基于GPRS的電力鐵塔智能監測系統的設計

張恩鋒

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

基于GPRS的電力鐵塔智能監測系統的設計

張恩鋒1,2

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

介紹了應用GPRS(通用分組無線業務)無線通訊和先進的傳感技術設計的電力鐵塔智能監測系統。重點闡述了監控終端的組成、原理以及軟硬件設計。該系統實現了對電力鐵塔的傾斜角度、振動信號、溫度和濕度、圖像等測量數據的實時采集和無線傳輸到監控中心,讓監管人員實時了解鐵塔的運行狀況,對設備現場進行監測、監視。

電力鐵塔 遠程監控 GPRS TCP/IP 傳感技術

TD61

A

長期以來,煤炭礦區偷盜或人為破壞電力線路、高壓鐵塔的情況不斷發生。盜拆桿塔的幾米拉線或幾段塔材就可能使其倒塌。同時,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導致大面積停電,短時間內難以恢復,這損害了煤礦電力系統的安全可靠運行,有時也會對煤礦的供電安全產生危害。另一方面,傳統的遠程視頻監控方式要求值班人員長期監視顯示器屏幕,很難保證長時間的完全監控。因此,急需采用新的技術手段,開發出具有自動報警功能的遠程監控系統來幫助線路運行維護人員提高工作效率,節約人力資源。

針對上述問題,考慮到電力鐵塔點多且分布分散,所處地形、環境復雜多樣的特點,為了準確掌握電力鐵塔周圍的情況,及時發現異常現象,主動迅速報警。本文提出利用GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業務)無線通訊技術、計算機網絡技術、先進傳感技術等,開發設計了一套基于GPRS的電力鐵塔智能監測系統。該系統力求解決原監控系統無法及時發現野外電力鐵塔運行故障或破壞電力設施事件的難題,成功實現對桿塔的各項運行參數、環境變化的實時監測和故障預警,實現了主動監防、智能化管理。

1 GPRS通訊技術

GPRS是中國移動通過在GSM網絡基礎上引入新的硬件設施和軟件升級而發展起來的一種新的數據承載業務。GPRS經常被描述成2.5 G通訊技術,也就是說這項技術位于第二代(2 G)和第三代(3 G)移動通訊技術之間。它通過GPRS網關節點GGSN可以與互聯網(Internet)無縫連接,進行數據交互,即組成了移動IP網絡,為用戶提供語音、短信息、圖像等數據業務。

GPRS網絡數據傳輸率高,實際應用帶寬大約在40～100 kBit/s,最高可達到170 kBit/s;“永遠在線”、透明數據傳輸;覆蓋面廣(能使用移動電話的地方就有網絡覆蓋);接入速度快,建立連接時間平均為2 s;采用按流量收費的辦法,收費合理,費用低。

實踐證明,GPRS采用分組交換技術,特別適用于頻繁和突發的小數據量實時傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸,是電力設施遠程監視監控系統實現數據無線傳輸的理想選擇。

2 基于GPRS的智能監測系統的構建

整個系統由現場監控終端、GSM/GPRS網絡和Internet網絡、監控管理中心服務器3大部分組成,系統的總體結構見圖1。因為數據傳輸網絡是由移動運營商提供,所以實際設計過程中主要就智能監控終端和上位機監控軟件進行研究開發。

監測終端固定地安裝在電力鐵塔上,實時采集電力鐵塔的傾斜角度、振動信號、溫度和濕度等數據。GPRS通訊模塊把數據分組,先送到GSM/GPRS網絡,再經過TCP/IP協議傳送到互聯網,最后把現場的語音、抓怕的圖片和其他測量數據及時上傳到監控管理中心。監管人員通過上位機圖形化界面了解現場終端上傳的信息,可以查詢、記錄、儲存鐵塔的相關數據,還可以下發指令去控制、更改終端的工作狀態,例如解警指令、圖像召喚、設置參數等,實現雙向通信。當電力鐵塔周圍出現異常情況時,如運動目標入侵、鐵塔被鋸動,將主動上傳報警信息,并撥打預置的手機號碼。系統的目標是實現圖像報警、短信報警、語音報警,從而實現可靠、穩定、經濟的對電力鐵塔的24 h監測監控和運行管理。系統功能實現示意圖見圖2。

3 現場監控終端組成及原理

3.1 終端系統的硬件設計

終端系統的硬件組成框圖見圖3。

圖3 終端系統的硬件組成框圖

3.1.1 單片機及其外圍電路設計

為了克服8位MCU處理能力的瓶頸,本設計采用意法半導體(ST)公司生產的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、片上集成的外設資源豐富等特點,能夠滿足工控領域要求,具有更快的中斷速度,非常適合于監控監測系統。單片機外圍電路設計主要包括開關量I/O接口、探測器信號輸入接口、傳感器、GPRS模塊連接、圖像采集卡的RS-485和RS-232接口等。考慮到高壓鐵塔的電磁場環境,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板設計成4層,做到布線合理,保證電源和信號的完整性和接地良好。

3.1.2 GPRS通訊模塊

GPRS調制解調模塊采用西門子公司生產的SIM 300芯片,它內嵌了TCP/IP協議,完全兼容AT指令,提供了9針的標準串行接口與MCU進行聯系,實現全雙工的數據通信,可提供GSM短信息、語音和GPRS數據業務。通信模塊的硬件電路包括電源接口、TTL-RS232電平轉換接口電路、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個引腳的連接部分電路圖見圖4。

3.1.3 傳感探測器

傾角傳感器用來實時監測鐵塔的傾斜角度(雙軸±60°,精度0.1°),當鐵塔傾斜角度超過預設值時,終端主機會發出報警信息,讓巡塔人員及時去維護,防止鐵塔倒塌。

圖4 GPRS模塊硬件電路圖

振動傳感器通過沿鐵塔橫向和縱向兩個方向,監測鐵塔被敲打、鋸動的振動信號。為了準確識別出“鋸”塔行為,我們在現場做了很多試驗,收集了相關數據,利用傅里葉(FFT)算法對振動沖擊產生的加速度信號進行變換、分析處理。

傳感器采用RS485數字信號輸出,省去了模數轉換電路,還提高了輸出信號的抗干擾性。

通過兩個安裝在鐵塔不同位置的紅外微波探測器來監測鐵塔下的人體紅外感應信號、動物身體紅外感應信號,以及電焊、氣焊等切割工具的使用。在監防范圍內,只有兩種探測技術同時觸發時,才輸出報警信號。它既保持了微波探測器與熱源無關、可靠性強的優點,又具有被動紅外探測器無需照明和亮度要求、可晝夜運行的特點,大大降低探測器的誤報率。

一旦收到振動傳感器或紅外微波探測器觸發的報警信號,現場喇叭播放語音予以警示,監控終端立即發送報警短信到預置的值班人員手機號碼中,同時啟動紅外攝像機拍攝下當前鐵塔周圍實景并發往監控中心。

3.1.4 太陽能供電

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

系統由+5 V和+12 V電源組成,供單片機、攝像機和傳感探測器等部件使用。同時為保證供電的持續可靠,終端裝置內部所有電子元器件采用低功耗電路設計。

3.1.5 存儲器單元

采用8 M的外部FLASH作為系統外存,保存一些重要的數據,避免在系統掉電后丟失。主要存儲程序指令、SIM卡號、監控中心IP地址、桿塔ID號、采集的數據等。

3.2 終端系統的軟件設計

3.2.1 單片機程序設計

單片機軟件是由主程序、串行數據發送接收子程序、GPRS模塊控制子程序和數據處理子程序等組成。主程序根據數據采集的觸發模式來設計,即主動指令觸發和被動異常事件觸發兩種模式。

3.2.2 GPRS模塊程序設計

單片機通過RS-232串行口發送AT指令來控制GPRS模塊的工作狀態。首先需要GPRS模塊進行初始化,主要包括設置監控中心站IP地址、檢查SIM卡狀態、檢查是否是GPRS網絡覆蓋區域、設置心跳信號間隔時間等。一切就緒后可以通過發送ATD撥號命令進行GPRS網絡連接,接下來的過程和PC機接入互聯網一樣,需執行PPP(Point to Point Protocol)協議程序,進行SIM 300與GGSN的通信鏈路協商,一旦協商成功,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,實現與監控中心服務器的數據交換。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 監控管理中心

監控中心管理信息系統是建立在局域網基礎上的客戶機/服務器構架,采用C++語言開發,使用Microsoft Visual Studio 2008開發環境和MySQL數據庫軟件。整個電力鐵塔監控平臺包括網絡通信程序、數據庫系統、地圖顯示系統。監控平臺的主界面包括地圖、圖像、列表、報警、巡檢、查詢、設置、幫助菜單欄及其子窗口。這些子窗口的設計使用了wxWidgets界面編輯工具,它提供了GUI圖形用戶界面,可以大大提高開發效率。

4.1 通訊系統的設計

監控中心與現場監測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網上接受終端GPRS模塊發來的TCP網絡數據包。串行通信的主要任務是實現對GPRS模塊的控制,比如語音、短消息的收發,監控中心下發給終端系統的指令等。

在執行網絡通信程序的時候,TCP數據包和串行口數據的收發是并行的,而且多個監測終端可能同時會向中心服務器發起TCP通信,為保證通信的可靠和高效,采用多線程的程序設計思想。

4.2 數據庫系統

數據庫系統采用MySQL小型關系型數據庫管理系統,數據庫模型主要圍繞輸電線路和電力鐵塔這兩個實體,使用“實體-聯系方法”,簡稱“E-R方法”。數據模型主要是關系模型,數據庫的主要內容是表和視圖。數據庫服務器負責數據存儲和轉發,監管人員可以通過人機界面進行查詢、分析等各種操作。

4.3 地圖顯示系統

利用OpenGL軟件繪制桿塔地圖,OpenGL是一個三維的計算機圖形模型庫,提供了十多個生成三維實體模型輔助函數。應用這些圖形函數庫能方便地制作出高質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,通過調整視點的位置對地圖進行縮小、放大或顯示特定區域。結合數據庫系統桿塔“E-R”方法,可以顯示桿塔自身的ID號、類型、所屬線路、SIM卡號。整個地圖也反映了線路桿塔地圖走向分布。

5 結束語

本文設計的多功能遠程監控系統,實現了對電力鐵塔的傾斜角度、振動信號、溫度和濕度、圖像等數據的實時采集和無線傳輸。系統基于主動監防的理念,將值班人員從傳統的視頻監控工作中解脫出來。目前,該系統已投入使用,能有效遏制偷盜塔材的現象。

[1] 裴冠榮.基于GPRS的電力鐵塔防盜監測系統[R].北京交通大學碩士學位論文,2007

[2] 張水波.Visual C++2008完全學習手冊[M].北京:清華大學出版社,2010

[3] 喬林,費正廣.OpenGL程序設計[M].北京:清華大學出版社,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年畢業于山東科技大學工業自動化專業,現任棗莊礦業(集團)有限責任公司供電工程處總工程師。

(責任編輯 張艷華)