基于ARM圖像的采集與3G無線傳輸研究與設計

程 瓊，廣長林

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

隨著電力系統裝機容量的不斷提升，電網覆蓋范圍的擴大，電力系統的安全性和可靠性一直是電力系統運行、管理和科研人員關注的重大問題.而污閃等故障多半是由于高壓絕緣子不良而引起的，為了減少這種經濟損失，增強電力系統運行的可靠性，需要對絕緣子積污狀態做出及時準確的判斷［1－2］.鑒于此情況，本文設計的系統實時采集絕緣子環境溫濕度和圖像作為判斷絕緣子污穢的狀況，并在達到危險值的時候及時通知工作人員進行處理.

1 絕緣子在線監測的總體系統設計

本文研制的絕緣子在線監測系統的整體設計：在高壓塔上安裝一臺監測終端，實時地采集絕緣子的環境溫濕度和圖像等參數；監測終端與后臺監控中心之間通過3G無線網絡進行數據傳輸.終端向后臺上傳采集數據，后臺向終端及時查詢數據（主要是觀察圖片），修改配置等.后臺監控中心主機與數據庫連接，及時存儲各種數據.監控軟件使用人工智能化的模糊神經網絡診斷方法，系統分析采集的各種數據，通過通用界面顯示數據.同時根據所得數據，繪制各種圖表，判斷絕緣子污穢情況.系統總體結構分為三層，分別為：數據采集終端層、3G網絡層、后臺監控系統層，系統總體結構框圖如圖1所示.

圖1 系統總體結構示意圖

2 絕緣子在線監測系統的實施

2.1 硬件平臺設計

由于本裝置放置于野外高壓桿塔上，工作環境比較特殊，故裝置輕便、靈巧是首選.結合前端采集和傳輸的需要，硬件的設計采取OK6410ARM開發板的嵌入式結構.系統的主芯片是一塊ARM處理器.它主要完成控制功能和3G通信傳輸到后臺，構成一個功能完備的絕緣子在線監測系統.系統硬件設計如圖2所示.

圖2 系統硬件配置原理框圖

采集板采用控制芯片ARM，外接溫濕度傳感器、OV9650的攝像頭模塊.由于該裝置掛在高壓桿塔上，必須有穩定的供電，才能實時監測絕緣子的運行狀態.本裝置的電源采用的是太陽能電池板供電，確保中央控制單元能正常采集、處理和發送數據.為防止連續長時間的陰雨或無陽光天氣，裝置裝有鋰電池作為蓄電池，它能夠保證系統的快速、穩步運行 ［3］ .

2.2 軟件設計

由于檢測終端的嵌入式操作系統在整個監控系統中起著至關重要的作用，因而在ARM11開發板上運行linux操作系統.本監測系統采用雙緩沖區原理，當倆緩沖區操作完成，再進行一次切換［4］.

雙緩沖區方式的好處是不用對外設進行操作，所有采樣數據直接在SRAM中操作，速度快、抗干擾能力強，可以邊采樣邊處理.缺點是在緩沖區臨界時指針處理比較復雜，尤其是對通道可變的情況，編程時需要特別注意.雙緩沖區采樣流程如圖3所示.

圖3 雙緩沖區采樣流程圖

2.2.1 攝像頭和溫濕度數據的傳輸 圖像數據的采集是由前端攝像頭模塊OV9650來實現的，軟件部分的主要任務是采用適當的通訊協議完成主板ARM與攝像頭的控制和應答［5］.整個交換過程中，主板CPU負責每3s定時采集圖像數據，暫存于后臺緩沖區，等待后臺的傳輸請求.主板與攝像頭數據傳輸如圖4所示.

圖4 主板與攝像頭數據傳輸交互過程

溫濕度數據的采集由溫濕度傳感器DB－171－10來實現.當收到采集命令時，溫濕度傳感器開始采集數據，采集完成后保存于緩沖區，再向后臺傳輸.傳輸流程圖如圖5所示.

采集同一時刻的圖像和溫濕度數據，定時向后臺傳輸；后臺運用邏輯處理算法，提取憎水性圖片的信息熵、種子率、頻譜幅值均值等灰度信息，完成圖像特征提取；最后利用專家知識系統和專家推理、模糊Petri等構建判定絕緣子的憎水性等級診斷系統，并可對復合絕緣子的長期憎水性變化趨勢及耐壓狀態進行分析.

圖5 主板與溫濕度數據傳輸流程

2.2.2 無線數據的傳輸 采用3G無線技術，具有高頻譜利用率和實用多業務環境的特點，并具有網絡靈活性和全覆蓋能力.基于以上種種優點，3G無線網絡的技術用于高壓線路絕緣子憎水性在線檢測系統上是確實可行的［6－7］.系統采集終端通過3G向監控主站傳輸數據的實現方法流程如圖6所示.

圖6 3G向監控主站傳輸數據流程

3 絕緣子圖像及溫濕度采集與傳輸的實現

linux體系結構比較靈活、易于裁剪、源碼開發，網絡功能強大.這些優點在該工程中得到了廣泛的應用［8］.圖像采集需要嵌入式操作系統的支持，上述硬件平臺中運行嵌入式linux操作系統完成了對攝像頭和溫濕度傳感器模塊驅動的編寫，在此基礎上運用C語言，編寫圖像采集的程序和3G傳輸程序.最后通過QT編譯，生成ARM11可運行的執行文件，通過串口下載到開發板，完成操作系統程序的移植.啟動電源，采集系統和傳輸系統即可運行，定時實時采集圖像，通過3G無線網絡傳入到后臺，最后自動寫入到PC下指定的目錄下，并以JPG格式存儲.絕緣子原實物見圖7，實驗結果表明，本系統采集的圖片溫濕度數據可以實時傳輸到后臺，且傳輸速度快，圖像清晰可見圖8.

圖7 絕緣子原實物圖

圖8 后臺PC機上顯示的圖

4 結論

系統以高速采集、高精度、高采樣率與實時性采樣記錄及傳輸為目標，利用嵌入式ARM系統、3G通信等技術融合于絕緣子在線監測系統中，從而在結構設計上、性能上有所創新.通過軟硬件的分析，可知系統全天候的有效采集輸電線路上絕緣子相關參數，并將數據信息傳輸到后臺監測中心.后臺運用邏輯算法，自動分析輸電線路絕緣子的污穢狀態.供電部門可以根據輸電線路上的絕緣子的污穢狀況，有選擇性地檢修，從而達到有效預防和減少線路事故的目的.

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