基于ARM图像的采集与3G无线传输研究与设计

程 琼，广长林

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

随着电力系统装机容量的不断提升，电网覆盖范围的扩大，电力系统的安全性和可靠性一直是电力系统运行、管理和科研人员关注的重大问题.而污闪等故障多半是由于高压绝缘子不良而引起的，为了减少这种经济损失，增强电力系统运行的可靠性，需要对绝缘子积污状态做出及时准确的判断［1－2］.鉴于此情况，本文设计的系统实时采集绝缘子环境温湿度和图像作为判断绝缘子污秽的状况，并在达到危险值的时候及时通知工作人员进行处理.

1 绝缘子在线监测的总体系统设计

本文研制的绝缘子在线监测系统的整体设计：在高压塔上安装一台监测终端，实时地采集绝缘子的环境温湿度和图像等参数；监测终端与后台监控中心之间通过3G无线网络进行数据传输.终端向后台上传采集数据，后台向终端及时查询数据（主要是观察图片），修改配置等.后台监控中心主机与数据库连接，及时存储各种数据.监控软件使用人工智能化的模糊神经网络诊断方法，系统分析采集的各种数据，通过通用界面显示数据.同时根据所得数据，绘制各种图表，判断绝缘子污秽情况.系统总体结构分为三层，分别为：数据采集终端层、3G网络层、后台监控系统层，系统总体结构框图如图1所示.

图1 系统总体结构示意图

2 绝缘子在线监测系统的实施

2.1 硬件平台设计

由于本装置放置于野外高压杆塔上，工作环境比较特殊，故装置轻便、灵巧是首选.结合前端采集和传输的需要，硬件的设计采取OK6410ARM开发板的嵌入式结构.系统的主芯片是一块ARM处理器.它主要完成控制功能和3G通信传输到后台，构成一个功能完备的绝缘子在线监测系统.系统硬件设计如图2所示.

图2 系统硬件配置原理框图

采集板采用控制芯片ARM，外接温湿度传感器、OV9650的摄像头模块.由于该装置挂在高压杆塔上，必须有稳定的供电，才能实时监测绝缘子的运行状态.本装置的电源采用的是太阳能电池板供电，确保中央控制单元能正常采集、处理和发送数据.为防止连续长时间的阴雨或无阳光天气，装置装有锂电池作为蓄电池，它能够保证系统的快速、稳步运行 ［3］ .

2.2 软件设计

由于检测终端的嵌入式操作系统在整个监控系统中起着至关重要的作用，因而在ARM11开发板上运行linux操作系统.本监测系统采用双缓冲区原理，当俩缓冲区操作完成，再进行一次切换［4］.

双缓冲区方式的好处是不用对外设进行操作，所有采样数据直接在SRAM中操作，速度快、抗干扰能力强，可以边采样边处理.缺点是在缓冲区临界时指针处理比较复杂，尤其是对通道可变的情况，编程时需要特别注意.双缓冲区采样流程如图3所示.

图3 双缓冲区采样流程图

2.2.1 摄像头和温湿度数据的传输 图像数据的采集是由前端摄像头模块OV9650来实现的，软件部分的主要任务是采用适当的通讯协议完成主板ARM与摄像头的控制和应答［5］.整个交换过程中，主板CPU负责每3s定时采集图像数据，暂存于后台缓冲区，等待后台的传输请求.主板与摄像头数据传输如图4所示.

图4 主板与摄像头数据传输交互过程

温湿度数据的采集由温湿度传感器DB－171－10来实现.当收到采集命令时，温湿度传感器开始采集数据，采集完成后保存于缓冲区，再向后台传输.传输流程图如图5所示.

采集同一时刻的图像和温湿度数据，定时向后台传输；后台运用逻辑处理算法，提取憎水性图片的信息熵、种子率、频谱幅值均值等灰度信息，完成图像特征提取；最后利用专家知识系统和专家推理、模糊Petri等构建判定绝缘子的憎水性等级诊断系统，并可对复合绝缘子的长期憎水性变化趋势及耐压状态进行分析.

图5 主板与温湿度数据传输流程

2.2.2 无线数据的传输 采用3G无线技术，具有高频谱利用率和实用多业务环境的特点，并具有网络灵活性和全覆盖能力.基于以上种种优点，3G无线网络的技术用于高压线路绝缘子憎水性在线检测系统上是确实可行的［6－7］.系统采集终端通过3G向监控主站传输数据的实现方法流程如图6所示.

图6 3G向监控主站传输数据流程

3 绝缘子图像及温湿度采集与传输的实现

linux体系结构比较灵活、易于裁剪、源码开发，网络功能强大.这些优点在该工程中得到了广泛的应用［8］.图像采集需要嵌入式操作系统的支持，上述硬件平台中运行嵌入式linux操作系统完成了对摄像头和温湿度传感器模块驱动的编写，在此基础上运用C语言，编写图像采集的程序和3G传输程序.最后通过QT编译，生成ARM11可运行的执行文件，通过串口下载到开发板，完成操作系统程序的移植.启动电源，采集系统和传输系统即可运行，定时实时采集图像，通过3G无线网络传入到后台，最后自动写入到PC下指定的目录下，并以JPG格式存储.绝缘子原实物见图7，实验结果表明，本系统采集的图片温湿度数据可以实时传输到后台，且传输速度快，图像清晰可见图8.

图7 绝缘子原实物图

图8 后台PC机上显示的图

4 结论

系统以高速采集、高精度、高采样率与实时性采样记录及传输为目标，利用嵌入式ARM系统、3G通信等技术融合于绝缘子在线监测系统中，从而在结构设计上、性能上有所创新.通过软硬件的分析，可知系统全天候的有效采集输电线路上绝缘子相关参数，并将数据信息传输到后台监测中心.后台运用逻辑算法，自动分析输电线路绝缘子的污秽状态.供电部门可以根据输电线路上的绝缘子的污秽状况，有选择性地检修，从而达到有效预防和减少线路事故的目的.

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