基于QT語音平臺的電力電纜終端設備巡檢系統與實現

高 亮　閆凡銘　張博陽　王九龍　劉彥輝　楊 倩　薛玉翠

（綏化學院電氣工程學院　黑龍江綏化　152061）

在電線電纜中，電纜終端是重要組成部分，電纜終端的故障率遠高于電纜本身[1,2]。在故障發生的概率統計中，電纜終端的故障率大約70%，且影響電力電纜及電纜終端的因素很多，如電、熱、化學及外部環境等[3]。電纜需要根據現場運行情況每1～3年停電檢查一次，室外電纜終端頭需要每月巡視1次，每年二月及十一月進行停電清掃檢查。檢查程度繁瑣、復雜，且需要投入大量人力物力，現實行定期檢查，急需高質量的實時監控巡檢。

現今，巡檢系統及裝置的使用層出不窮，并應用于多種場合。主要分為兩方面，即人工遙控巡檢與自動巡檢[4,5]。人工遙控巡檢是使用人員通過遙控平臺對巡檢系統進行操作，實現巡檢系統的多場地巡檢功能。自動巡檢為無人工操作，巡檢系統啟動后自動按照默認線路進行巡檢。兩種巡檢方式下巡檢質量與效率，很大程度取決于系統中各種信息的傳輸速度與命令執行效率。

QT是由QTCompany開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架，目前包括QT、基于FrameBuffer的Qtopia Core、快速開發工具QTDesigner和國際化工具QTLinguist等部分[6]。QT支持所有的UNIX系統，當然也包括Linux系統，還支持WinNT/Win2k、Windows95/98平臺。并且，QT與HTK馬爾科夫模型語音識別工具結合形成移植性強的圖形控制界面[7]。QT語音平臺具有對語音命令的高效執行率，被相繼開發運用到各種控制系統中。

一、系統方案

設計一種用于電力電纜終端設備工作環境的巡檢系統及裝置，能夠實時監控終端設備的工作外場情況，以此代替人工巡檢，并且能對其進行實時保護及危險境況進行處理。具體設計要求如下。

（一）系統能夠對電纜終端設備工作外場環境（溫度、濕度、煙霧、可燃氣體、有毒氣體、火焰和人員）進行實時檢測。

（二）系統能夠將外場檢測數據及圖像信息高速、高質量地反饋到控制端，并且可以通過語音命令實時遠程可視化控制。

（三）巡檢時遇到突發狀況（如發生火焰、設備形變等），檢測裝置可以及時報警，并作快速做出處理。

根據系統設計要求，巡檢系統設計方案如圖1所示。系統由處理器與語音平臺完成傳輸信息及命令的交換處理，其中處理器通過電池組進行供電；檢測組包括多傳感器組與攝像頭，其中多傳感器組包括溫度、濕度、煙霧、可燃氣體、有毒氣體、火焰和紅外傳感器，能夠對終端設備工作外場環境參數進行檢測；處理器可以將檢測的信息及時反饋到PC顯示器上；語音平臺將控制者發出的聲音命令進行處理后，通過無線傳輸到處理器上；處理器控制執行機構進行動作。

圖1　巡檢系統設計方案框圖

二、系統硬件設計

（一）系統整機裝置結構。根據系統設計方案，巡檢系統裝置的結構設計包括攝像頭、報警器、主控芯片、電池組、行走機構和傳感器組等，具體結構如圖2所示。其中，攝像頭置于旋轉支架上端，支架下端與車體相連，使攝像頭可以360度旋轉，充分減少盲區。巡檢系統裝有報警器，巡檢中發現異常狀況可第一時間通知操作人員。傳感器組包含溫濕度傳感器、紅外傳感器、火焰傳感器、光離子傳感器、氣體傳感器等，可對外場環境進行多因素檢測。巡檢裝置配有機械手臂，當發生異常時，操作人員可通過語音命令操作機械手臂對終端設備開關進行控制。

圖2　巡檢系統整機裝置結構示意圖

（二）主控芯片。主控芯片選擇蜂鳥S5PV210（Hummingbird），是三星推出的一款適用于智能手機和平板電腦等多媒體設備的應用處理器。該芯片采用了ARM CortexTM-A8內核，可以實現2000DMIPS（每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力[8]，滿足本系統對芯片高性能需求。S5PV210有強大的硬件編解碼功能，內建MFC（Multi FormatCodec），支持 MPEG-1/2/4，H.263、H.264 等格式視頻的編解碼，支持模擬/數字TV輸出[8]，滿足本系統在視頻傳輸中穩定性與及時性。并且，它能夠支持DX9、SM3.0、OpenGL2.0等PC級別顯示技術，具備IVA3硬件加速器與出色的圖形解碼性能[8]，可以支持全高清、多標準的視頻編碼，可以更快解碼更高質量的圖像和視頻，滿足本系統在傳輸視頻、圖像的清晰度。

（三）USB無線網卡。本設計采用USB無線網卡作為傳輸數據的設備，其帶寬達到11～108Mbps，而且有效傳輸范圍很大，能夠流暢地給PC操作機傳遞視頻數據。傳輸采用調幅調制、伴音調頻搭載、FSK數據信號調制等技術，將數監控圖像、伴音、控制及報警信號集成到“一根”同軸電纜中雙向傳輸，可實現音、視頻及控制信號“一線通”，可通過頻分復用技術解決遠距離傳輸點位分散、布線監控困難的問題[9]。并且，可以保證圖像質量達到4級左右。在電力電纜終端電磁環境復雜的場合，采用75Ω同軸非平衡方式傳輸，使其具有很強抗干擾能力，能保證圖像較高的質量，可以實現遠程監控。

三、系統的軟件設計

圖3　QT語音處理流程圖

（一）QT語音處理。系統通過聲卡對語音信號進行采集，語音識別部分在PC操作機上完成。在進行端點檢測、預加重、分幀加窗等預處理之后，對得到的短時語音幀提取16階LPC倒譜系數作為特征矢量。識別結束后，將識別結果轉換成與語音命令相對應的命令控制字，并通過串口發送給主控芯片S5PV210。處理器啟動QT語音平臺，調用QT語音模板庫里預先存儲指令，與目前語音指令進行匹配判斷。如果匹配，則執行機構執行命令；否則，執行機構不動作。系統QT語音處理流程設計，如圖3所示。

（二）QT語音平臺搭建。QT語音搭建過程為：獲得源碼、編譯、安裝QT語音環境。先獲取源碼，將QT壓縮包解壓至新建立的目錄中；獲取源碼后將命令庫加入系統環境變量即可使用，通過HSGlab工具建立語音庫，HBuilHcopy提取特征參數；安裝QT語音環境，將HTK壓縮包拷貝到新建立的目錄下并解壓，進入qt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0目錄執行configure文件來配置環境，編譯QT/HTK庫，安裝QT/HTK庫。系統QT語音平臺搭建程序設計如下所示：

[root@localhostfor_arm]#tarxjvf/UP-CUP6410/SRC/gui/tslib-1.4.tar.bz2-C

[root@localhostfor_arm]#cd/home/uptech/QT4/for_arm/tslib-1.4/

[root@localhostfor_arm]#lstslib-1.4tslib1.4-install[root@localhostfor_arm]#tarxjvf/UP-CUP410/SRC/gui/qt6-embedde d-linux-opensource-src-4.4.0.tar.bz2-C

[root@localhostfor_arm]#cdqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0/

[root@localhostqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0]#make

[root@localhostqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0]#makeinstall

四、巡檢系統的實現與檢測

根據系統方案及軟硬件設計，選擇元器件進行實物組建及功能調試后，完成巡檢系統裝置。巡檢裝置安裝外觀示意圖，如圖4所示。其中1為報警裝置，2為天線，3為物聯網芯片，4為輪胎式行走機構，5為檢測手臂，6為攝像頭檢測系統。

圖4　巡檢裝置實物圖

系統裝置可以在界面上設置自動巡邏時間，報警器可以設置多種報警，如二氧化碳報警、甲烷報警、火焰報警、生物接近報警、PM2.5報警；且報警方式可以選擇電話(Tel.)或短信(SMS)方式。界面上有多種傳感器狀態，實時顯示檢測器數據；界面中具有定位和遠程圖形可進行切換模式。界面中具有手機電話輸入設置，可以通過智能手機對裝置進行操控。根據本系統進行三種環節下模擬試驗，結果見表1。其中，模擬1為室內0.22kV低壓配電箱巡檢；模擬2為室外0.38kV干式變壓器配電箱巡檢；模擬3為室外0.38kV干式變壓器配電箱故障情況下巡檢。其檢測結果表明，該系統檢測準確，響應快速，檢測信息全面，能夠對突發狀況下進行實時檢測。

表1　夏季變電箱的巡檢界面參數

五、結語

本系統設計了一種基于QT語音的電纜終端設備巡檢系統，解決了電纜終端巡檢中人工操作的復雜、繁瑣的問題，異常情況下的無法快速響應的問題。巡檢裝置引入多傳感器組與攝像頭，可對電力電纜終端設備工作外場環境多信息數據進行實時采集傳輸；并且，巡檢系統中運用QT語音平臺進行人機交互界面，具有很好的時效性和可操作性；該巡檢裝置具有廉價的開發成本及多樣化功能，使其具有廣泛的應用領域與應用價值。

參考文獻：

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[9]葉學程,鄭霖.嵌入式Linux的USB-Chirp無線網卡驅動設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2014,14(7):53-56.