日签字日期：年月日 独创性声名 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 7 5 致谢 本论文是在导师王玮教授的悉心指导下完成的。两年来，导师的教诲和关怀 使我受益非浅，特别是导师渊博的学识，严谨的治学态度和平易近人的工作作风 是我终生学习的楷模，借此论文完成之际，谨向导师的辛勤培养表达我最诚挚的 谢意。 王玮老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向王老师表示衷心的谢意。 同样，我还要把感谢送给倪平浩老师。在做科研项目的过程中，倪老师给了 我很大的指导和帮助，使得我能够跨越难关，完成目标。 此外，在实验室工作及撰写论文期间，吴振升老师、王凯、马锋福等同学对 我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友们，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 电力工业是国民经济的重要部门，是国家与人民生活的重要保障，随着我国 近几年经济的快速发展，电力消费和电力生产继续保持较快的增长，我国电力发 展也迈进了大电网，大机组，高电压，高自动化阶段，给电网的安全稳定运行和 安全管理提出了更高的要求。大容量、超特高压、交直流混合，远距离、跨区输 电工程的不断投入运行，电力系统的复杂性明显增加，加强电力系统的安全管理， 提高稳定运行水平显得至关重要。 电力设施担负着生产、输送、分配电力的重要任务，作为电力生产顺利进行 的承载体，是电力在国民经济中发挥命脉作用的关键组成部分，是加快经济建设 和维护公共安全的重要保障。保护电力设施的安全，事关国家经济运行安全、社 会稳定和人民生命财产安全，具有十分重要的意义【l 】。 近年来，外力破坏电力设施的犯罪活动频频发生，大小停电事故不断，给国 民经济和人民生活带来了重大损失和影响。据电监会不完全统计，1 9 9 8 年至2 0 0 2 年，全国盗窃破坏电力设施案件在公安机关立案3 2 9 0 7 起，因盗窃破坏电力设施 累计造成停电次数2 2 万次，停电时间1 1 万小时，少送电量2 亿度，直接经济损 失高达4 4 亿元。虽经各方努力加大打击力度，破坏电力设施的犯罪仍逐年递增， 其中，2 0 0 2 年比1 9 9 8 年各项数据上升了3 0 至5 0 。2 0 0 3 年全国盗窃破坏电力 设施案件在公安机关立案3 1 7 7 1 起，造成直接损失3 1 5 亿元，两项数据均接近1 9 9 8 年至2 0 0 2 年五年之和。2 0 0 3 年盗窃破坏电力设施案件发案率比2 0 0 2 年上升了 1 2 6 7 ，造成损失比2 0 0 2 年增加2 亿元。目前，我国电力设施被盗窃破坏案件仍 在呈上升趋势，被盗电力设施的等级和规模也在不断升级，从停运的不带电设施 到运行的带电设施，从低压设施到高压设施。电力设施的偷盗活动不但严重影响 到电网的安全生产和电力企业的利益，同时也会给社会造成不可估量的损失：仅 盗割架空线路上的几米导线，即可导致一档线路需要更换，而至少需要一天以上 的时间进行修复；而盗走杆塔的几米拉线或几根塔材就可能使杆塔倒塌，使整条 线路瘫痪，更严重的是如果同时碰上一系列不利因素同时出现，还可能造成局部 电网的瓦解，甚至大电网的崩溃。 电力设施覆盖面广，遍布野外，保护起来难度较大，目前有关部门对线路的 日常维护通常的做法是线路工人定期巡线，由于两次巡线时间间隔过长，很难及 北京交通大学硕十论文 时发现的线路器材被盗情况，而不法分子的偷盗活动不易被发现，尤其在野外更 是如此，很难当场抓住，这给公安机关给破案增加了难度。由于种种的社会现实 使得对电力设备的破坏尤其是对线路的偷盗行为破案率极低，从经济学的角度来 说不法分子的犯罪成本较低，这样就可以使得他们有恃无恐，频繁作案，即使打 掉一伙，也会有前赴后继者。电力设施被偷盗对电力企业非常被动，因此，如何 有效地防止电力设施的人为破坏已经成为电力企业需要解决的重要课题。 保护电力设施，不但要做好人防工作，还要做好技防工作，加大科技投入， 逐步推广和应用先进的技防装置，不断提高电力设施的技防水平。科技的投入， 技防水平的提高，不仅能够减少危及电力设施安全的隐患，同时还能够减员增效， 这将成为电力企业当前和今后一个时期的一项重要任务【2 】。 我们的研究工作正是在这样的背景下，基于先进的g p r s 、g i s 、在线监测、 数据库等技术，实现对电力线路、杆塔运行状态的实时监控，力求解决不能及时 发现野外电力设施故障或破坏案件的难题。 1 2 国内外技术现状 1 2 1g p r s 无线通信技术 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入 服务。g p r s 主要在移动用户和远端的数据网络( o n 支持t c p i p ：, x 2 5 等网络) 之 间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。g p r s 与 g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力。g p r s 的特点 如下： ( 1 ) 资源利用率高 在g s m 网络中，g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换 模式的g s m 数据传输方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得 尤为重要。对电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将 独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占 用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利 用率。 ( 2 ) 支持基于标准数据通信协议的应用 g p r s 支持i i l t e m a 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议，这可使g p r s 能 提供h t e r n e t 网络的无线接入，也使得x 2 5 能够在g s m 网络上继续使用。支持 特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允 2 绪论 许s m s ( 短消息业务经) g p r s 无线信道传输。g p r s 的核心网络层采用i p 技术， 底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的i p 网无缝连接。 ( 3 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方 便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 4 ) 传输速率高 g p r s 的数据传输速度可达到5 7 6 k b p s ，最高可达到1 1 5 k b p s 1 7 0 k b p s ，是常用 有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几 倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b p s t 3 1 。这意味着在数年内，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多 媒体应用成为可能。目前中国移动建成的g p r s 网络，用户接入速度大概在 3 0 k b p s - 4 0 k b p s ，支持的理论上最高速率为1 7 1 2 k b p s 。 ( 5 ) 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，实际连接时间一般是3 5 秒【4 】。能提供快 速即时的连接，可大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可 使己有的i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 ( 6 ) 永久的虚拟数据连接 g p r s 将支持广泛使用数据通信协议特别是i p ，用户端可以一直连接在网络 上，请求数据服务前不必重新进行连接。即提供实时在线功能，“实时在线 ，或 叫“永远在线 ，用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直与网 络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。 ( 7 ) 计费合理 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能， 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式 是按照用户接受和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上 也是不收费的【5 1 。 ( 8 ) 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。依据不同终端，数据业务 和语音业务的切换也不同。 目前全世界己有近百个运营商开通了g p r s 商用系统、试商用系统或实验系 统。较为著名的有英国的b t c e l l n e t ，德国的t - m o b i l e ，香港的s m a r t o n e 、台湾 的t s l 等。2 0 0 0 年1 2 月2 1 日，中国移动通信集团公司正式启动称为“移动梦网 的g p r s 网络建设。2 0 0 1 年6 月，中国移动g p r s 一期工程已完成，2 0 0 1 年1 0 月正式投入商用。而随着世界各大运营商g p r s 商用网络的启动，在公安、电力、 北京交通人学硕十论文 电信、交通、市政、铁路等部门，基于g p r s 技术的应用也蓬勃发展起来。 1 2 2 地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一种集计算机科 学、空间科学、信息科学、测绘遥感科学、环境科学和管理科学等学科为一体的 一门新兴综合学科，是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分 析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要 任务的计算机系统【6 。7 1 。g i s 从2 0 世纪6 0 年代出现至今虽然只有短短四十几年的 时间，但已经成为多学科集成并应用于各领域的基础平台，成为地理学空间信息 分析的基本手段和工具。与此同时，众多g i s 厂商推出了各具特色的地理信息系 统软件，使用户在针对自己的实际情况开发实用的地理信息系统时多了几分选择 的余地。地理信息系统特点如下： ( 1 ) 开放性 具有开放式环境及很强的可扩充性和可连接性。g i s 技术支持多种数据库管理 系统，如o r a c l e o ，s y b a s e ，s q l s e r v e r 等大型数据库：运行多种编程语言和开 发工具；支持各类操作系统平台；为各应用系统，如s c a d a ，e m s ，c r m ，e r p , m i s ， o a 等提供标准化接口：可嵌入非专用编程环境。 ( 2 ) 先进性 g i s 平台采用与世界同步的计算机图形技术、数据库技术、网络技术以及地理 信息处理技术。系统设计采用目前最新技术，支持远程数据和图纸查询，利用系 统提供的强大图表输出功能，可以直接打印地图、统计报表、各类数据等。可分 层控制图纸、无级缩放、支持漫游、直接选择定位等功能。系统具备完善的测量 工具，现场勘查数据，线路杆塔等设备的初步设计，并可直接进行线路设备迁移 与相关计算等，实现线路辅助设计与设备档案修改。具有线路的方位或区域分析 判断功能，为用户提供可靠的辅助决策，综合统计分析，为管理决策人员提供依 据。特别是把可视化技术和移动办公技术纳入g i s 系统的总体设计范围。地图精 度高，省级地图的比例尺达到l ：1 0 0 0 0 或1 ：5 0 0 0 ，市级地图比例尺达到l ：1 0 0 0 或1 ：5 0 0 ，地图能分层显示山川、水系、道路、建筑物、行政区域等。 ( 3 ) 发展性 在应用开发过程中，考虑系统成功后进一步发展，包括维护性扩展功能和与 其它应用系统的接口与整合的方便。开发工具一般采用j 2 e e ，x m l 等。 地理信息系统已经在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、交通、 能源、电力、通信、林业、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、 4 绪论 军事、运输与导航、报警系统、公共汽车高度等方面得到了广泛应用。 1 3 课题主要的研究内容 课题的研究涉及单片机、数字图像采集与处理、传感器、g p r s 无线通信、地 理信息系统、数据库、程序设计等技术，是多种技术的综合应用。从系统的总体 设计来看，本课题主要研究了以下三个方面的内容： ( 1 ) 现场监测终端的设计 现场监测终端主要由单片机控制系统、监测传感器，电源系统、图像采集系 统、g p r s 通讯模块组成。需要解决的主要问题有：单片机对g p r s 通讯模块，视 频采集卡、云台，摄像机的控制；对传感器采集的数据的判断和处理；将采集的 数据和图像通过g p r s 模块发送到监控中心；根据监控中心的遥控指令对各设备 进行控制操作。 ( 2 ) g p r s 无线通讯系统的设计 g p r s 无线通讯系统是监控中心与监测终端之间的数据传输的桥梁。需要解决 的问题有：确定系统通讯方案、制定应用层通信协议、设计系统通信策略、实现 现场图像、语音和其它测量数据及时上传。 ( 3 ) 监控中心管理信息系统的设计 监控中心管理信息系统通过g p r s 通讯系统与现场监测终端进行通信，将得 到现场数据进行解析、贮存和管理。需要解决的问题有：编程语言的选择、数据 库的设计、地理信息系统的开发、通讯服务器的开发、界面的设计和各种功能的 实现。 系统的总体设计 2 系统的总体设计 2 1 系统的设计原则 ( 1 ) 先进性 系统在设计中不但采用在目前具有领先地位的技术，而且采用的技术具有深 厚的发展潜力，在未来相当长的时间内仍能保持其领先地位而不至于被淘汰；除 技术的先进性以外，还应坚持系统设计方法和工具的先进性。 ( 2 ) 实用性 目前国内针对高压线路杆塔被破坏、被偷盗的情况，实施了一些采取机械加 固等手段的防范措施，这些方法属于被动式的监防，当线路杆塔被破坏、被偷盗 时，无法及时发现、不是很实用。系统在设计中采用主动监防的思想，力争很好 的解决这些难题，并通过功能强大的管理信息系统提高整个电力线路状态运行管 理的水平。 ( 3 ) 经济性 系统设计要在先进实用的基础上做到最经济，以最小的投入获得最大的效益。 在硬件和软件配置、系统开发和数据库建立上都充分考虑投入和经济效益，同时 最大限度利用已有资源和现有部分设备，在性能最好的情况下尽量做到成本最低。 ( 4 ) 可靠性 考虑到系统运行条件比较恶劣，系统在硬件设计上应该选用工业级芯片，部 分关键部位考虑采用军品级；要采取有效的抗干扰措施来应对现场的电磁干扰； 在系统出现故障时能够迅速恢复并有适当的应急措施。 ( 5 ) 开放性 由于信息技术发展非常之快，硬件更新换代迅速，性能价格比不断跃升，软 件版本升级也非常快，平均几个月就有新的版本推出。系统的开发过程中要考虑 将来的业务发展、变化。为了减少重复投资，系统设计完成后应该能方便地升级， 简易、平滑地扩充系统规模、系统功能、系统数据库等。 2 2 系统的总体结构 本系统由现场监测终端、g p r s 无线通讯系统和监控中心管理信息系统三大 部分构成。监测终端安装在电力杆塔上，实施对线路和杆塔状态的实时监控，采 集、分析、记录、上传线路和杆塔的状态、图像、语音信息供监控中心查询，并 7 北京交通人学硕十论文 在出现异常事件时主动上传报警信息；g p r s 无线通讯系统是豁控中心与监测终端 之间的数据传输的桥梁，g p r s 通讯系统以t c p 数据包、s m s 通信两种方式把现 场的图像、语音和其它测量数据及时传送到监控中心；监控中心管理信息系统采 用c s 模式，是用c n e t 语占开发的基于m a p o b j e c t s 和s q l 2 0 0 0 的w i n d o w s 应用程序，它通过g p r s 通讯系统与现场监测终端进行双向通信，将得到的繁杂 的现场数据进行解析、贮存和管理，并通过可视化地理信息界面将信息传达给监 管人员，让监控中心的监管人员足不出户即可了解远方电力线路实时的状况。此 外，监测终端还可以在电力线路出现异常时将报警信息直接发送到相关人员的手 机上，从而使相关人员能及时了解到现场的情况并在最快时间赶到现场。系统的 结构图如图l 所示。 图2 1 系统结构图 痧召 i 夏1 最基站 2 3 系统的特点 匦嬲嘲 f i g 2 1s t r u c t u r eo ft h es y s t e m ( 1 ) 图形化管理界面 系统监控中心运用地理信息技术、数据压缩存储技术、数据库查询管理、无 线通讯收发技术，在线实施对线路杆塔的监防及对实时报警信息和历史报警信息 综合管理。 ( 2 ) 灵敏度高、误报率低 系统对现场信息采用多种传感器同时采集，监测终端对监测信息进行实时、 综合处理，只有确实是实施了破坏行为时，才启动报警功能。可保证对杆塔及周 鍪墨 系统的总体设计 围信息的监测可靠、灵敏，误报率低。 ( 3 ) 识别能力强、漏报率低 系统采用的多种传感器能对各种破坏行为进行监测和识别， 行智能判断，可确保杆塔在遭受不同方式的破坏时均能被监测、 漏报情况的发生。 ( 4 ) 能传送图像语音信息 系统可向监控中心传送线路杆塔的图像及周围的语音信息， 方监控中心直接监视、监听杆塔现场的情况，及时发现问题。 ( 5 ) 无线通信 再经组合判据进 识别到，避免了 管理人员可在远 系统采用无线通信方式，无需单设通信网络，实施方便、设备简便，实现监 控中心与现场监测终端间信息的实时传送。 ( 6 ) 自报警功能 当监测终端遭到蓄意破坏，以及出现由于电源不足等情况时，监测终端会自 动将报警信息上传给监控中心，监控中心可及时了解监测终端的现场运行状况。 ( 7 ) 安装调试方便 安装时直接可通过手机在杆塔下对报警功能进行闭锁或启用控制，可通过无 线遥控器实现在杆塔下对监测终端的复位。 ( 8 ) 高可靠电源管理 采用蓄电池储能独立式光伏供电系统，具有较高的稳定性及较高的效率，具 备过流、低压等完善的保护措施。 ( 9 ) 低功耗设计 监测终端采用低功耗设计，保证在无日照情况下正常运行7 天。 ( 1 0 ) 野外环境适应能力强 采用工业级元件可用于恶劣环境。 9 监测终端的设计 3 监测终塥_ i l l 的设计 3 1 监测终端的硬件组成 系统的硬件主要由i n t e l 单片机、摄像机、嵌入式视频采集卡、云台、g p r s 通讯模块、多种监测传感器，太阳能电池等构成。在硬件平台的设计中选用了低 功耗的器件，系统的静态功耗较低。其结构框图如图3 1 所示。 图3 一l 监测终端结构框图 f i g3 1s t r u c t u r eo ft h em e a s u r es y s t e m 3 2 主要器件的介绍 3 2 1 单片机8 0 c 19 6 k b 8 1 8 0 c 1 9 6 k b 是i n t e l 公司推出的1 6 位单片机，它是m c s 系列中的一种。 8 0 c 1 9 6 k b 具有性能高，功能全，价格低廉，使用方便，接口容易等优点。特点如 下： 高性能c p u ：寄存器文件结构，不存在使用累加器时的瓶颈现象。指 令可按位、字节、字操作； 多路1 0 位a d 转换器； 北京交通人学硕+ 论文 p w m 脉宽调制输出； 自带波特率发生器的全双工串口； 高速输入高速输出h s u h s o ； 丰富的中断功能，8 个中断向量，多个中断源； 1 6 位程序监视定时器( w a t c h d o g ) ： 两个1 6 位定时器； 1 6 位结构； 丰富高效的指令系列。 3 2 2 摄像机 图3 - 28 0 c 1 9 6 k b 管脚图 f i g3 - 28 0 c 1 9 6 k bp i nf i g u e r 摄像机是整个图像监测终端中重要的组成部件。摄像机的主要传感部件是c c d ( 电耦合器件) ，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗振动、抗磁场、体积小、 无残影等特点0 1 。摄像机种类繁多，按照不同的划分方法，分类如下： 1 2 监测终端的设计 ( 1 ) 依成像色彩划分可分为彩色摄像机和黑白摄像机。彩色摄像机：适用于 景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。黑白摄像机：适用于光线不充足地区 及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄 像机。 ( 2 ) 依分辨率灵敏度等划分，可分为一般型摄像机和高分辨率型摄像机。影 像像素在3 8 万以下的为一般型，影像像素在3 8 万以上的高分辨率型。 ( 3 ) 按c c d 靶面大小划分，c c d 芯片已经开发出多种尺寸：目前采用的芯片 大多数为1 3 ”和1 4 ”。c c d 靶面的大小，c c d 与镜头的配合情况将直接影响视场 角的大小和图像的清晰度。 ( 4 ) 按扫描制式划分，可分为p a l 制和n t s c 制。我国采用隔行扫描( p a l ) 制式，标准为6 2 5 行，5 0 场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。 ( 5 ) 依供电电源划分l l o v a c ( n t s c 制式多属此类) ，2 2 0 v a c ，2 4 v a c 。1 2 v d c 或9 v d c ( 微型摄像机多属此类) 。 ( 6 ) 按照度划分，c c d 又分为普通型、月光型、星光型和红外型。普通型， 正常工作所需照度l - - - 3 l u x ；月光型，正常工作所需照度0 1 l u x 左右；星光型， 正常工作所需照度0 0 1 l u x 以下；红外型，采用红外灯照明，在没有光线的情况 下也可以成像。 ( 7 ) 按外观分：有机板型、针孔型和半球型。 c c d 摄像机的主要技术指标包括：c c d 尺寸、c c d 像素、水平分辨率、最小照 度( 灵敏度) 、扫描制式、摄像机电源、信噪比、视频输出和镜头安装方式等。 根据系统设计所要求摄像机安装的地点、环境和安装方式等，采用彩色防水 一体化摄像机。摄像机采用直流1 2 v 电源供电，其主要参数如下： 成像器件：1 3 s o n yc c d ； 信号系统：输出信号为p a l n t s c 制式信号； 水平解析度：4 2 0 t v l ； 最低照度：o l u x f 1 2 ； 信噪比：4 8 d b 。 3 2 3 视频采集卡 摄像机采集的p a l 信号是模拟信号，无法直接传输，需将摄像机采集的p a l 制式模拟信号转为数字信号才能进行传输。实现图像采集压缩，采用视频采集卡。 视频采集卡采用标准的r s 2 3 2 串口，可以直接与p c 机或单片机系统等接口。 本系统中单片机通过串口向视频采集卡发送控制命令，而视频采集卡向主机发送 北京交通大学硕+ 论文 j p g 图像文件。视频采集卡适用于各种嵌入式图像采集处理系统，如远程监控、移 动式监控、网络图像服务器、远程抄表、远程设备维护、工业可视电话、数字图 像记录、智能仪器仪表等领域。可应用于电力、水利、医疗、教育、公安、工业 控制等多种行业。其主要特性有： 输入4 路p a l 制式模拟视频信号； r s 2 3 2 串口输出j p g 图像文件； 支持亮度、对比度、色饱和度调整；支持1 5 种图像分辨率； 支持1 2 种图像压缩比； 串口速度可设定为2 4 0 0 - - 2 3 0 4 0 0 b p s ；串口支持r t s c t s 硬件流控； 单5 v 供电； 优秀的抗干扰性能和稳定性； 高性能和低价格的静止图像采集方案。 3 2 4 云台 系统中摄像机的方位主要是通过控制云台实现，云台是由两个电机组成的安 装平台，可以水平和垂直的运动。云台种类繁多，按照不同的划分方法，分类如 下： ( 1 ) 按照工作电压分为交流定速云台和直流变速云台。交流云台使用的是交 流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4 。秒6 。秒，垂直转动速度为 3 。秒6 。秒，交流型高速云台可以达到水平1 5 。秒，垂直9 。秒；直流型云 台大都采用的是直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速 捕捉目标的场合。其水平最高转速可达4 0 - 5 0 。秒，垂直可达1 0 2 4 。秒，另 外直流型云台都具有变速功能。 ( 2 ) 按使用环境分为室内型和室外型，主要区别是室外型密封性能好、防水、 防尘、负载大。 ( 3 ) 按外形分为普通型和球型，球型云台是把云台安置在一个半球形、球形 防护罩中，除了防止灰尘干扰图像外，还隐蔽、美观、快速。 根据系统设计所要求，采用直流室外云台。云台采用直流1 2 v 电源供电，其 主要特性如下： 旋转速度：水平4 8 。秒，垂直4 3 。秒； 旋转范围：水平0 。一3 5 6 。，垂直：7 0 。7 0 。； 采用特殊设计的蜗轮杆传动装置，抗震、抗冲击； 选用高性能电机，运行平稳，瞬时无抖动； 1 4 监测终端的设计 内置稳定装置克服了垂直转动自然下垂的缺点。 3 2 5w a v e c o m q 2 4 0 6 bg s m g p r s 模块 w a v e c o m q 2 4 0 6 bg s m g p r s 模块是由w a v e c o m 公司生产的一款高性能的无 线通通讯模块，它体积小，重量轻，功能全，支持r s 2 3 2 接口，支持a t 指令， 如图3 3 所示。主要特性： 支持g p r sc l a s s1 0 ； 双波段g s m g p r s 组件( 8 5 0 1 9 0 0m h z 或者9 0 0 18 0 0 m h z ； g s mc l a s s la n dc l a s s2g r o u p3 传真； 支持s m s ，t e x t ，p d u ，点对点和蜂窝广播； 支持语音通话； 支持g s m 非同步数据电路，最高速率可达1 4 4 k b p s ； 内嵌t c p i p 协议； 提供高级管理功能，包括：实时时钟、同历、电话薄管理，报警管理。 图3 - 3 w a v e e o m q 2 4 0 6 bg s m g p r s 模块 f i g3 - 3w a v e c o m q 2 4 0 6 bg s m g p r sm o d u l e 3 3 监测终端的软件 3 3 1 单片机程序整体设计 监测终端的单片机控制软件由主程序，串行数据接收子程序，串行数据发送 子程序，监测数据处理子程序等组成。软件设计主要依据数据采集的触发模式。 根据系统设计要求，数据采集的触发模式主要有两种：主动请求触发和被动检测 触发。其中主动请求触发模式即指令触发，被动检测触发模式即指事件触发，其 详细内容见表3 1 。系统软件全部采用汇编语言编写 8 1 。 鍪激鐾 北京交通大学硕+ 论文 表3 i 触发模式 t a b3 1t r i g g e rm o d e 触发模式描述 指令触发当接收到指令时，采集发送数据 事件触发当有异常事件时，采集发送数据 3 3 2 云台和摄像机控制程序设计 单片机通过解码器来控制云台和摄像机，实现对摄像机方位，焦距，视角， 光圈等的调整。单片机通过r s 一4 8 5 数据口向解码器发送控制指令，控制协议采用 通用的p e l c o d 传输控制协议。p e l c o d 协议格式见表3 2 。 表3 - 2p e l c o d 协议帧格式 t a b 3 2s t r u c t u r eo fp e l c o dp r o t o c o lf r a m e b y t e1b y t e 2b y t e3b y t e 4b y t e5b y t e 6b y t e7 同步字地址码命令字1命令字2数据1数据2校验码 p e l c o d 协议所有的值都是用的1 6 进制表示，同步字通常都是0 xf f 。地 址码是指设备的逻辑地址，命令字l 和命令字2 内容见表3 3 。s e n c e 码与b i t 4 和 b i t 3 有关。在b i t 4 和b i t 3 为1 的情况下，如果s e n c e 码为1 ，则命令就是自动扫 描和和摄像机打开；如果s e n c e 码为0 ，则命令就是手动扫描和摄像机关闭。当然 如果b i t 4 或b i t 3 为0 的话那命令就无效了。数据l 表示镜头左右平移的速度，数 值从0 x 0 0 ( 停止) 到0 x 3 f ( 高速) ，另外还有一个值是0 x f f ，表示最高速。数据2 表 示镜头上下移动的速度，数值从0 x 0 0 ( 停止) 到0 x 3 f ( 最高速) 。校验码是b y t e 2 到 b 叭e 6 这5 个数的异或值( x o r ) 。以地址码0 x 0 1 为例，给出部分控制指令： 云台向上移动命令为： 0 x f f , 0 x 01 ，0 x 0 0 ，0 x 0 8 ，0 x 0 0 ，o x f f , 0 x 0 8 云台向下移动命令为： 0 x f f , 0 x 0 1 ，0 x 0 0 ，0 x 1 0 ，0 x 0 0 ，o x f f , o x l o 摄像机拉近焦距的命令为： 0 x f f , 0 x 0 1 ，0 x 0 0 ，0 x 8 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 8 1 ， 摄像机拉远焦距的命令为： 0 x f f , 0 x 0 1 ，0 x 0 1 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 2 停止命令： 0 x f f ，0 x 0 1 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 1 ) 1 6 监测终端的设计 表3 - 3 命令字内容 t a b 3 - 3c o n t e n t o fc o m m a n dw o r d 命令字l 命令字2 b i t7s e n c e 码 焦距拉远 b i t6为0 视角变宽 b i t5 为0视角变窄 b i t 4 自动手动扫描上 b i t3摄像机打开关闭下 b i t2 光圈关闭左 b “l 光圈打开右 b i to焦距拉近为0 3 3 3 视频采集卡控制程序设计 单片机通过r s 2 3 2 数据口发送固定格式的指令控制视频采集卡，其程序流程 图如图4 8 所示。 图3 4 图像采集发送流程图 f i g3 - 4f l o wc h a r to f p i c t u r ec o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n 1 7 北京交通人学硕十论文 单片机发送给视频采集卡的控制命令总共有1 2 条，其中包括设定串口波特率， 压缩图像，发送图像等命令，详细的命令结构见表3 4 。 命令的长度均为6 个字节，前2 个字节为帧头，第3 ，4 字节为命令码，用来 区分不同的命令，第5 ，6 字节为命令参数，参数的值必须符合约定，否则该命令 将被丢弃。第4 字节是第3 字节的重复，第6 字节是第5 字节的重复，用作校验。 压缩后得到的图像文件总是以0 x f f + 0 x d 8 开始，以0 x f f + o x d 9 结刺“】。 表3 _ 4 控制命令结构 t a b3 - 4s t r u c t u r eo fc o n t r o lc o m m a n d 命令结构 命令号 命令名 帧头命令码参数 o 设定串口波特率0 x f f ，0 x e l0 x 5 0 ，o x 5 0p a r o ，p a r o l请求庸答o x f f ，0 x e l0 x 5 l ，o x 5 lp a r 0 ，p a r o 2切换视频输入o x f f ，0 x e lo x 5 2 ，o x 5 2p i a r 0 ，p a r o 3设定亮度0 x f f ，0 x e l0 x 5 3 ，o x 5 3p 久r 0 ，p a r 0 4 设定对比度 0 x f f ，0 x e l0 x 5 4 ，0 x 5 4p a r 0 ，p a r o 5 设定色饱和度 0 x f f ，0 x e l0 x 5 5 ，0 x 5 5p a r o ，p a r 0 6 压缩图像 o x f f ，0 x e lo x 5 6 ，0 x 5 6n 螂，p a r 0 7 发传图像 o x f f ，0 x e l0 x 5 7 ，0 x 5 7p a r 0 ，n u 如 8 压缩并发送图像 0 x f f ，o x e l0 x 5 8 ，0 x 5 8p a r 0 ，p a r o 9发送指定页 0 x f f ，0 x e lo x 5 9 ，o x 5 9n u 如，p a r o 1 0进入自动发送模式 0 x f f ，0 x e l0 x 5 a ，0 x 5 an r 0 ，p a i 如 1 1退出自动发送模式 0 x f f ，0 x e l0 x 5 b ，0 x 5 bn 6 d ，p