基于4G网络的防窃电智能视频监控终端设计

冯 凌 ，熊德智 ，杨华夏 ，魏 东 ，陈文辉

（1.国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 404100；2.武汉理工大学 信息工程学院，武汉 430070；3.郑州万特电气股份有限公司，郑州 450000）

基于4G网络的防窃电智能视频监控终端设计

冯 凌1，熊德智2，杨华夏1，魏 东1，陈文辉3

（1.国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 404100；2.武汉理工大学 信息工程学院，武汉 430070；3.郑州万特电气股份有限公司，郑州 450000）

该文分析了当前常见的防窃电技术、措施及其存在的缺陷；运用4G通信模块、智能视频取证等关键技术，研制了一款基于4G网络的集防窃电、现场视频监控于一体的智能视频监控终端。给出了其总体设计方案；提出了软件设计方法，重点介绍了防窃电终端图像采集流程的设计，提出了门节点开关触发与红外热释探测触发的摄像头触发方案。该设备能够及时发现现场的各种窃电行为并进行取证，从而有效地解决窃电现场取证难的问题，为依法打击窃电提供了重要手段，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。

视频监控终端；防窃电；4G网络；总体设计方案；现场取证

随着电能计量水平的不断提高，防窃电技术也得到了迅猛发展。目前，电力行业通常采用的防窃电技术、措施虽然不少，但都存在缺点或问题，尤其是有效取证困难。采用专用计量柜（箱）加铅封的方式，普通铅封容易被仿冒，也容易被窃电者打开后复原，而防伪、防撬铅封的方式也未能解决取证问题[1-4]；使用高位电能表、高压电能表给抄表和定期检验带来不便。使用防窃电电能表、网络监控远程抄表、计量装置故障记录仪等，存在防窃电死角，排查困难，取证困难[5-7]。在现实中经常采用多种防窃电技术组合实施，但存在实时性差、举证困难等缺点[8]。

发现窃电难，取证更难。现在窃电方法越来越智能化，窃电手段越来越高科技化，窃电用户非法改变用电量的行为很难被发现，即使发现了，供电部门调查取证也十分困难[9-10]。因此，在反窃电工作方面电力企业面临着很大的困难和压力，特别是加强电能计量装置的监管及窃电取证工作更显得十分重要。对此，亟需研制一款基于4G网络的集防窃电、现场视频监控于一体的智能视频监控终端。

1 设计方案

1.1 总体设计

基于4G网络的防窃电智能视频监控终端配套用电信息采集主站使用，终端与主站之间采用第四代移动通信技术实现数据交互，将图像采集、图像数据压缩等技术应用于终端嵌入式硬件平台，利用先进的4G通信技术作为传输通道，具备红外摄像、4G图像传输、短信通知等功能。

为达到硬件配置的灵活性，基于4G网络的防窃电智能视频监控终端采用模块化设计思路，主要由通信模块、图像采集及压缩模块（带红外补偿和红外触发装置）、主控系统、电源系统组成。其设计方案如图1所示。

终端的主控系统使用9G45芯片作为主控平台，该款MPU具备以下功能齐全的功能模块及接口：

（1）集成电路总线 I2C（inter-integrated circuit），是一种多向控制总线，主要用于连接整体电路，这种方式简化了信号传输总线接口；

（2）安全数字输入输出卡 SDIO（secure digital input and output card），可作为系统的扩展设备，用于增加系统的摄像控制功能；

（3）通用异步收发传输器UART（universal asynchronous receiver/transmitter），是一种异步收发传输器，主要将资料在串行通信与并行通信间作传输转换；

（4）通用输入/输出 GPIO（general purpose input output），简化了I/O口的扩展。当微控制器没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO能够提供额外的控制和监视功能；

图1 防窃电智能视频监控终端的设计方案Fig.1 Design scheme of preventing electricity-stolen intelligent video monitoring terminal

（5）串行外设接口 SPI（serial peripheral interface），是一种高速、同步、全双工的通信总线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省空间，提供方便；

（6）嵌入式安全控制模块ESAM（embedded secure access module），用于存储一些重要的终端数据和参数，同时具有身份识别的功能，可与外部系统进行双向身份认证；

（7）实时时钟 RTC（real-time clock），是由晶振及相关电路组成的时钟电路的生成脉冲，每次系统初起时，通过RTC初始化系统时钟；

（8）数字/模拟信号转换器 AD（digital analog converter），是把数字量转变成模拟量的器件。

MPU通过系列功能模块或接口与外围设备或组件连接，实现控制、监测、数据采集与传输等功能。具体如下：

（1）遥信输入主要是遥信信号端子通过接入到现场负荷开关的辅助端子，来监测现场负荷开关的分合闸情况；

（2）烟雾报警通过监测现场表箱内空气中烟雾气体的浓度，来判断是否发生火灾，从而选择是否启动烟雾报警，防止事故发生；

（3）红外温度探测主要通过红外来探测人体温度，来判断是否有人闯入或开启计量箱；

（4）ESAM加密主要用于存储系统的一些重要参数，用于重要数据的加解密，同时具有身份识别功能，与外部进行双向身份认证；

（5）遥控输出主要用于输出控制信号，控制终端内部继电器分（合）闸，从而触发控制线路接入到终端控制端子的用户负荷开关分（合）闸；

（6）控制台作为外部设备，需要时用来对终端系统进行现场升级、数据读取等；

（7）CT检测输入主要定时检测线路电流数据，并实时将电流数据传给系统进行处理和存储；

（8）4G通讯模块通过串行接口与终端连接，实现终端系统与采集主站之间的数据通信及信息交互，将主站下达的数据参数、采集命令等通过移动4G网络传送给现场终端；

（9）将现场终端采集的图像数据、抄表数据等通过移动4G网络传送给采集主站；

（10）看门狗是一个定时器电路，来监控系统的运行，如果出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后就会通过关闭电源模块（3.3 V和1.8 V）使系统复位。

1.2 关键技术

1.2.1 图像采集与图像压缩技术

在满足专变终端现有功能的基础上，还要满足两路图像采集通道所获得的图像与终端之间的指令、数据传输等交互任务，这需要优化系统软硬件资源。

为了能提高终端对图像数据的存取能力和图像采集效果的软硬件调试，采用Atmel公司的9G45作为终端MPU，采用2个独立的功能模块用于图像的采集和压缩，这2个功能模块与MPU进行独立的信息交互。图像采集模块使用美国OmniVision公司的OV96系列（130万像素，最大支持1280×1024分辨率）cmos图像采集芯片，其所在的功能模块具有独立地图像采集、处理的功能，采集后的图像通过图像采集功能模块进行图像压缩，供系统使用，这样可以减少CPU的负担，并且能得到较快的速度。模块采用了影像光源自动增益补强技术，能显示较好的画面。功能模块采用全速USB 2.0方式与CPU进行图像数据传输，理论速度为12 Mb/s，这对压缩后的单张图像而言已经满足在1 s内对图像进行传输的要求，保证了图像高速传输和对现场的及时监测。图像采集过程还具有红外夜视功能，满足24 h对现场的图像监控。由于终端在不开盖或者表箱不打开的情况下也可能出现窃电的行为，所以可使用内置和外置2个摄像头组合监测，2个摄像头相互覆盖对方的摄像范围，全方位监控现场情况。终端系统配置有8 G（最高可提高到32 G）的SD卡，图像采集模块可以把压缩后暂存的图像传递到SD卡进行更长时间的存储。

1.2.2 上行图像数据传输与4G通信技术

为了方便主站对图像数据的管理和降低图像处理功能模块的复杂度，来自主站命令的图像的查看、删除等操作统一通过终端MPU进行，4G通信模块不与2个图像处理模块进行直接数据交互，上行数据操作统一通过MPU与4G模块通道进行。在主站一侧，主站在收到图像数据后，可向相关的电力公司维护人员发送短信息和图片信息，提示应注意查看现场情况。4G通信具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点，它对于图像的传输比现行的2G和3G通信技术都具有很大的技术进步和优势。另外，各运营商的4G无线通讯制式也相互兼容，这也是一大优势。该设备4G公网通信和有线的网络通信可同时具备，并且模块可拔插，所以在个别无4G网络的区域可优先采用网络通信，如无网络布线可采用3G通信。

2 软件设计

1）软件架构设计

为满足无线通信的实时性要求，简化客户端维护工作，监控系统软件采用B/S混合应用架构，Java开发，使用Oracle数据库。

2）软件功能设计

软件功能主要由设备管理、告警管理、系统日志、短信通知、系统设置等几大功能模块组成。同时，增加主站的规约内容，对监控的图像进行查看等操作要增加有针对性的说明。对涉及到图像预览或者图像从主站远程获取的内容还会增加一定的人机界面。

3）与相关系统接口设计

为保证接口数据安全及实时性，系统与原有需求侧系统间采用WebService接口方式获取电表数据，进行二次告警分析。与原有营销系统库采用中间表方式获取用户基础数据，并与营销系统保持动态一致。

4）防窃电终端图像采集流程设计

智能防窃电终端图像采集流程如图2所示。由图可见，有2个相机触发的“判断条件”和3个“事件”。

图2 防窃电终端图像采集流程Fig.2 Image acquisition flow chart of preventing electricity-stolen terminal

条件1—人体红外触发拍照 探测距离7 m以内（距离可调）。人体的恒定体温一般在37℃，会发出特定波长10 μm左右的红外线，被动式红外探头是依靠探测人体发射的10 μm左右的红外线而工作的。红外触发电路由单独的功能模块电路完成，区别于CMOS镜头成像的红外发射补偿灯所发出的较弱的主动红外线。

有人员进入现场探测范围内时，相机便可进入触发拍摄状态，触发的时间间隔可以通过硬件设置，最大为5 min。当图像采集模块接收到触发信号时，可以执行图像采集命令，也可以通过软件设置拍照的时间间隔，拟设定触发时间间隔为5 s，若有人进入拍摄范围内系统可再连续拍照5次，间隔时间分别为 5 s，10 s，20 s，30 s，45 s的时间点。 在随后的5 min内，每隔1 min采集1张图像，之后的10 min内，每隔5 min采集1次。如果16 min之后，现场仍然有人在，就再隔6 min采集1次数据，连续采集3次。然后在1 h之内不再采集图像。若1 h后检测到有人在现场，则重复上述动作。一轮拍照的动作共采集15张图像，持续时间为34 min，在1 h之内剩余的26 min不再采集图像。

条件2—计量箱开关触发拍照该拍照模式是当计量箱的开关有动作时系统自动触发拍照。其触发控制环节可以通过监测终端的“门节点”接口进行检测，再通过MPU单元控制相机拍照的触发动作。每次计量箱打开后，连续拍照3张，每次间隔5 s。当表箱此后一直为开启状态时则不予处理。

事件A—拍照、存储并上报告警信息该事件是在判断条件1或者条件2任何一个满足要求时执行拍照动作，记录对应的告警信息并反馈给主站。

事件B—主站根据告警信息预览或者获取图像当主站接收到告警信息时，可人工进行预览或打开并另存为主站的本地图片，也可以通过主站删除确认为不需要的图片。

事件C—早期拍照的图像将会被后期新拍照的新图像覆盖该事件意味着原来拍照的图像主站未经查看或者预览、查看后认为没有必要保留的图像将会被新拍照的图像覆盖，从而保证新拍的照片有足够的存储空间。

事件D—用U盘取过照片时将删除已取得照片对应的终端系统内存储的照片终端可以通过U盘取出终端内的照片，如果存储空间不够，后续的照片将覆盖最早存储的照片。

3 主要创新及优势

即插即用的模块化设计，灵活性好。终端无线通信模块为即插即用型，4G无线数据通信不必受通信制式的影响，实时性好，且组网方便、易维护、扩展性好、接入灵活；外置的图像采集模块可根据现场情况随意安放并调整角度，最大限度地满足监控要求。

智能的防窃电监控和取证方式。传统的防窃电方式即使判断为现场有窃电行为，也无法有效取证。该设计在现有的专变采集终端中增加了红外摄像功能，可以24 h全天候有效地抓拍现场情况，为电力客户追回损失提供了有力的证据。双摄像头抓拍装置，能够更全面捕捉可疑对象。

通信方式创新。综合利用4G移动通信技术、计算机技术、传感器技术及图像压缩技术，研发出一套防窃电图像监控系统。该系统包括一种安装于现场的终端装置和一套中心监控软件，系统采用传感检测技术作为启动图像抓拍的依据，采用红外摄像、SD卡贮存技术、JPEG或者PNG图像压缩技术，当发生报警时主动采集图像并通过TD-LTE的4G通信网络将图像上传至主站，从而实现对计量装置的远程图像监控和窃电取证。

安全性高，可靠性好。采用专网方式，保证了信息安全；终端支持大容量外置存储卡存储，图像采用先本地存储，后传送的方式，即使网络信号不佳，也不会造成图像丢失。终端上线后可通过远程读取的方式将图像重新取回中心；监控终端自带电池，在停电的情况下能够支持终端运行15 min；系统有详尽的日志记录，保证系统异常时有据可查。

4 结语

本文分析了当前常见的防窃电技术、措施及其存在的缺陷。为解决对窃电行为进行取证的难题，提出了采用4G通信模块、智能视频取证等关键技术，研制出一款基于4G网络的，集防窃电、现场视频监控于一体的智能视频监控终端，为依法打击窃电提供重要手段。

[1] 赵兵，吕英杰，邹和平.一种新型防窃电装置的设计[J].电力系统保护与控制，2009，37（23）：116-119.

[2] 王珏昕，孟宇，殷树刚，等.用电信息采集系统反窃电功能现状及发展趋势[J].电网技术，2008，32（2）：177-178.

[3] 牟龙华，朱国锋，朱吉然.基于智能电网的智能用户端设计[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：53-56.

[4] 于光辉，耿桂森.基于用电信息采集系统的防窃电措施[J].山东电力技术，2014，41（3）：49-51.

[5] 李玉梅.窃电常见现象及反窃电措施[J].华北电力技术，2011，41（11）：45-47．

[6] 郭立才，彭志炜，范强.电能计量及反窃电方法综述[J].高压电器，2010，46（5）：86-88．

[7] MEFFE A.Technical loss calculation by distribution system segment with corrections from measurements[C]//20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution，2009：1-4．

[8] LV Z.Design and development of an intelligent anti-steal-electricity-power instrument[J].Electronic Measurement Technology，2006，29（5）：93-95.

[9] 张颖，熊德智，梁运华.500 kV电网运行集控中心设计与实现[J].中国电力，2010，43（7）：81-85.

[10]林弘宇，张晶，徐鲲鹏，等.智能用电互动服务平台的设计[J].电网技术，2012，36（7）：255-259．

Design of Preventing Electricity-stolen Intelligent Video Monitoring Terminal Based on 4G Network

FENG Ling1，XIONG De-zhi2，YANG Hua-xia1，WEI Dong1，CHEN Wen-hui3
（1.Electric Power Research Institute，Chongqing Electric Power Company，Chongqing 404100，China；2.School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.Zhengzhou Wante Electric Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

The current common preventing electricity-stolen technology and existing defects is analyzed.Using 4G communication module，intelligent video forensics and other key technologies，a intelligent video monitoring terminal basing on 4G network is developed，which integrates power stealing，power stealing and field video monitoring.Its overall design scheme is given.A software design method is proposed.the design of the image acquisition process of the preventing electricitystolen is mainly introduced，and the trigger scheme of the camera triggered by the door node switch trigger and infrared thermal-release detection is put forward.The device can timely find the scene of the various power theft and to obtain evidence，can effectively solve the difficulty of electricity larceny evidence collection，provides important means for power will be punished in accordance with the law.It has a strong practical value and broad application prospects.

video monitoring terminal；preventing electricity-stolen；4G network；overall design scheme；scene evidence obtaining

TM933.4

B

1001-9944（2017）08-0048-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.012

2017-03-27；

2017-07-15

国家电网公司科技创新项目（2017）

冯凌（1976—），男，本科，高级工程师，研究方向为电能计量、用电信息采集等；熊德智（1979—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统通信、智能配电网、电测量技术等。