一種竊電取證裝置的設(shè)計

李洋，王小峰，劉碩

大連醫(yī)科大學(xué)中山學(xué)院，遼寧大連，116085

0 引言

竊電是一種違法行為，不僅造成國家財產(chǎn)損失，同時竊電造成用電不安全極易引發(fā)火災(zāi)。竊電方法主要分為搭線法和改變接線法兩種，搭線法竊電較為明顯，如今更多地采用改變接線法來竊電，即通過改變電能表的接線方式造成電能表無法計量電能。這種竊電方式極其隱蔽也導(dǎo)致電力營銷人員無法取證進(jìn)而無法對其進(jìn)行處罰。鑒于此，本文設(shè)計了一種針對改變接線法的竊電取證裝置。

1 竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)

竊電取證裝置總體設(shè)計要求其體積較小、便于部署和隱藏。因此設(shè)計中所有電路體積盡可能小。竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)

控制器是竊電取證裝置的控制核心，通過竊電檢測單元實(shí)現(xiàn)對竊電行為的檢測和取證。該裝置采用RS-485或者電力線載波通信讀取用戶電表數(shù)據(jù)，通過電能計量單元計量用戶真實(shí)用電數(shù)據(jù)，通過GPS單元獲取實(shí)時時間信息和坐標(biāo)信息以保證采集數(shù)據(jù)與電網(wǎng)數(shù)據(jù)時間同步，采用4G無線通信實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

2 竊電檢測與取證單元設(shè)計

2.1 竊電檢測實(shí)現(xiàn)方式

2.1.1 竊電檢測單元基本結(jié)構(gòu)

技術(shù)竊電主要通過改變電表箱接線方式實(shí)現(xiàn)電能表無法對電能計量。由于當(dāng)前的電表都是統(tǒng)一部署在電表箱內(nèi)部，所以首先需要開啟電表箱，然后改變電能表接線，最后關(guān)閉電表箱。因此根據(jù)該行為將竊電檢測單元分為電表箱開箱檢測、生物入侵檢測、圖像抓拍、圖像存儲四個單元。竊電檢測單元基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 竊電檢測單元功能結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 竊電檢測工作流程

竊電檢測工作流程以電表箱開箱檢測作為觸發(fā)條件。首先判斷電表箱是否開啟，如果電表箱開啟，則進(jìn)入生物入侵檢測程序，檢測是否有人員進(jìn)入電表箱附近。因為電表箱的開啟也有可能是受外力作用，如強(qiáng)風(fēng)、生產(chǎn)建設(shè)施工碰撞等。若檢測到人員入侵，則開啟攝像機(jī)進(jìn)行圖像抓拍，將抓拍的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)缴蠈颖O(jiān)控系統(tǒng)，同時對抓拍的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲（如圖3所示）。

圖3 竊電行為抓拍功能邏輯控制圖

2.2 電表箱開箱檢測

光電型接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)最為簡單、部署使用最為方便、成本最低，可以更好地達(dá)到隱藏效果。接近開關(guān)結(jié)構(gòu)與開箱檢測電路圖如圖4所示。

圖4 接近開關(guān)結(jié)構(gòu)與開箱檢測電路圖

當(dāng)接近開關(guān)供電并正常工作時，存在開箱動作，則信號線的電平輸出為高電平，因此控制器可以通過檢測該信號線的電平變化實(shí)現(xiàn)開箱檢測。接近開關(guān)的三條信號線接入J3接口，當(dāng)開箱后黑色信號線電平由0V變?yōu)?2V，光耦內(nèi)部的LED二極管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)閉，則輸出的INT信號由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?/p>

2.3 生物入侵檢測的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 基于熱釋電傳感器的生物入侵檢測

熱釋電紅外傳感器是利用溫度變化的特征來探測紅外線的輻射。當(dāng)有熱能源移動到信號覆蓋區(qū)域內(nèi)時，其會輸出脈沖信號。控制器通過檢測脈沖信號判斷是否有生物入侵。其部署簡單方便，脈沖信號檢測方式對控制器要求較低。

設(shè)計中選用型號為RD-623的熱釋電紅外傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和較好的信噪比，可以滿足工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定工作的要求，且采用雙元補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可以有效抵抗外界環(huán)境干擾，采用金屬封裝形式，使得其有較好的電磁屏蔽效果，尤其是對變壓器工作環(huán)境下較強(qiáng)的電磁環(huán)境有很好的適用性。此外，傳感器選用的干涉濾光片截止深度高、抗白光能力強(qiáng)。

2.3.2 熱釋電紅外模塊設(shè)計

為了方便使用和部署，將熱釋電紅外傳感器單元設(shè)計成獨(dú)立的模塊，通過接口線纜與控制單元相連。如此該模塊可以根據(jù)現(xiàn)場的具體狀況隨意部署，方便使用。

熱釋電紅外模塊電路采用BISS0001芯片作為傳感器的信號處理芯片，該芯片內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲定時器、狀態(tài)控制器等，采用CMOS工藝，解調(diào)范圍寬，可以有效抑制干擾，保證穩(wěn)定工作。

2.4 圖像抓拍單元設(shè)計

以太網(wǎng)攝像機(jī)采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通常也稱為IP camera。IP camera是目前使用最為廣泛的攝像機(jī)，廣泛用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域。其傳輸速率可以為100Mbps或1000Mbps，傳輸距離超過100m，在使用交換機(jī)進(jìn)行中繼后，傳輸距離更遠(yuǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的像素較高，可以達(dá)到400萬、1300萬甚至更高。

本設(shè)計中攝像機(jī)采用基于以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)奈⑿⌒蛿z像機(jī)以方便部署和隱藏。

3 電能計量與竊電識別單元設(shè)計

電能計量用于對比確認(rèn)。當(dāng)竊電后用戶原有電表的電能計量與實(shí)際用電量不符時，就可通過比較本電能計量采集數(shù)據(jù)與用戶電表的實(shí)際采集數(shù)據(jù)來判斷其是否存在竊電行為，即如果兩者有差值，則確定用戶竊電。電能計量單元采用RN8209芯片實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是針對改變接線的竊電識別功能來設(shè)計的，當(dāng)用戶改變零線和火線的接線方式時，芯片可以自動識別。

電能計量與竊電識別單元包括控制器、RN8209D芯片和基本采集配置電路。其中控制器與RN8209D芯片之間采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口通信。芯片供電電壓為5V，同時需要配置3.57954MHz時鐘晶體，以為該芯片提供ADC檢測時鐘。

電壓采樣電路如圖5所示，電壓火線連接P1接口，同時需要串聯(lián)4個300kΩ的電阻后接入到RN8209D芯片的ADC1單元中。電流互感器接入上述P3接插件位置，普通居民用戶的互感器變比選擇2500∶1的比例。分流器采用接入圖中P5接口，零線接入P4接插件中。輸出信號接入RN8209D的8號和9號引腳。

圖5 電壓電流采集電路圖

4 其他各單元設(shè)計

4.1 電能表數(shù)據(jù)采集

電能表數(shù)據(jù)采集主要采集電能表的電能計量數(shù)據(jù)。將采集數(shù)據(jù)與上述電能計量單元相比較來判斷是否存在差值。目前電能表主要有RS-485電表和電力線載波電表，因此電能表數(shù)據(jù)采集主要是RS-485通信和電力線載波通信。

（1）電力線載波通信電路使用MI200E載波芯片實(shí)現(xiàn)電力線載波通信功能。該芯片與控制器通信采用SPI接口，供電電壓為3.3V。電路工作需要配置12MHz的時鐘晶體作為該芯片的時鐘基礎(chǔ)。

（2）RS-485通信電路選用HM3085芯片。HM3085性能較強(qiáng)，防靜電能力達(dá)到15kV，通信速率可達(dá)2.5Mbps。

4.2 供電管理

供電管理需要考慮電池供電和交流取電兩種供電方式。電池供電用于竊電時切斷總電源情形，而當(dāng)交流電存在時則采用交流取電方式。交流取電方式可以為電池充電。

4.2.1 供電切換電路

供電切換電路與交流電失電檢測電路如圖6所示。其中VCC_A/B/C為通過AC/DC轉(zhuǎn)換后得到的電壓,VCC_BAT為電池供電電壓。MCU_CTRL為控制器控制引腳。

（1）當(dāng)接入交流電后，VCC_A/B/C上電，Q3導(dǎo)通，VCC_A/B/C流過二極管D1并經(jīng)過Q3流入后端電路VCC_DC_MCU；控制系統(tǒng)電路上電運(yùn)行。

（2）控制器控制MCU_CTRL為高電平，則MOS管Q2導(dǎo)通。此時同時有Q2和Q3兩條通路給VCC_DC_MCU供電；由于VCC_BAT電壓小于VCC_A/B/C，則供電源仍為VCC_A/B/C。

（3）當(dāng)VCC_A/B/C斷電，Q3斷開，此時由電池VCC_BAT經(jīng)過二極管D2和Q2給VCC_DC_MCU供電；實(shí)現(xiàn)外部斷電時電池供電。

（4）電池充電：

當(dāng)外部供電VCC_A/B/C上電時，則VCC_A/B/C通過D1和R2給電池充電，其中R2為充電限流電阻；電池電壓VCC_BAT最大值可以達(dá)到VCC_A/B/C減去二極管D1壓降。

4.2.2 交流供電的失電檢測

光耦器件可實(shí)現(xiàn)高壓信號和低壓信號的隔離。當(dāng)線路上電壓消失時，輸出信號JDQ_TEST由低電平轉(zhuǎn)為高電平?？刂破魍ㄟ^檢測該信號的高低電平狀態(tài)可以判斷配電網(wǎng)供電失電（如圖6所示）。

圖6 供電切換與交流供電失電檢測電路圖

4.3 GPS授時與定位實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計采用支持北斗定位的G1010X模塊來實(shí)現(xiàn)定位，該模塊通過UART接口與控制器通信。

該模塊同時支持GPS和北斗兩種模式，定位精度2m左右，工業(yè)級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，可以在-40～85℃溫度條件下運(yùn)行,具有較高的接收靈敏度，因此能夠保證在惡劣氣象條件下的定位和授時功能。

4.4 4G通信單元設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)4G通信單元既要傳輸用戶電能信息，同時也要傳輸竊電抓拍的視頻數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)速率較大，其中視頻數(shù)據(jù)速率要求達(dá)到數(shù)十兆，因此對于4G通信速率要求較高。

4G模塊目前根據(jù)與控制器的接口不同有兩種方式，一種是基于UART透傳的方式，一種是基于以太網(wǎng)透傳的方式?；赨ART接口的透傳，通信速率會受到UART通信接口速率的限制，因為UART通信速率最大為20Kbps，雖然4G無線通信的最大速率可以達(dá)到100Mbps，但是該模塊的最大通信速率也僅有20Kbps，而這一速率無法滿足視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

基于以太網(wǎng)轉(zhuǎn)4G的通信模塊與控制器端互聯(lián)的接口為以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)接口傳輸速率可以到100Mbps甚至更高，因此可以實(shí)現(xiàn)高清視頻信息的傳輸。

因此通過對比分析，本設(shè)計中選用基于以太網(wǎng)透傳的4G無線通信模塊。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，系統(tǒng)設(shè)計選用M400-B模塊，該模塊采用mini PCIE接口，尺寸僅有60mm*45mm，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)到4G之間的無線傳輸。視頻監(jiān)控攝像機(jī)通過以太網(wǎng)協(xié)議接口接入該模塊，即可實(shí)現(xiàn)4G傳輸。M400-B模塊具有較高的集成度，滿足工業(yè)級運(yùn)行要求，適合各種工業(yè)場景的集成開發(fā)。

4.5 控制器單元設(shè)計

本設(shè)計選擇基于cortex-M7內(nèi)核的STM32F746處理器，該處理器主頻達(dá)到216MHz，接口豐富，具有較高的處理能力，可以很好地滿足本系統(tǒng)應(yīng)用。

相較于其他中端產(chǎn)品，STM32F746處理器最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有簡單的特點(diǎn)，只需要SDRAM芯片、QSPI FLASH芯片、復(fù)位管理、時鐘單元和基本供電即可。最小系統(tǒng)部分電路框圖如圖7所示。上電復(fù)位管理采用MAX811芯片，上電后輸出200ms復(fù)位脈沖，保證系統(tǒng)上電后可以穩(wěn)定工作。ARM控制器需要配置兩種時鐘，一種是RTC時鐘，采用32.76kHz時鐘晶體，保證在關(guān)機(jī)情況下，RTC時鐘仍可以運(yùn)行，主時鐘采用25MHz晶體，控制器在此基礎(chǔ)上進(jìn)行倍頻，通過配置時鐘寄存器使其得到216MHz的運(yùn)行主頻。

圖7 STM32F746處理器最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本裝置通過開箱檢測、入侵檢測以及攝像頭視頻信息采集實(shí)現(xiàn)對竊電行為的取證，通過對比用戶電表用電量數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確認(rèn)用戶是否竊電，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠的竊電取證。