（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs的电力铁塔防盗监测系统.pdf

北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：s a l t yp o s i t i o no fo u rc o u n t r ya b o u te l e c t r i cp o w e ri ss t a b i l ea saw h o l e i nr e c e n ty e a r s b u ts o m es t a t e sa l w a y so c c u r r e d ，s u c ha ss t e a l i n ga n dd e s t r o y i n g e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n tw h i c h d a m a g e dt h es e c u r i t yo fs y s t e ma n dc a u s e dt r e m e n d o u s e c o n o m i cl o s s t h et a s ko fe l e c t r i c a lp o w e re q u i p m e n tp r o t e c t e dn e e d si n c r e a s i n g t e c h n o l o g i c a ld e v o t i o n ，p o p u l a r i z i n g ，a p p l y i n ga d v a n c e dg u a r da g a i n s tt h e f ts y s t e ms t e p b ys t e pa n dp e o p l e sd e f e n s e t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do ns u c hb a c k g r o u n d i ti saf a c tt h a tt h ep o w e rs t e e lt o w e r i sa l w a y sf a ra w a yf r o mt h ec i t ya n dh a sab a dt r a n s p o r t a t i o na n dt e l e c o m m u n i c a t i o n c o n d i t i o n a c c o r d i n gt o t h ef a c tm e n t i o n e da b o v e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eh a v e d e v e l o p e do n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r sr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，i n o r d e rt om a s t e rt h ec i r c u m s t a n c eo fp o w e rs t e e lt o w e ra n dd i s c o v e rt h ed e s t r u c t i o n i n o r d e rt om a k ei tm o r ef l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t ，w em a d eu s eo fg p r sn e t w o r kr e s o u r c e s ， t a k i n ga d v a n t a g eo fw i d ec o v e r i n g , g o o dt r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，ac o n v e n i e n t w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r df o rp r e s e n ts y s t e m t h em c u s e n dc o l l e c t i n gc o m m a n dt op i c t u r ec o l l e c t i n gm o d u l ea n dt r a n s m i tt od a t am o n i t o r i n g c e n t e r a c c o r d i n gt ot r i t e c hd e t e c t o r sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，s m s m e s s a g ea l s o b es e n tt o p i c t u r ec o l l e c t i n gm o d u l ec o n t r o l l e db ym c ut oc o l l e c t e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o na b o u tp o w e rs t e e lt o w e r 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 。t h e e m p h a s i si si n t r o d u c e dh o wt r i t e c hd e t e c t o rm o n i t o r , p i c t u r ed a t at r a n s m i t ，g p r s m o d u l ec o n n e c tt ot h ei n t e r n e tv i aa tc o m m a n da n dt r a n s m i td a t a r e a l i z er e a l t i m e m o n i t o r i n ga n dm a n a g ep i c t u r ed a t a t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e w t y p eo fp o w e rs t e e lt o w e rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a n dr e a l i z e st h ew h o l e s y s t e md e s i g n t h et e s ts h o w st h a te a c hc h a r a c t e r i s t i cm e e t st h e r e q u i r e m e n t so ft h eo r i g i n a ld e s i g n k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；g p r s ；m i c r o c o n t r o l t e r ：w i n s o c kc o n t r o l s ：w e b d a t a b a s e ；a s p c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 3 2 ：t p 3 6 8 1 北京交通火硕士论文 图与附表清单 图2 - 1 系统组成示意图6 图2 - 2 终端硬件设备框架图7 图3 - 1 覆盖区域1 2 图3 - 2v c 3 1 2 接口图1 4 图3 3p i c l 6 c 6 3 引脚图 图3 - 4 芯片结构图1 8 图3 5 指令流水线结构示意图1 9 图3 - 6g p r s 通信系统结构图2 1 图3 7g p r s 模块引脚图2 6 图3 8 单片机供电电源变换2 7 图3 - 9c p u 控制供电2 7 图3 1 0 电源转换。2 8 图3 1 1 系统串行接口图 图4 - 1 系统程序流程图 2 8 3 1 图4 - 2t x s t a 寄存器的数据位定义3 1 图4 3r c s t a 寄存器的数据位定义3 2 图4 4 串行数据发送流程图3 4 图4 5 串行数据接收流程图3 5 图4 - 6 编译环境 图4 7 软件模拟器m p l a b s i m 3 6 图4 8 图像采集发送流程图3 7 图4 - 9g p r s 接入i n t e m e t 的原理示意图4 0 图4 1 0 协议层模型4 1 图4 1 1t c p 连接流程图4 3 图4 1 2 短信控制程序流程图4 5 图5 - 1 实时监测界面4 7 图5 2 数据接收程序流程5 0 图5 3b s 结构5 2 图5 4a s p 工作流程图5 3 图与附表清单 图5 5 网站构架图5 4 图5 - 6 网站首页图5 4 图5 7 系统查询页面 图5 8 图像查询流程图 ：；! ； 5 6 表3 - 1l e d 指示情况1 2 表3 - 2 寄存器b a n k 编号。1 9 表3 - 3 程序分页编号。 表3 - 4 引脚功能表 表4 - 1 触发模式 表4 2 寄存器的设置 表4 3 控制命令结构。 ：! ( ) ：! ：； 3 0 3 4 表4 4 参数p a r 0 与波特率对应关系3 9 表4 5 通信模式的控制 表5 1 图像查询系统流程图 4 5 5 5 致谢 本论文的工作是在我的导师李杏春教授的悉心指导下完成的，李杏春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李老师对我的关心和指导。 李杏春教授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，在此向李老师表示衷心的谢意。 李杏春教授和实验室王占国老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，郭宏榆、才永胜等同学对我论文中系统设计 和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人我的父亲和母亲，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、超高压、交直流混合、长距离输电工程的 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。电力设施安全 保护是保障供用电安全和维护社会公共安全的主要内容，事关国家经济运行安全、 社会稳定和人民生命财产安全。 近年来，电力企业通过广泛开展电力设施保护宣传，积极实施电力设施的人 防工作，配合公安机关打击各种盗窃和破坏电力设施的违法犯罪行为，有效地预 防和减少了盗窃和破坏电力设施的案件的发生，较好地保证了电网的安全稳定运 行。但是，由于电力设施点多、面广、线长，盗窃、破坏电力设施的违法犯罪行 为以及人为损坏电力设施的情况时有发生，甚至在某些方面呈上升势头。这不仅 威胁到电网的安全运行，严重的随时可能引发电网安全事故，甚至大面积停电事 故，关系到经济发展的大局，还可能会造成人民生命财产的损失( 例如人身触电 引起的事故，用电不当引起的火灾事故等) 和社会的不安定( 例如大面积的停电 事故) 。 当前，高压输配电线路设施被盗情况时有发生，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， 从一次盗割几十米线路发展到一次盗割几百米甚至上千米。盗窃方式也由单独作 案发展到团伙作案，由偶然作案发展到专业作案。据统计，2 0 0 3 年上半年，国家 电网公司系统破坏电力设备案件立案已达1 3 8 6 2 起，比2 0 0 2 年同期上升逾1 1 。 2 0 0 5 年第一季度，仅肇庆市发生电力设施被盗破坏案件1 0 9 宗，被盗农网线路3 7 1 7 千米、城网线路2 5 6 千米、变压器2 台、塔材5 2 件，造成倒杆4 4 基，直接经济 损失3 9 6 7 3 3 万元。尤其是农网改造完成后，由于农网财产所有权的变更，乡村不 愿意投入过多人力、物力参与电网管理，造成电力设施被盗案件日益严重。对一 北京交通人学硕七论文 些经济欠发达的乡村来说，电力设施被盗后由于短时问内无法筹集资金及时修复， 不但人为增加了农民群众的负担，堡给农村和农民造成了更大的经济损失。掘不 完全统计，去年以来我国电力系统共发生偷盗破坏电力设施案件近5 万起，造成 直接经济损失近2 亿元，由此带来的电量损失和间接经济损失不计其数，已成为 电网安全的重要隐患1 1 1 。 由于电力设施覆盖面广，遍布野外，保护起来难道较大，且人工巡查等防范 措施还跟不上形势发展的需要，而犯罪分子的作案工具、通讯工具、交通工具却 越来越先进，并具有专业性，隐蔽性强，不容易被发现，造成调查取证难，破案 难，防不胜防。另外，电力设备被盗窃破坏案件多属流窜人员作案，加上销赃点 分散，犯罪分子把盗窃、冶炼、运输销赃形成“一条龙”，况且地方公安几乎警力 有限，办案经费短缺，案发现场又极易遭到破坏，这些都使得案件破案率较低， 一些犯罪分子长期得不到法律应有的惩罚。此外，有些单位或个人受经济利益驱 动，仍非法收购电力设施器材，这使得犯罪分子偷盗的电力设施器材有“销路”， 盗窃行为也因此得不到有效制止。因此，如何有效地防止电力设施的人为破坏就 成为电力企业的一个重要内容。 保护电力设施，不仅要加大宣传力度，营造强大的舆论氛围；努力协调好与 公安、司法等部门的关系，加大查处和打击盗窃、破坏电力设施违法行为的力度； 做好人防工作，进一步建立和完善护线组织，提高专业护线队伍的整体素质，建 立电力设施保护工作组织网络，组织护线队伍，加强巡视，明确责任，到点到位， 及早发现问题，及时处理。此外，还要做好技防工作，加大科技投入，逐步推广 和应用先进的防盗技术装置，不断提高电力设旋的技防水平。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，必 将成为电力企业当前和今后一个时期的一项重要任务。 我们所做的工作正足基于这样的背景产生的，方案充分利用了移动g p r s 网 络的广域覆盖、一次连接即保持在线的特性，实现了电力铁塔设备防盗的远程监 控。方案的实施，帮助电力系统节约了大量的人力、物力、财力，在降低投入成 本的同时，取得了更好的效果。 1 2 国内外现状 随着计算机技术的发展，尤其是i n t e r n e t 技术广泛深入到人们生活的各个方面， 使人们的生活发生了深刻的变化。就监控领域来讲，由于需要监控的区域广、监 控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，而 且存在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数 绪论 据，如果采用有线监控方式，需要进行大量的布线工作则是不经济、不合理的， 这就推动了无线通信的技术在远程监控领域的发展。g p r s 作为现有g s m 网络向 第三代移动通信演变的过渡技术( 2 5 g ) ，在远程突发性数据实时传输中有不可比 拟的优势。 基于g p r s 的远程监控系统是集现代无线通信技术、信号采集技术以及计算 机网络技术为一体的现代监控系统，已经成为现代监控领域发展的新趋势。现在 很多国内外企业都利用g p r s 数据传输网络进行现场数据的监测。在工业现场利 用各种传感器进行信号采集或对设备已存在的数据或模拟信号进行分析，g p r s m o d e m 可通过标准接口与各种数据采集仪表相连，在正常工作模式下g p r s 传 输模块将仪器仪表的数据通过移动通信分组网络传递给数据管理服务器，数据服 务器可通过d d n 专线、a d s l 、i s d n 连接等形式连接到企业内部网络上，在控制 中心的服务器上建立一个中央数据库，对收到的数据进行整理贮存，产生相应的 报表和指示。 g p r s 作为一个开发的业务平台，有着广泛的行业应用。目前，利用它的数据 传输特性，已经有几种行业应用1 2 i 。 ( 1 ) 发散数据的采集。适用于采集点分散，而数据需要远距离传送并集中处理 的行业，如电力、水利、石油、燃气、交通、环保等行业，仅以电力行业为例， 传统的电力抄表都是人工抄表，电能表分布广泛，势必会付出大量的人工成本， 而且效率低下，准确度不高，而利用g p r s 功能在电能表内嵌g p r s 模块，可根 据指令将采集到的数据信息通过分组技术，经过短信中心完成存储和转发功能， 管理中心收集到数据后进行统计和计算，实现了远程数据采集的自动化，降低了 企业成本，提高了可靠性和实时性。 ( 2 ) 智能公交管理。目前的公交管理自动化程度较低，主要依靠调度中心按照 时刻表进行调度，而市民等站不能掌握车辆到站的具体时间，很不方便。在采用 智能调度系统后，以g p s 和g p r s 相结合的移动终端，实时的向调度中心汇报自 己的位置，根据调度中心对整体运营车辆收集的数据进行处理和安排，再由调度 中心发布到动态电子站牌上，使得市民对车辆运行位置和到站时间了如指掌，方 便了市民的出行，同时公交系统也提高了工作效率，减少了能源消耗，改善了服 务。 ( 3 ) 实时信息查询。g p r s 应用在税务、公安、交通等部门，便于在巡查过程 中及时的进行信息的查询与核对，进行现场办公，缩短了处理时间，提高了工作 效率。 ( 4 ) 车辆安全。在车辆上安装g p s + g p r s 模块，使得管理中心实时的掌握车 辆的位置信息，为汽车的救援服务和防盗抢案件的侦破提供了有效的手段。 3 北京交通大学硕士论文 ( 5 1 银行交易。传统的银行p o s 机是通过有线方式与银行联网，速度慢且不 方便，而具备g p r s 功能的无线p o s 机，摆脱了线路的束缚，具有体积小巧、携 带方便、速度快等优点，特别适合于现场办公和上门收费的各种服务。 ( 6 ) 家居智能化。当g p r s 应用走入家庭的时候，用手机或电脑实现家电和安 保系统的远程控制已不再是梦想，g p r s 使家居生活智能化成为现实。 随着电网的管理也逐步向自动化、综合化、集中化、智能化方向发展，图像 监控系统也逐步走进电力行业，作为电网管理手段的进一步补充和完善。根据文 献资料调查，将g p r s 技术应用于电力系统在国内基本处于研制阶段，且大部分 研究都应用于电力设备状态的监控，未见大范围推广应用及产品出售。特别对于 电力铁塔等电力设备的防盗研究还很少。 1 3课题研究的目标和意义 通观整个课题内容，本课题主要实现以下目标：针对电力铁塔设备大多数远 离城市地广人稀，交通通信等设施较为落后的现状，通过三技术探测器监测电力 铁塔设备的情况。 系统设计充分利用单片机集成度高、运行可靠、价格低廉等特点，作为整个 系统的主控芯片，结合三技术探测器的监测电平变化信号，实时地发现铁塔有人 入侵情况，控制图像采集模块采集图像信息。然后利用覆盖面广，技术成熟的g p r s 通信技术，将图像数据发送到监测中心，并同时发送警告短信，及时发现盗拆铁 塔等行为。 本课题的研究从电力铁塔塔材被盗现象日益严重的实际情况出发，在电力铁 塔塔材被盗时，及时向监控中心发送采集的图像信息，以便电力部门及时采取措 施，从而避免或减少电力设施盗窃破坏事件的发生，防止铁塔倒塌等恶性事件的 发生，保障电力设备的安全。总之，本课题研究的意义在于不断促进电力系统更 安全、更可靠的运行，节约人力资源，满足未来电力系统自动化发展的需要。 1 4 课题主要的研究内容 该项目的研发是多学科技术的综合应用，涉及的相关技术包括g p r s 通信技 术，单片机技术，程序设计等。综合来看，本课题主要研究了以下三个方面的内 容： ( 1 ) 监测终端硬件设计：监测终端由采集控制模块组成。该采集控制模块主要 有单片机、探测器、视频图像压缩卡等硬件。采集控制模块通过r s 2 3 2 接口与 4 绪论 g p r s 模块相连，作为整个监测系统的基础，以实现图像的采集压缩，并发送至监 测中心；还可以将监测中心发送的遥控指令传给采集控制模块，对设备进行控制 操作。 ( 2 ) 监测终端软件设计：监测终端同时作为g p r s 网络终端设备，以g p r s 通 信技术和单片机技术为核心。采用单片机作为监测终端的主控芯片，通过正确的 a t 指令，实现g p r s 的初始化和基于g p r s 业务的数据收发功能。此外，通过单 片机的编程控制，实现系统的铁塔防盗监测、图像采集压缩、图像传输、短信报 警等功能。 ( 3 ) 监测中心软件设计：监测中心主要由服务器、监测台、查询台、数据库服 务器以及相应的监测软件、查询软件和数掘库管理程序等构成。监测中心服务器 接收到g p r s 网络传来的数据后，通过系统软件对图像数据进行还原显示，以监 测远端铁塔设备是否有人入侵盗拆，同时将采集的图像信息进行存档。 北京交通大学硕士论文 2 1系统的组成 2 系统的总体设计 基于g p r s 的电力铁塔防盗监测系统是由终端设备和监测中心两部分组成。 远端设备安装在电力铁塔的监测点，负责铁塔的监测工作；监测中心的主要设备 是p c 机和手机，终端设备在负责接收图像信息和报警信息，同时可发送命令，主 动命令远端设备采集图像信息，以主动监测电力铁塔是否有人入侵。系统的组成 示意图如图2 - 1 所示。 圈2 - 1 系统组成示意圈 f i g2 - 1t h es y s t e ms k e t c hm a p 值 日蓑 。翳， 一监控中心一一 塔端设备在监测点完成对铁塔周围的环境的监测，并实现相应的控制功能。 在三技术探测器探测到有人入侵时，单片机控制图像采集模块采集图像信息，并 利用g p r s 无线通讯平台传输至数据监测中心。或者接收数据监测中心发送的采 集图像短信或命令，采集压缩图像，发送到监测中心，使监测中心的管理人员利 用p c 机可以观测了解铁塔现状，完成铁塔的远程监测。 监测中心由一台装有监测软件的p c 机和移动通信设备手机组成。监测中心软 件负责监测整个系统的所有塔端设备，同时对采集的图像信息进行存档。 2 2 总体方案的确定 在调研过程中，查阅了近期国内外远程监测的有关技术资料，对现有的远程 监测系统的性能、适用范围、工作条件等进行了对比分析。确定了如下方案： 系统分为两部分：主站微机控制中心和远程图像数据监测控制终端。这种设 系统的总体殴计 计方式可以实现一个控制中心监测多个终端的实现。当需要添加控制点时，只需 在需要控制的现场安装好远程数据监测控制终端，同时在主站微机控制中心软件 进行相应设置，即可对新加入的控制点进行监控。 2 2 1硬件设计 硬件设计主要是远程控制终端塔端设备的单片机设计。单片机系统采用 p i c l 6 c 6 3 ，主要进行了开关量输出接口，检测信号输入接口，与视频采集卡、g p r s 模块连接的r s - 2 3 2 接口设计等。系统的塔端设备框架如图2 2 所示。 图2 - 2 终端硬件设备框架图 f i g2 - 2f r a m ed i a g r a mo ft e r m i n a le q u i p m e n t 系统终端硬件设备各个模块全部由蓄电池供电。控制模块为单片机p i c l 6 c 6 3 ， 作为整个系统终端的核心，控制着图像采集模块供电与否，图像的采集，g p r s 数 传模块的网络连接，各个模块之间的通信状态，以及图像数据的传输等。g p r s 数 传模块的核心设备是g p r sm o d e m 和g p r s 网络，实现图像数据由终端设备到 上位机的传输。采集模块由摄像头和视频压缩卡组成，负责图像的采集和图像的 压缩。检测模块为三技术探测器，负责检测是否有人入侵铁塔，为图像数据采集 提供依据。 2 2 2软件设计 系统的软件设计主要包括塔端单片机的控制程序和监测中心软件的设计。 单片机控制程序采用汇编语言编写，主要编程实现与g p r s 模块的通信，控 制g p r s 连接i n t e r n e t ，控制视频采集卡v c 3 1 2 等。同时，通过g p r s 模块向监测 中心发送图像数据，并根据监测中心发送的命令进行控制或图像数据传输。 监测中心软件设计包括监控软件和数据管理软件的编写。监控软件采用v i s u a l 7 北京交通大学硕士论文 b a s i c6 0 编写，通过w i n s o c k 控件实现i n t e m e t 网络的数据接收。数据终端在监测 中心采用图形方式显示，做到既直观又准确。图像数据管理软件采用a s p + a c e s s 进行开发，实现了图像数据的网络共享及管理。 2 2 3 系统数据传输方案的比较选择 由于课题所涉及的监测对象距离较远，只能在远距离的地方进行数据采集及 传输。随着自动化程度的不断提高，对现场数据远程采集与传输的要求也e t 益提 高。远程数据采集和传输的实现使得技术人员不需要到达生产现场就能获得重要 的数据，进行远程控制。其中，数掘传输的技术足其实现的前提。因此，选择合 适的数据传输方式也是本课题的重要部分。 数据传输的方式简单地分为有线( 包括架设光缆、电缆或租用电信专线) 和 无线( 分为建立专用无线数据传输系统或借用c d p d 、g s m 、g p r s 、c d m a 等公 用网信息平台) 两大类方式，下面对有线和无线传输方式的优缺点做一下简要的 对比： ( 1 ) 成本廉价：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要 大量的人力和物力；而无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要 在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下无线数 据传输方式，节省了人力物力，节省了投资。 ( 2 ) 适应性好：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇 到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境 的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而无线数据传输方式将不 受这些限制，所以说无线数据传输方式比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几 乎不受地理环境限制。 ( 3 ) 扩展性好：在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新 的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能 破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线 数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 ( 4 ) 设备维护上更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时， 一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故 障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 相比之下，无线数据传输有着很大的优势。通过比较，结合本课题的实际要 求，选择g p r s 无线传输方式。g p r s 无线移动通信网络具有稳定可靠、覆盖面广、 网络能力强、通信费用低、不受地域限制的优点，其最大的好处足设备体积小， 系统的总体设计 方便移动，没有引雷部件，不需要作防雷处理。 缺点是：网络覆盖范围有限。 此外，本课题在选择图像监测方案时，根据实际情况，图像采集没有选择当 前流行的视频图像方式，而是选择了静态图像的方式。这大大降低了对数据传输 网络容量的要求，使得采用g p r s 网络传输数据的可行性更高。 2 3系统功能说明 ( 1 ) 记录建档功能：将接收到的图像信息存储，并建立档案。 ( 2 ) 定期监测塔端设备情况功能：监测中心可以定期发送图像采集命令，采集 远端铁塔的图像信息，监测塔端设备情况。 ( 3 ) 历史记录查询功能：可以查询过去某一时间段某一电力铁塔的图像信息。 ( 4 ) 报警功能：当电力铁塔有人入侵时，采集的图像信息通过g p r s 网络发送 到监测中心，同时发送短信报告值班人员。 ( 5 ) 向其他管理系统提供数据接口。 2 4系统工作过程 ( 1 ) 判断图像采集模式 图像信号的采集分为被动检测模式和主动请求模式。主控单片机p i c l 6 c 6 3 循 环判断是三技术探测器的检测信号还是上位机的采集命令或者图像采集短信息。 如果三技术探测器检测到有人入侵，则探测器输出电平信号至主控c p u ，此时为 被动检测模式。主动请求模式为主控c p u 通过g p r s 通讯模块接收到上位机的图 像采集命令或者合法的图像采集短信。 图像信号采集 主控单片机发送指令到视频压缩卡，视频压缩卡将摄像头采集到的p a l 制式 图像经过a d 转换，变成数字量并进行编码，压缩为指定大小的j p g 格式的静态 图像信息通过g p r s 网络传输到上位机。 ( 3 ) 无线传输技术 本系统的数据传输采用公共的无线网络g p r s 网络传输数据。采用工业级 g p r s 通讯模块，实现监测中心与电力铁塔子站的快速稳定的无线数据传输，塔端 主控单片机和其他模块的通讯采用标准r s 2 3 2 通讯接口协议。 ( 4 ) 远程电力铁塔监测 电力铁塔远程监测是利用通讯模块发送图像信息数据到监测中心，通过上位 9 北京交通大学硕士论文 机监测程序将图像信息还原显示，并将采集到的图像信息进行存档，以便进行历 史查询。通过图像监测的方式，直观的了解电力铁塔设备的状况，弥补人员巡查 的不便与不利之处，防止因塔材设备被盗导致的电力铁塔倒塌等恶性事故的发生， 保障电力传输的安全。 2 5小结 本章首先概括的描述了基于g p r s 的电力铁塔防盗监测系统的整体设计，通 过结构示意图形象的展示了系统的组成部分。并概括介绍了系统硬件和软件方案 的选择确定。 通过对两种主要的数据通信方式有线通信方式和无线通信方式的比较， 说明了系统采用g p r s 无线网络作为传输数据方案的理由，同时介绍了g p r s 无 线网络的优点。 此外，本章还概括的叙述了系统所要实现的功能及系统的工作过程。 l o 系统硬件设计 3 系统硬件设计 系统的硬件设计主要是监测终端电力铁塔防盗监测设备的设计。监测终 端主要由检测模块，图像采集模块，控制模块和g p r s 数传模块共同组成，在确 定好方案后，对主要设备及元器件进行选择，其中包括：单片机，g p r s 模块，摄 像头，视频压缩卡以及探测器。经过合理设计，组成远端电力铁塔防盗监测设备， 以下对各个硬件部分详细介绍。 3 1 t r i t e c h 探测器 根据系统设计要求，选择了美国b o s c h 安全系统公司生产的d s 9 3 7 0 探测器f 3 j 。 d s 9 3 7 0 是一种吸顶式的，全方位t f i t e c h ( 三技术) 探测器。所谓三技术即指被动 红外、微波两种探测技术和人工智能( c p u ) 技术。因此，该探测器具有两种探 测装置的综合优势，要求同时做出反应才启动系统报警，而c p u 单片机又赋予了 仪器人工智能，提高了它的信号捕捉能力和排除其他信号干扰能力，避免了误报， 满足系统设计的环境要求。 3 1 1特性 d s 9 3 7 0 提供对安装高度范围内的完全探测。其特性如下： 达到7 6 m 的安装高度 光学阵列完全可调，可以根据客户要求订制覆盖范围 易于安装的铰接机壳和底座 高效l e d 和光管系统，便于进行走动测试 f i r s t s t e pp r o c e s s i n g ( f s p ) 微波自适应处理功能 3 6 0 。全方位，2 1 m 直径覆盖范围 3 1 2基本功能 1 信号处理：利用微波及被动红外( p i r ) 两种技术探测报警，两种技术同时 触发，且报警信号必须符合两种技术的信号要求时才会报警。微波和被动红外的 灵敏度可调。 1 1 北京交通人学硕十论文 2 f s p ：f s p 可实际对人体目标做出立即反应，但不会引起其他来源的错误警 报。f s p 根据信号的振幅、极性、坡度和发出时脚调节探测器的敏感度，免除了选 择敏感度的麻烦。每一台传感器均独立操作，警报继电器只有在两台传感器均探 测到警报时才会被激活。 3 微波信号处理：识别技术可辨别和忽略重复性的误报源，可对背景干扰作 出适应性处理，以确保稳定的探测性能。微波线路被监测，如果微波子系统发生 故障，p i r 子系统则提供单项技术覆盖。 3 1 3探测区域和报警指示【4 l 1 探测区域 d s 9 3 7 0 的最大探测范围取决于安 装高度和p i r 覆盖区域的纵向调整距 离。在部分区域需要有目标覆盖范围的 区域，光学模块可调整为正确的覆盖范 围。安装高度从2 4 m 至7 6 m 。当安装 高度为3 7 m 至7 6 m 时，覆盖面积可 设在9 1 m 至2 1 3 m 之间。安装高度在 2 4 m 高时，覆盖面积可设在6 1 m 至 1 2 2 m 之间。安装在3 m 高时，覆盖面 积可设在6 1 m 至1 5 2 m 之间。p i r 覆 翻3 - 1 覆盖区域 f i g3 - 1c o v e r a g ep a t t e r n 盖区域( 见图3 1 ) 由2 1 个屏蔽组组成，共分为三组，每组包括七个屏蔽。每个 屏蔽长1 0 米，宽1 5 米，间隔为1 0 米。每组可根据定制覆盖范围进行纵向调整。 2 报警指示 探测器d s 9 3 7 0 采用三色( 红色、黄色和绿色) l e d 指示不同的警报监测情 况，见表3 1 。 表3 - 1l e d 指示情况 t a b3 - il e do p e r a t i o n l e d 指示 状况 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 红灯闪烁 检测单元警报 微波探测作用( 移动检测) p i r 探测作用( 移动检测) 上电后预热期 1 2 系统硬件设计 在移动检测时，l e d 指示灯点亮的颜色与首先检测到移动体的技术( 微波p i r ) 有关，然后红色灯亮报警，l e d 不会在接下来的探测技术检测到移动体后再次点 亮相应的指示灯。也就是说，如果微波首先探测到移动体，那么l e d 黄色指示灯 点亮，然后l e d 红色指示灯点亮报警；如果p 1 r 首先探测到移动体，那么l e d 绿色指示灯点亮，然后l e d 红色指示灯点亮报警。 3 2 图像采集模块 图像采集模块主要由摄像机和视频压缩卡组成，实现图像信息的采集，并将 图像压缩为要求的j p g 图像文件进行传输。 3 2 1摄像机 摄像机是整个图像监测系统中重要的组成部件。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【5 6 l 。摄像机种类繁多，按照不同的划分方法，分类如下： 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，可选用黑自摄像 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i i 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1 - 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o 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。 8 按外观分：有机板型、针孔型和半球型。 北京交通大学硕士论文 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，采用深圳派利科 技有限公司生产的彩色防水一体化摄像机p n 8 2 0 2 。摄像机p n 8 2 0 2 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 h a r pc 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 1 v l ； 最低照度：0 l u x f 1 2 ； 信噪比：，- 4 8 d b ： 照射距离：能够照射的最大距离为5 0 m 。 3 2 2视频压缩卡 实现系统图像采集压缩的设计，将摄像机采集的p a l 制式模拟信号转为数字 信号传输，采用了武汉万德数码技术有限公司生产的v c 3 1 2 嵌入式视频压缩卡p 1 。 其接口图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 v c 3 1 2 接口图 f i g3 - 2v c 3 1 2i n t e r f a c e v c 3 1 2 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 系统中主控芯片通过串口向v c 3 1 2 发送控制命令，而v c 3 1 2 向主机发送j p g 图 像文件。r s 2 3 2 串口引脚1 - g n d ( 地) ，2 - r x ( 串行数据输入) ，3 - t x ( 串行数据 输出) ，4 一c t s ( 允许v c 3 1 2 发送) ，5 - r t s ( 允许主机发送) ；电源引脚1 - g n d ( 地) ， 2 - v d d ( + 5 v ) ；视频输入接口1 - v g n d ( 模拟视频信号地) ，2 - v i n ( 模拟视频信 号输入) 。将j p l 短路，v c 3 1 2 进入“设定模式”，通过发送固定格式命令设定v c 3 1 2 的串口波特率。 1 4 系统硬件设计 v c 3 1 2 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 3单片机 单片机作为监测终端的中央处理设备，对监测终端的图像数据采集，图像数 据传输，以及各个模块之间的通信起着大脑的作用。因此单片机是整个电力铁塔 防盗监测设备的核心。 目前单片机种类繁多，8 位、1 6 位、3 2 位的单片机层出不穷，功能齐全。8 位单片机由于其功能强大、品种多，正广泛