電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

舒 征 ，王友權(quán) ，張鳳國(guó)

（1.貴州電網(wǎng)公司興義供電局，貴州 興義 562400；2.北京國(guó)電海明科技發(fā)展有限公司，北京 100081）

衛(wèi)星通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中都得到了廣泛而深入的應(yīng)用，有利地提高了遠(yuǎn)程管理能力，降低了野外運(yùn)營(yíng)成本[1]。輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，巡線人員的巡檢工作則有效地保證了輸電線路及其設(shè)備的安全[2]。偏遠(yuǎn)地區(qū)的巡線人員需在輸電線路所在的高山大川中作業(yè)，人生安全不易得到保障[3]。巡線人員在遇險(xiǎn)時(shí)向控制中心或巡線車呼救，傳統(tǒng)的呼救設(shè)備是用手機(jī)通過GSM/GPRS傳送話音和短信，要受公網(wǎng)覆蓋信號(hào)區(qū)域范圍的影響，對(duì)于沒有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的地方，緊急呼救信號(hào)的發(fā)送就無法實(shí)現(xiàn)[4-5]。因此，開發(fā)一種能在沒有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的情況下將巡線人員的位置和呼救信息可靠傳送出去的裝置非常必要。

1 系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)方案

開發(fā)一種設(shè)備，使其可以在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制中心與巡線人員間的語音對(duì)話功能，并且能通過GPS技術(shù)和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在沒有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的情況下將巡線人員的地理位置和呼救信息可靠傳送到控制中心，也可以接收控制中心下發(fā)的信息或指令。為實(shí)現(xiàn)這些功能，本電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。該呼救系統(tǒng)由上位軟件、對(duì)講機(jī)（子機(jī) 1）和呼救器（子機(jī)2）組成。

圖1 電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)總體框圖

上位軟件是用于控制中心人員監(jiān)控的一個(gè)平臺(tái)，它用來與子機(jī)進(jìn)行信息交流。當(dāng)子機(jī)給上位軟件發(fā)送信息時(shí)，界面可以顯示信息內(nèi)容以及位置信息，并可通過Google earth將子機(jī)位置圈定在地圖上。

對(duì)講機(jī) （子機(jī)1）是集成了雙向通信無線對(duì)講功能的GPS導(dǎo)航接收機(jī)。它可以實(shí)現(xiàn)完全免費(fèi)的全球定位功能，獲取當(dāng)前位置信息，并將位置信息發(fā)送到控制中心上位軟件，以保證控制中心人員時(shí)刻掌握巡線人員所在位置。也可以在5 km范圍內(nèi)進(jìn)行免費(fèi)對(duì)講通信，方便了控制中心人員與巡線人員的聯(lián)系。

呼救器 （子機(jī)2）由GPS接收模塊、銥星公司的SBD9602衛(wèi)星通信模塊和嵌入式微控制器（Atmega 128A）構(gòu)成。它可以在全球范圍定位，并且實(shí)現(xiàn)了在沒有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的情況下將巡線人員的地理位置和呼救信息可靠傳送到控制中心，也可以接收指揮管理中心下發(fā)的信息或指令。

2 上位軟件界面與功能

上位軟件是控制中心人員的操作平臺(tái)。本文的對(duì)講機(jī)與呼救器的上位軟件界面不同，實(shí)現(xiàn)的功能也有差異。

對(duì)講機(jī)的上位軟件控制界面如圖2所示。將一臺(tái)對(duì)講機(jī)通過串口接到計(jì)算機(jī)上作為子機(jī)1的主機(jī)，主機(jī)位置信息在界面下方顯示，并不斷更新。子機(jī)可向主機(jī)發(fā)送GPS信息，此時(shí)，界面顯示信息接收時(shí)間及子機(jī)位置信息。單擊“調(diào)用 GE”則使用Google earth顯示，它僅顯示最新位置信息?！罢{(diào)用GE時(shí)使用主機(jī)位置”即用Google earth顯示主機(jī)所在位置。

呼救器的上位軟件控制界面有接收信息和回復(fù)信息功能。上位軟件接收到郵件，打開郵件，界面上顯示呼救器的位置信息或編輯信息內(nèi)容，點(diǎn)擊 “google地球顯示”，則在Google earth上圈定呼救器所在地點(diǎn)。上位軟件編輯回復(fù)信息，及向呼救器發(fā)送信息。在上位軟件中點(diǎn)擊 “回復(fù)郵件”，進(jìn)入寫郵件狀態(tài)，填寫收件人與標(biāo)題，在附件內(nèi)容中編輯信息內(nèi)容，點(diǎn)擊“發(fā)送”，信息發(fā)送成功時(shí)有文字提示。

3 對(duì)講機(jī)的功能應(yīng)用

對(duì)講機(jī)可以進(jìn)行GPS定位，給控制中心發(fā)送位置信息；也可以進(jìn)行語音通信，實(shí)現(xiàn)與控制中心的通話。但對(duì)講機(jī)的使用范圍受到限制，只能在5 km范圍內(nèi)進(jìn)行信息交流。將對(duì)講機(jī)應(yīng)用到呼救系統(tǒng)中，主要是利用其對(duì)講功能，相比于短信息形式的交流，語音通話更便于控制中心了解巡線人員的工作情況。

4 呼救器的設(shè)計(jì)與功能

鑒于對(duì)講機(jī)的使用范圍有限，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)不受地域限制的呼救器（子機(jī)2），它的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。GPS模塊負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星定位信息，將接收并計(jì)算得到的信息通過串口送往微控制器。微控制器模塊對(duì)接收的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并篩選出所需的經(jīng)、緯度位置數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信模塊采用銥星的SBD9602透明數(shù)傳模塊，通過按鍵控制方式向控制中心發(fā)送信息，也可接收并顯示控制中心下發(fā)的信息或指令。信息顯示模塊則可顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間信息、位置信息以及與控制中心交流的消息內(nèi)容。當(dāng)巡線人員遇險(xiǎn)呼救時(shí)，微控制器將最近接收到的GPS模塊提供的一組經(jīng)、緯度位置數(shù)據(jù)組成一個(gè)呼救信號(hào)數(shù)據(jù)包，通過衛(wèi)星通信模塊發(fā)送出去。

圖3 呼救器的總體設(shè)計(jì)框圖

4.1 GPS定位技術(shù)與GPS模塊

GPS即全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分組成。利用該系統(tǒng)，用戶能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位[6]。

GPS模塊在電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)中負(fù)責(zé)定位功能。呼救系統(tǒng)顯示的時(shí)間信息、位置信息和速度信息均由GPS模塊提供。在呼救系統(tǒng)中，將GPS模塊與Atmega128A用串口進(jìn)行連接，通過對(duì)Atmega128A編程，給GPS模塊一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，使其開始工作，GPS模塊便會(huì)定時(shí)向單片機(jī)Atmega128A發(fā)送信息。

4.2 衛(wèi)星通信模塊的功能和特點(diǎn)

衛(wèi)星通信模塊采用銥星公司的SBD9602來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。銥星SBD透明數(shù)傳模塊利用覆蓋全球的銥星衛(wèi)星短數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，通過串口與用戶設(shè)備連接線實(shí)現(xiàn)短數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程透明傳輸[7]。

將SBD9602與Atmega128A用串口連接，通過編程使SBD9602工作，完成呼救系統(tǒng)與控制中心間的信息交流。在程序中多用到的語句是：AT+SBDWT、AT+SBDRT和AT+SBDI。其中，AT+SBDWT將編輯內(nèi)容存儲(chǔ)到SBD9602的發(fā)送緩沖區(qū)中；AT+SBDRT將SBD9602的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀取出來；AT+SBDI將SBD9602內(nèi)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星并檢查銥星服務(wù)器是否有要接收的本機(jī)信息。語句的組合使用則完成呼救系統(tǒng)信息的發(fā)送與接收。

衛(wèi)星通信模塊負(fù)責(zé)電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)與控制中心的通信任務(wù)，它將處理好的GPS數(shù)據(jù)和呼救信息上傳給控制中心，并接收控制中心發(fā)送給巡線人員的信息或指令，該模塊直接影響到遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)的實(shí)際使用效果。

4.3 微控制器模塊Atmega128A

電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)通過Atmega128A控制各模塊工作。Atmega128A通過UART0讀取GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，分析得到系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，如當(dāng)前位置、時(shí)間、海拔高度及速度等。Atmega128A將得到的數(shù)據(jù)內(nèi)容處理后存儲(chǔ)起來，并顯示在12864LCD上。同時(shí)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，使得用戶可以通過按鍵控制進(jìn)行翻頁、確定、返回、發(fā)送消息及接收消息等操作。當(dāng)需要發(fā)送消息或者接收消息時(shí)，Atmega128A通過UART1控制衛(wèi)星通信模塊SBD9602，利用AT指令實(shí)現(xiàn)發(fā)送接收消息以及讀取消息的功能。

在開始時(shí)，Atmega128A對(duì)系統(tǒng)中的信息顯示模塊12864LCD、GPS衛(wèi)星定位模塊以及銥星SBD9602通信模塊進(jìn)行初始化；然后GPS衛(wèi)星定位模塊和方位指示器同時(shí)進(jìn)行工作，隨時(shí)檢測(cè)是否有求救信號(hào)發(fā)出以及選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有呼叫請(qǐng)求信號(hào)發(fā)來時(shí)，微控制器就會(huì)從內(nèi)存中獲取最新的經(jīng)、緯度位置信息并進(jìn)行編碼；再檢測(cè)是否有載波。當(dāng)有載波時(shí)，就等待下一個(gè)新的呼叫請(qǐng)求信息的編碼，否則繼續(xù)發(fā)射數(shù)據(jù)到巡線搜救車中。當(dāng)信息發(fā)射完畢后再回到檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的下一步進(jìn)行工作，如此周而復(fù)始地工作。

4.4 呼救器功能介紹

電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)由12864液晶顯示屏、8個(gè)按鍵、GPS模塊、SBD9602模塊以及 ATmega128A 5部分組成。另外，電源接口部分采用5 V直流電壓供電。信號(hào)指示燈從左至右依次表示是否接通電源、是否啟動(dòng)了SBD9602、SBD9602是否有信號(hào)以及GPS是否有信號(hào)。

電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)可以完成的功能有：發(fā)送當(dāng)前信息、發(fā)信息、發(fā)信息（含地址）和接收消息。各個(gè)功能的具體內(nèi)容如下。

（1）發(fā)送當(dāng)前位置：僅向控制中心發(fā)送呼救系統(tǒng)所在的位置信息。

（2）發(fā)信息：進(jìn)入信息編輯界面，通過“上翻”、“下翻”鍵選定字母，按“確定”鍵確定選擇，完成信息編輯后則按“發(fā)送”鍵發(fā)送信息（編輯界面上部的26個(gè)英文字母以及空格、逗號(hào)、句號(hào)、問號(hào)、嘆號(hào)、分號(hào)這 6個(gè)符號(hào)是供信息編輯時(shí)選擇的，下部則用來顯示編輯完成的信息。）

（3）發(fā)信息（含地址）：其功能同發(fā)信息類似，在此基礎(chǔ)上，向控制中心發(fā)送信息時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前地址信息。

（4）接收信息：即搜索是否接收到來自控制中心的信息。若沒有新消息到達(dá)，則顯示屏顯示“無新消息”；若接收到新消息，則顯示屏顯示“接收成功”，并能顯示消息內(nèi)容。

呼救系統(tǒng)通過這些模塊和功能完成與控制中心間信息的發(fā)送與接收。

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有呼救設(shè)備存在監(jiān)控范圍有限以及受公網(wǎng)信號(hào)限制等問題，提出了電力巡線野外遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)。該呼救系統(tǒng)中的對(duì)講機(jī)部分實(shí)現(xiàn)了5 km范圍內(nèi)語音通話功能，并且能夠向上位軟件發(fā)送GPS定位信息。呼救器中GPS模塊可以進(jìn)行全球范圍定位，擴(kuò)大了控制中心的監(jiān)控范圍。衛(wèi)星通信模塊則解決了在沒有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的情況下將巡線人員的位置信息和呼救信號(hào)可靠發(fā)送出去的技術(shù)難題。兩個(gè)子機(jī)配合使用，功能互補(bǔ)，為保障電力野外作業(yè)人員的人身安全起著非常重要的作用。因此，電力野外巡線遇險(xiǎn)呼救系統(tǒng)的應(yīng)用無論在技術(shù)方面、經(jīng)濟(jì)方面，還是系統(tǒng)建設(shè)方面都是可行的。

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[5]寧可慶.衛(wèi)星定位及呼救系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

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