基于GPRS的电力铁塔智能监测系统的设计

张恩锋

(1.中国矿业大学,江苏省徐州市,221008;2.枣矿集团供电工程处,山东省枣庄市,277011)

基于GPRS的电力铁塔智能监测系统的设计

张恩锋1,2

(1.中国矿业大学,江苏省徐州市,221008;2.枣矿集团供电工程处,山东省枣庄市,277011)

介绍了应用GPRS(通用分组无线业务)无线通讯和先进的传感技术设计的电力铁塔智能监测系统。重点阐述了监控终端的组成、原理以及软硬件设计。该系统实现了对电力铁塔的倾斜角度、振动信号、温度和湿度、图像等测量数据的实时采集和无线传输到监控中心,让监管人员实时了解铁塔的运行状况,对设备现场进行监测、监视。

电力铁塔 远程监控 GPRS TCP/IP 传感技术

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长期以来,煤炭矿区偷盗或人为破坏电力线路、高压铁塔的情况不断发生。盗拆杆塔的几米拉线或几段塔材就可能使其倒塌。同时,线路覆冰、土建施工等一系列不利因素也可能造成杆塔的倾斜甚至倒塌。而电力铁塔的倒塌会导致大面积停电,短时间内难以恢复,这损害了煤矿电力系统的安全可靠运行,有时也会对煤矿的供电安全产生危害。另一方面,传统的远程视频监控方式要求值班人员长期监视显示器屏幕,很难保证长时间的完全监控。因此,急需采用新的技术手段,开发出具有自动报警功能的远程监控系统来帮助线路运行维护人员提高工作效率,节约人力资源。

针对上述问题,考虑到电力铁塔点多且分布分散,所处地形、环境复杂多样的特点,为了准确掌握电力铁塔周围的情况,及时发现异常现象,主动迅速报警。本文提出利用GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)无线通讯技术、计算机网络技术、先进传感技术等,开发设计了一套基于GPRS的电力铁塔智能监测系统。该系统力求解决原监控系统无法及时发现野外电力铁塔运行故障或破坏电力设施事件的难题,成功实现对杆塔的各项运行参数、环境变化的实时监测和故障预警,实现了主动监防、智能化管理。

1 GPRS通讯技术

GPRS是中国移动通过在GSM网络基础上引入新的硬件设施和软件升级而发展起来的一种新的数据承载业务。GPRS经常被描述成2.5 G通讯技术,也就是说这项技术位于第二代(2 G)和第三代(3 G)移动通讯技术之间。它通过GPRS网关节点GGSN可以与互联网(Internet)无缝连接,进行数据交互,即组成了移动IP网络,为用户提供语音、短信息、图像等数据业务。

GPRS网络数据传输率高,实际应用带宽大约在40～100 kBit/s,最高可达到170 kBit/s;“永远在线”、透明数据传输;覆盖面广(能使用移动电话的地方就有网络覆盖);接入速度快,建立连接时间平均为2 s;采用按流量收费的办法,收费合理,费用低。

实践证明,GPRS采用分组交换技术,特别适用于频繁和突发的小数据量实时传输,也适用于偶尔的大数据量传输,是电力设施远程监视监控系统实现数据无线传输的理想选择。

2 基于GPRS的智能监测系统的构建

整个系统由现场监控终端、GSM/GPRS网络和Internet网络、监控管理中心服务器3大部分组成,系统的总体结构见图1。因为数据传输网络是由移动运营商提供,所以实际设计过程中主要就智能监控终端和上位机监控软件进行研究开发。

监测终端固定地安装在电力铁塔上,实时采集电力铁塔的倾斜角度、振动信号、温度和湿度等数据。GPRS通讯模块把数据分组,先送到GSM/GPRS网络,再经过TCP/IP协议传送到互联网,最后把现场的语音、抓怕的图片和其他测量数据及时上传到监控管理中心。监管人员通过上位机图形化界面了解现场终端上传的信息,可以查询、记录、储存铁塔的相关数据,还可以下发指令去控制、更改终端的工作状态,例如解警指令、图像召唤、设置参数等,实现双向通信。当电力铁塔周围出现异常情况时,如运动目标入侵、铁塔被锯动,将主动上传报警信息,并拨打预置的手机号码。系统的目标是实现图像报警、短信报警、语音报警,从而实现可靠、稳定、经济的对电力铁塔的24 h监测监控和运行管理。系统功能实现示意图见图2。

3 现场监控终端组成及原理

3.1 终端系统的硬件设计

终端系统的硬件组成框图见图3。

图3 终端系统的硬件组成框图

3.1.1 单片机及其外围电路设计

为了克服8位MCU处理能力的瓶颈,本设计采用意法半导体(ST)公司生产的STM32F103VC控制器。它是基于ARM Cortex-M3核心的32位处理器,72 MHz主频,具有高性能、低功耗、片上集成的外设资源丰富等特点,能够满足工控领域要求,具有更快的中断速度,非常适合于监控监测系统。单片机外围电路设计主要包括开关量I/O接口、探测器信号输入接口、传感器、GPRS模块连接、图像采集卡的RS-485和RS-232接口等。考虑到高压铁塔的电磁场环境,需要注意主板电路的电磁兼容问题,尽量选用贴片封装的元器件,PCB板设计成4层,做到布线合理,保证电源和信号的完整性和接地良好。

3.1.2 GPRS通讯模块

GPRS调制解调模块采用西门子公司生产的SIM 300芯片,它内嵌了TCP/IP协议,完全兼容AT指令,提供了9针的标准串行接口与MCU进行联系,实现全双工的数据通信,可提供GSM短信息、语音和GPRS数据业务。通信模块的硬件电路包括电源接口、TTL-RS232电平转换接口电路、RF射频天线电路、话音输入输出接口,这些外部电路的接口与SIM300芯片60个引脚的连接部分电路图见图4。

3.1.3 传感探测器

倾角传感器用来实时监测铁塔的倾斜角度(双轴±60°,精度0.1°),当铁塔倾斜角度超过预设值时,终端主机会发出报警信息,让巡塔人员及时去维护,防止铁塔倒塌。

图4 GPRS模块硬件电路图

振动传感器通过沿铁塔横向和纵向两个方向,监测铁塔被敲打、锯动的振动信号。为了准确识别出“锯”塔行为,我们在现场做了很多试验,收集了相关数据,利用傅里叶(FFT)算法对振动冲击产生的加速度信号进行变换、分析处理。

传感器采用RS485数字信号输出,省去了模数转换电路,还提高了输出信号的抗干扰性。

通过两个安装在铁塔不同位置的红外微波探测器来监测铁塔下的人体红外感应信号、动物身体红外感应信号,以及电焊、气焊等切割工具的使用。在监防范围内,只有两种探测技术同时触发时,才输出报警信号。它既保持了微波探测器与热源无关、可靠性强的优点,又具有被动红外探测器无需照明和亮度要求、可昼夜运行的特点,大大降低探测器的误报率。

一旦收到振动传感器或红外微波探测器触发的报警信号,现场喇叭播放语音予以警示,监控终端立即发送报警短信到预置的值班人员手机号码中,同时启动红外摄像机拍摄下当前铁塔周围实景并发往监控中心。

3.1.4 太阳能供电

电源是现场终端硬件组成中非常关键的部分,应特别注意。本系统采用太阳能电池板(15 V/30 W)和锂电池(12 V/20 A)供电,能保证在阴雨天气持续半个月左右的情况下正常供电,解决野外供电难的问题。

系统由+5 V和+12 V电源组成,供单片机、摄像机和传感探测器等部件使用。同时为保证供电的持续可靠,终端装置内部所有电子元器件采用低功耗电路设计。

3.1.5 存储器单元

采用8 M的外部FLASH作为系统外存,保存一些重要的数据,避免在系统掉电后丢失。主要存储程序指令、SIM卡号、监控中心IP地址、杆塔ID号、采集的数据等。

3.2 终端系统的软件设计

3.2.1 单片机程序设计

单片机软件是由主程序、串行数据发送接收子程序、GPRS模块控制子程序和数据处理子程序等组成。主程序根据数据采集的触发模式来设计,即主动指令触发和被动异常事件触发两种模式。

3.2.2 GPRS模块程序设计

单片机通过RS-232串行口发送AT指令来控制GPRS模块的工作状态。首先需要GPRS模块进行初始化,主要包括设置监控中心站IP地址、检查SIM卡状态、检查是否是GPRS网络覆盖区域、设置心跳信号间隔时间等。一切就绪后可以通过发送ATD拨号命令进行GPRS网络连接,接下来的过程和PC机接入互联网一样,需执行PPP(Point to Point Protocol)协议程序,进行SIM 300与GGSN的通信链路协商,一旦协商成功,链路TCP/IP建立,SIM 300获得分配的IP地址并通过GGSN接入因特网,实现与监控中心服务器的数据交换。GPRS模块TCP通信程序流程图见图5。

图5 GPRS模块TCP通信程序流程图

4 监控管理中心

监控中心管理信息系统是建立在局域网基础上的客户机/服务器构架,采用C++语言开发,使用Microsoft Visual Studio 2008开发环境和MySQL数据库软件。整个电力铁塔监控平台包括网络通信程序、数据库系统、地图显示系统。监控平台的主界面包括地图、图像、列表、报警、巡检、查询、设置、帮助菜单栏及其子窗口。这些子窗口的设计使用了wxWidgets界面编辑工具,它提供了GUI图形用户界面,可以大大提高开发效率。

4.1 通讯系统的设计

监控中心与现场监测终端通讯方式有两种,即套接字(Socket)通信和串口通信。套接字通信用来从互联网上接受终端GPRS模块发来的TCP网络数据包。串行通信的主要任务是实现对GPRS模块的控制,比如语音、短消息的收发,监控中心下发给终端系统的指令等。

在执行网络通信程序的时候,TCP数据包和串行口数据的收发是并行的,而且多个监测终端可能同时会向中心服务器发起TCP通信,为保证通信的可靠和高效,采用多线程的程序设计思想。

4.2 数据库系统

数据库系统采用MySQL小型关系型数据库管理系统,数据库模型主要围绕输电线路和电力铁塔这两个实体,使用“实体-联系方法”,简称“E-R方法”。数据模型主要是关系模型,数据库的主要内容是表和视图。数据库服务器负责数据存储和转发,监管人员可以通过人机界面进行查询、分析等各种操作。

4.3 地图显示系统

利用OpenGL软件绘制杆塔地图,OpenGL是一个三维的计算机图形模型库,提供了十多个生成三维实体模型辅助函数。应用这些图形函数库能方便地制作出高质量的静止三维彩色图像。

该方法将杆塔地理信息分别放置在不同的层中,通过调整视点的位置对地图进行缩小、放大或显示特定区域。结合数据库系统杆塔“E-R”方法,可以显示杆塔自身的ID号、类型、所属线路、SIM卡号。整个地图也反映了线路杆塔地图走向分布。

5 结束语

本文设计的多功能远程监控系统,实现了对电力铁塔的倾斜角度、振动信号、温度和湿度、图像等数据的实时采集和无线传输。系统基于主动监防的理念,将值班人员从传统的视频监控工作中解脱出来。目前,该系统已投入使用,能有效遏制偷盗塔材的现象。

[1] 裴冠荣.基于GPRS的电力铁塔防盗监测系统[R].北京交通大学硕士学位论文,2007

[2] 张水波.Visual C++2008完全学习手册[M].北京:清华大学出版社,2010

[3] 乔林,费正广.OpenGL程序设计[M].北京:清华大学出版社,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.

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张恩锋(1963-),1985年毕业于山东科技大学工业自动化专业,现任枣庄矿业(集团)有限责任公司供电工程处总工程师。

(责任编辑 张艳华)