一种智能电力安全围栏的设计

摘要：该文提出了一种新型智能电力安全围栏设计，以微控制器为核心，能设定不同安全防护等级，支持工作模式灵活切换；基于主从架构，既可独立工作，又可多围栏协同工作。通过红外检测辅以射频识别双重检测人员进出、现场声光报警、LED状态提示、语音播报、短信猫远程警报信息发送等功能，可有效提升围栏的防护安全性。

关键词：微控制器；短信猫

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0164-02

电力安全围栏是电力公司施工/检修等现场带电作業必备的安全工器具之一，旨在提醒作业员在规定区域工作，防止无关人等擅入，能够有效降低意外事故发生。传统安全围栏大都存在警示作用有限（以悬挂标示牌为主，缺乏听觉视觉等多重感官警示）、被动防护等弊端。本文设计了一种智能型安全围栏，以微控制器为控制核心，安装LED显示屏增强警示效果，围栏入口安装红外传感器和RFID识别装置，双重检测，防止意外闯入或其他场地工业人员误入。当异常闯入时进行声光和语音警报，同时上报给控制器，可有效提高围栏防护安全等级，有效保障人员安全。

1 整体架构

为适应各种规模的工作现场，整个系统采用主从架构，由1个主围栏控制器和N个从围栏控制器组成。施工前，工作人员统一设置围栏工作模式。正常工作时，主从围栏保持通信，有意外闯入时，发生异常的围栏进行声光和语音报警，同时将信息上报。系统的整体架构图1如下：

主控制器核心功能包括通过触摸屏来设置工作模式和工作人员手机号码；检测从控制器是否异常，维护系统通信；接收从控制器上报的异常信息，发短信提醒工作人员。主控制器通过定时广播一个“心跳检测”数据帧来维护通信，“心跳检测”帧广播后，依次检测从控制器的应答信号，如果规定时间内未收到应答，则单播再次确认信号两次，若无应答则上报异常给管理人员。从控制器主要实现两个功能：一是根据主控制命令做出响应如设置工作模式、心跳应答等；二是检测、处理与上报异常。

2 技术要点

2.1 通信控制

围栏系统需支持多点同时触发、高实时性等特点，因此通信采用控制器局域网络 CAN（Controller Area Network，CAN）总线，它是串行通信网络，有效支持分布式/实时控制[1][2]，在理想条件下，通信距离可达10KM。CAN通信本身没有主从之分，任何节点均可向任意其他节点发送数据帧，数据帧以广播形式在总线上传输，每个节点根据帧标识符确认是否接收该报文，这种面向内容的编址方案，方便灵活配置，实际应用时可配置为一主多从、多主多从、多节点对等结构。同时CAN自带冲突检测机制（CSMA-CD）、根据标识符自动仲裁机制、CRC检验等保障了通信的可靠性。

本系统配置为单主多从结构，应用层采用自定义协议，充分利用标准数据帧11位标识符，通过标识符和接收掩码机制，完成高效的接收过滤，其中ID10为主从模式位（0为主控制器发送控制命令，1为从控制器上报数据），ID9-5源控制器地址，ID4-0目的控制器地址[3]，控制器地址采用5位拨码开关进行设定，数据传输时从控制器地址设置为0规定为广播帧。主从节点采用相同的硬件电路设计，采用核心板加扩展板形式实现，各个模块以接插件形式安装，增强通用性和灵活性。

2.2 控制器选型与工作模式

系统采用内嵌 CAN通信模块、外设单元丰富、性能优越的飞思卡尔公司MC9S08DZ60作为主控制芯片。

为了细化安全等级，围栏设有常规维修、高压试验、夜间模式三种工作模式。高压试验对安全性要求较高，一旦有人接近则声光警示，当非法闯入时，则持续声光报警并语音高音播报从何处闯入，同时发送信息给现场管理人员； 常规维修模式下有人靠近时LED屏显示警示语，并语音常音提醒，非法闯入时，语音高音警示人员从哪里闯入。夜间模式下LED屏一直处于显示提醒状态，防止夜间黑暗，有人误入。

通过主围栏触摸屏可以批量设置从围栏的工作模式，也可以单独设置某从围栏的工作模式。从围栏工作于特定的工作模式下，根据现场情况上报信息。

2.3 RFID识别与红外检测

射频识别RFID （Radio Frequency Identification，RFID），是一种通过射频信号自动识别目标对象、非接触式的自动识别技术，由标签、阅读器、天线组成，被广泛应用于物流、人员管理等系统中。闯入检测采用红外与RFID双重检测方式，当红外对射传感器检测到有人闯入时，RFID自动识别人员身份同时记录日志，有效防止非法闯入，同时避免多场地同时施工时工作人员错入施工场地，进一步保障作业人员安全。为保证红外感应的准确性，防止错过人员靠近警示，程序实现时红外信号的检测判断放在中断中执行。

设计中采用深圳市阿法迪科技有限公司的AFD-8200分体式四通道读写器进行RFID读写。该设备工作在902～928MHZ，有4个外接TNC天线接口，搭配12dbi线极化天线可实现稳定读取距离8-12M，支持多种用户接口，系统采用RS232进行接口。

2.4 语音播报

语音播报采用可重复擦除烧写的语音芯片WT588D，可通过Flash芯片存储不同长度的语音，通过上位机软件，可随意组合语音。可使用三线串口进行播放控制（播放/停止/循环播放、音量调节等），控制播放不同地址字段的语音。

系统中语音播报分高音和常音播报，高压试验和人员非法闯入时皆为高音播报，其他情况常音播报。播报内容有两条，常规维修和夜间模式的警示语为“电力检修，请勿入内”；高压试验状态为“高压危险，请勿靠近”[4]。

2.5 LED 显示

系统采用标示牌加LED灯光警示进行双重视觉警示，LED采用F3.0点阵256*64双色恒压户外显示屏。白天当有人靠近触发红外感应时，才会亮起，以节约用电。夜间状态LED屏警示处于持续显示状态，防止夜间黑暗有人误闯[4]。

2.6 短信提醒

当异常发生时需要通知管理人员及时处理，因此系统中实现了短信提醒功能。短信提醒通过一种能实现短信收发的网关设备-短信猫实现（需要SIM卡支持）。设计选用华为公司的EM310模塊，它可方便进行远程信息处理以及其它移动数据传输，模块经UART接口与主控芯片连接，通过AT指令进行控制，异常发生时短信猫发送短信到主控制器上提前设置好的管理人员手机上。

3 应用效果与创新点

使用1个主围栏和5个从围栏，进行现场测试，测试结果表明：可以有效感应到人员靠近并发出警告，使传统围栏的被动防护转变为了主动警示；异常闯入时管理人员能在5s 内收到报警短信，可有效处理异常事件；多围栏协同工作，通信稳定；LED 屏夜间警示效果明显。

系统具有以下创新点：

（1） 针对不同规模的施工现场，主从围栏可任意组合，易于扩展。

（2） 可根据场合，设定不同安全防护等级，可方便的通过触摸屏调整和设定围栏工作模块，并制定不同的处理方式。

（3） RFID可记录作业人员的进出信息，可方便确认作业人员就位情况。

（4） 短信提醒功能可及时通知管理人员，提高处理效率。

4 结论

本文阐述了安全围栏的整体架构、技术要点（通信控制、控制器选型与工作模式、RFID识别与红外检测、语音播报、LED 显示、短信提醒等），论述了安全围栏的应用效果和创新点。有效改善了传统围栏防护被动、警示弱、异常检测与处理滞后等弊端。设计采用独特的一主多从围栏体系，灵活性强，适用于不同规模的检修场所。支持工作模式设定，可设置不同安全防护等级。为管理人员提供了异常短信提醒功能，方便异常处理。从整体效果来看，提高了电力施工的安全性。

参考文献：

[1] 李科勇，冉蜀阳，史一.基于CAN总线的智能抄表系统的设计[J].中国测试技术，2008（2）.

[2] 孙铁兵，鞠宁.CAN总线及其高层协议[J].微处理机，2006（1）.

[3] 王玉丽，王宜怀.基于CAN总线的智能电动密集架控制系统的研究[J].计算机应用与软件，2017（4）.

[4] 张怀军，曹付民，彭梓元，周国鹏.智能型电力施工安全围栏的设计与应用[J].湖北科技学院学报，2018（3）.

[通联编辑：梁书]