输电线路的防盗监控.docx
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输电线路的防盗监控
目录
摘要II
AbstractIII
插图清单IV
第一章概述1
1.1课题的研究背景和意义1
1.2高压输电线路防盗监控系统的国内外研究现状1
1.3通信方式的选择2
1.4课题研究的内容和组织结构3
第二章总体设计5
2.1探测器——DS93705
2.1.1特性6
2.1.2基本功能6
2.1.3探测区域和报警指示7
2.2单片机——Atmega168
2.2.1Atmega16的特点8
2.2.2ATmega16引脚功能9
2.2.3ATmega16内核介绍10
2.3GSM模块——TC35i10
2.3.1TC35i模块介绍10
2.3.2AT指令12
2.4GSM彩信可视防盗报警器13
2.4.1超级GSM彩信可视防盗报警器的特点14
2.4.2超级GSM彩信可视防盗报警器的主要技术参数16
2.4.4开启主机的步骤17
2.4.5设置主机呼出的电话号码和主机发送的短信内容17
2.4.6通过短息信远程遥控设置主机的功能18
2.4.7电话远程遥控设置主机的功能20
2.4.8使用无线遥控器来控制主机20
2.4.9主机面板上的5个指示灯20
2.5输电网络GIS系统20
2.5.1GIS的定义21
2.5.2GIS系统组成21
2.5.3输电网络地理信息系统23
2.5.3.1输电网GIS的功能需求分析23
2.5.3.2信息量需求23
2.5.3.3系统操作功能需求24
第三章总体硬件设计25
3.1三相供电断路检测系统26
3.1.1三相断电检测电路和信号处理电路27
3.1.2单片机控制电路28
3.1.3TC35i与SIM卡接口电路29
3.2三技术探测系统30
第四章总体软件设计31
4.1三相供电断电检测系统的软件设计33
4.2三技术探测器系统的软件设计34
4.3小结35
结束语36
参考文献37
致谢39
高压输电线路防盗监控系统设计
摘要
随着我国工农业生产的发展和人民生活水平的提高,作为国民经济基础之一的电力行业取得了迅猛的发展,电力系统输配电的安全性和可靠性也越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。
输电线路的各种事故是影响电力线路安全运行的重要因素之一。
本文正是在这一前提下,在参考国内外大量文献及研究成果的基础上,设计实现了一套输电线路在线监控系统。
针对目前高压传输导线经常被盗的情况,结合实际,设计出一套利用GSM系统的短消息业务、三相供电断路检测、三技术探测器、摄像头、输电网络GIS系统等组成的高压输电线路防盗监控系统。
这一系统可有效地保护高压传输线路,防止被盗,保证高压传输线路正常运行,减少经济损失。
关键词:
高压输电线路;防盗监控;短消息业务;三相供电断路检测;超级GSM彩信可视防盗报警器;GIS。
TheSecurityofHighVoltageTransmissionLineMonitoringSystem
Abstract
Withthedevelopmentofindustrialandagriculturalproductionandpeople'slivingstandards,asoneofthefoundationsofthepowerindustry,thenationaleconomyhasachievedrapiddevelopment,powertransmissionanddistributionsystemsafetyandreliabilityofpowersystemsareincreasinglybeingrunManagementandresearchstaff'sattention.Transmissionlinesofvariousincidentsthataffectthesafeoperationofpowerlinesisoneimportantfactor.Thisarticleisinthiscontext,inreferencetoalargenumberofresearchstudiesathomeandabroadbasedontheresults,designedandimplementedasetoftransmissionlineson-linemonitoringsystem.Highvoltagetransmissionwiresforthecurrentsituationareoftenstolen,withreality,todesignasystemusingGSMshortmessageservice,three-phasepowercircuitdetection,threetechnologydetectors,cameras,GISsystems,transmissionnetworkscomposedofhigh-voltagetransmissionCircuitsecuritymonitoringsystem.Thissystemcaneffectivelyprotectthehighvoltagetransmissionlines,topreventtheftandensurethenormaloperationofhighvoltagetransmissionlines,reduceeconomiclosses.
Keywords:
highvoltagetransmissionlines;securitymonitoring;shortmessageservice;three-phasepowercircuitdetection;SuperMMSGSMburglaralarmvisualization;GIS.
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字典
插图清单
图1-1基于Internet的远程防盗监控系统示意图3
图2-1总体方案设计图5
图2-2DS93706
图2-3覆盖区域7
图2-4TC35i模块11
图2-5报警器的摄像头14
图2-6主机16
图3-1总体方案细化图26
图3-2三相检测系统的结构图27
图3-3三相(A相)断电检测27
图3-4三相断电检测信号处理电路28
图3-5单片机控制电路29
图3-6TC35i与SIM卡通信接口电路图30
图4-1总体系统流程图33
图4-2三相供电断路检测系统程序流程图34
图4-3三技术探测系统程序流程图35
第一章概述
1.1课题的研究背景和意义
近年来我国经济持续快速发展,输电电压等级不断提高,电网的分布也越来越广,电力安全问题也表现得尤为突出。
高压输电线路具有分散性大、距离长、难以维护等特点,由于导线、塔材被盗等因素引起的电力事故,近年来逐年上升。
据不完全统计,我国每年由于高压输电线路塔材、导线被盗引起的经济损失达上亿元之多,造成国家财产损失严重,并严重影响电网安全运行情况。
针对偷盗行为,电力部门采取了大量的措施,如加强巡视次数和力度、与公安部门联动、线路沿线发放张贴保护电力设施宣传品、在杆塔底部使用防盗螺栓等,但都收效甚微,只能在偷盗行为发生后采取事后补救方式处理。
由于电力输电线路地理位置上分散性非常大、多处于偏僻地区,巡视一次浪费极大的人力、物力,在晚上不利于工作开展,难以做到全天候、广覆盖。
因此传统的巡视方式已经不能满足现有的安全需求,急需一种有力地监控、监测手段对输电线路周边状况及环境参数进行全天候监测,使输电线路运行于可控之中,预防并及时制止盗窃超高压线路上电力设备的行为。
在有偷盗情况发生时及时发出警报,达到减少并预防盗窃案件发生的目的。
因此,研制一种能在输电线路塔材、导线被盗时及时报警并能通知相关人员的盗窃监测系统,对打击盗窃行为,保障电力系统安全运行具有十分重要的意义。
1.2高压输电线路防盗监控系统的国内外研究现状
随着科学技术的不断发展,远程通信技术成为可能,解决了监控系统远程无线数据传输的技术瓶颈。
由于输电线路点多、线长、面广,针对输电线路的监控系统必须依赖于远程数据传输技术的发展。
当前,多种输电线路监控系统不断投入使用,输电线路中采用的主要有三种方式:
1、杆塔振动型监控技术。
这种监控系统采用振动传感器,安装于铁塔上,前置振动传感器与杆塔机械接触,适合捕捉钢锯锯铁塔构件时发生的振动;特别有效于连续振动传导,对周围声音、不连续的敲击反应不明显,有效避免误传误报。
当监测到铁塔有规律的振动时,经过分析判断将报警的杆塔信号通过无线方式传输到后台或指定的线路工作人员手机上。
利用振动原理可能因为盗贼的偷盗方式不同而失去监测功能(如剪断线),并且抗干扰设计要复杂些。
振动检测需要应对各种风吹、雨雪击打等自然恶劣现象引起的振动,还要考虑各种动物(牛,羊)的碰撞引起的振动等等,容易误报警。
在报警发生后,由于只能发送报警信号,对于造成报警的原因无法提供直观的信息,应用效果差。
即时报警信息正确,也往往由于距离远,赶到现场时,偷盗分子己经撤离现场,不能留下直接的证据。
2、微波探测型监测技术。
微波探测器选取连续波雷达探测器,工作频率选择较高的K波段(24.125GHz),因为采用高的微波频率有利于探测缓慢移动目标,而盗窃铁塔的分子在塔下通常做缓慢移动。
微波探测器通过监测人或其他动物靠近探测元件的行为,或监测一定时间间隔内,人或其他动物在铁塔附近规定区域内的活动情况,判断与偷盗行为时,触发报警信号,将报警信息通过无线网络传输到监控中心。
微波探测技术与振动型监控装置一样,都要考虑各种动物进入检测范围带来的警报,也无法提供直观的报警信息。
3、视频图像监测技术。
图像监控系统是安全监控系统中的一个重要组成部分,是一种先进的、防范能力极强的综合系统。
它通过遥控前端设备及其辅助设备(云台、镜头等)直接观看被监视场所的一切情况,以防止意外情况的发生。
同时,图像监控系统可以把监控场所的图像全部或部分的记录下来,为日后对某些事件的处理提供了重要依据。
但是如何控制摄像头的工作时间和储存大量的监控信息?
如果让摄像头一天24小时都工作,监控人员24小时对着监控视频,不仅浪费了设备的储存空间,而且浪费电力、人力资源。
1.3通信方式的选择
目前,高压输电线路防盗监控系统与后台监控中心之间的通信方式主要是以GPRS/GSM方式为主。
我的设计中采用了基于GSM通信的Internet远程防盗监控系统:
在计算机局域网的基础上,实现监视控制中心和分布式监视控制终端数据交换通信的通信网络,该网络是由2G通信系统和接入支持运行防盗系统的Internet构成,GSM网络把各基于分布式原理的监控终端的信息传送到Internet网络,再通过网关实现通信网络之间的互联,最后把得到的相关最终信息传送到监视控制中心。
如下图1-1所示:
图1-1基于Internet的远程防盗监控系统示意图
GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)是目前全球比较成熟且应用最广泛的移动通信系统。
利用中国移动的GSM网络,通过SMS技术,MMS技术传送电力线防盗装置的报警信息,具有覆盖面广、投资小、运营费用少的优点,具有其地方案无可比拟的优势。
近年来随着3G技术的逐渐成熟,基于3G技术的通信网络在防盗监控系统中也得到了越来越广泛的应用。
目前4G网络正处在起步阶段,所以在实际中还没有采用这一技术,我相信随着通信技术的飞速发展,在不久的将来这一技术会得到广泛应用。
1.4课题研究的内容和组织结构
本文在分析与研究了高压输电线路防盗监控系统的现状与发展的基础上,设计结合了三相检测电路、SMS技术、GSM短息收发模块、三技术探测器、超级GSM彩信可视防盗报警器、输电网络GIS,开发出一种功能更加齐全,可靠性更高的针对高压输电导线的防盗监控系统。
本课题需要解决的主要问题有:
三相检测电路、探测器与单片机之间的通信;单片机对TC35i模块的控制,将报警短息通过TC35i模块发送到监控中心;监控中心远程控制对超级GSM彩信可视防盗报警器进行图像信息采集和报警;报警现场的定位。
第二章总体设计
系统的硬件设计主要是监测终端:
三相供电检测电路的设计和电力铁塔探测系统的设计,如图2-1所示。
图2-1总体方案设计图
任何一条被监控的高压输电线路都设有一个三相断电检测模块和N个监控终端监控模块。
因为一条输电线路由若干个铁塔支持,在每个铁塔上都安放一套三技术探测器模块和GSM彩信可视防盗报警器。
而一条线路只有安装一套三相供电断电检测模块,因为一条线路只要断开整个线路都会停电,三相供电断电检测模块安放在线路的任意一个地方都可以检测到断电。
当监控终端(铁塔)的探测器探测到周围出现异常时,监控终端会通过单片机控制短消息模块发送报警信息;当三相断电检测系统检测到输电导线被切断后,立刻通过短消息模块向监控中心发送报警信息。
控制中心后的报警信息后,立即远程控制GSM彩信可视防盗报警器,根据监控终端采集的图像信息进一步确定报警的原因。
再根据GIS系统定位报警现场的具体位置。
如果发现犯罪分子在进行偷窃行为,监控人员应立刻采取有效措施制止或通知公安部门抓捕犯罪分子。
在确定好方案后,对主要设备、元器件、后台管理系进行选择,其中包括:
探测器,单片机,GSM短消息模块,GSM彩信可视防盗报警器,输电网络GIS系统。
以下对各个部分详细介绍。
2.1探测器——DS9370
根据系统设计要求,我选择了美国Bosch安全系统公司生产的DS9370探测器。
DS9370是一种吸顶式的,全方位TriTech(三技术)探测器(如图2-2所示)。
所谓三技术即指被动红外、微波两种探测技术和人工智能(CPU)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CPU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。
图2-2DS9370
2.1.1特性
DS9370提供对安装高度范围内的完全探测。
其特性如下:
●达到7.6m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LED和光管系统,便于进行走动测试;
●FirstStepProcessing(FSP);
●微波自适应处理功能;
●360°全方位,21m直径覆盖范围。
2.1.2基本功能
1、信号处理:
利用微波及被动红外(PIR)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。
2、FSP:
FSP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。
FSP根据信号的振幅、极性、坡度和发出时间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,PIR子系统则提供单项技术覆盖。
2.1.3探测区域和报警指示
1、探测区域
DS9370的最大探测范围取决于安装高度和PIR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2.4m至7.6m。
当安装高度为3.7m至7.6m时,覆盖面积可设在9.1m至21.3m之间。
安装高度在2.4m高时,覆盖面积可设在6.1m至12.2m之间。
安装在3m高时,覆盖面积可设在6.1m至15.2m之间。
PIR覆盖区域(如图2-3所示)由21个屏蔽组组成,共分为三组,每组包括七个屏蔽。
每个屏蔽长10米,宽1.5米,间隔为10米。
每组可根据定制覆盖范围进行纵向调整。
(a)俯视图
(b)侧视图
图2-3覆盖区域
2、报警指示
探测器DS9370采用三色(红色、黄色和绿色)LED指示不同的警报监测情况,见表2-1。
表2-1LED指示情况
LED指示
状况
红灯亮
检测单元报警
黄灯亮
微波探测作用(移动检测)
绿灯亮
PIR探测作用(移动检测)
红灯闪烁
供电后预热期
2.2单片机——Atmega16
我的设计中采用的是Atmega16单片机,下面对Atmega16单片机的介绍:
Atmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
2.2.1Atmega16的特点
ATmega16的特点是16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlashMemory)。
在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BootFlashMemory)的程序继续运行,实现了RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega16成为一个功能强大的单片机,为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具,包括:
C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
2.2.2ATmega16引脚功能
●VCC:
电源正;
●GND:
电源地;
●端口A(PA7~PA0):
端口A作为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即系统时钟还未起振,端口A处于高阻状态。
●端口B(PB7~PB0):
端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能。
●端口C(PC7~PC0):
端口C为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
端口C也可以用做其他不同的特殊功能。
●端口D(PD7~PD0):
端口D为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
●RESET复位输入引脚:
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
门限时间见P36Table15。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
●XTAL1l:
反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
●XTAL2:
反向振荡放大器的输出端。
●AVCC:
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
●AREF:
A/D的模拟基准输入引脚。
2.2.3ATmega16内核介绍
为了获得最高的性能以及并行性,AVR采用了Harvard结构,具有独立的数据和程序总线。
程序存储器里的指令通过一级流水线运行。
CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。
这个概念实现了指令的单时钟周期运行。
程序存储器是可以在线编程的FLASH。
快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器,访问时间为一个时钟周期。
从而实现了单时钟周期的ALU操作。
在典型的ALU操作中,两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问,然后执行运算,结果再被送回到寄存器文件。
整个过程仅需一个时钟周期。
寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间,实现高效的地址运算。
其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。
这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。
ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。
ALU也可以执行单寄存器操作。
运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。
程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制,从而直接寻址整个地址空间。
大多数指令长度为16位,亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。
程序存储器空间分为两个区:
引导程序区(Boot区)和应用程序区。
这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护。
用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。
在中断和调
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