基于QT語音平臺的電力電纜終端設(shè)備巡檢系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)

高 亮　閆凡銘　張博陽　王九龍　劉彥輝　楊 倩　薛玉翠

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院　黑龍江綏化　152061）

在電線電纜中，電纜終端是重要組成部分，電纜終端的故障率遠(yuǎn)高于電纜本身[1,2]。在故障發(fā)生的概率統(tǒng)計(jì)中，電纜終端的故障率大約70%，且影響電力電纜及電纜終端的因素很多，如電、熱、化學(xué)及外部環(huán)境等[3]。電纜需要根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況每1～3年停電檢查一次，室外電纜終端頭需要每月巡視1次，每年二月及十一月進(jìn)行停電清掃檢查。檢查程度繁瑣、復(fù)雜，且需要投入大量人力物力，現(xiàn)實(shí)行定期檢查，急需高質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)控巡檢。

現(xiàn)今，巡檢系統(tǒng)及裝置的使用層出不窮，并應(yīng)用于多種場合。主要分為兩方面，即人工遙控巡檢與自動巡檢[4,5]。人工遙控巡檢是使用人員通過遙控平臺對巡檢系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)巡檢系統(tǒng)的多場地巡檢功能。自動巡檢為無人工操作，巡檢系統(tǒng)啟動后自動按照默認(rèn)線路進(jìn)行巡檢。兩種巡檢方式下巡檢質(zhì)量與效率，很大程度取決于系統(tǒng)中各種信息的傳輸速度與命令執(zhí)行效率。

QT是由QTCompany開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，目前包括QT、基于FrameBuffer的Qtopia Core、快速開發(fā)工具QTDesigner和國際化工具QTLinguist等部分[6]。QT支持所有的UNIX系統(tǒng)，當(dāng)然也包括Linux系統(tǒng)，還支持WinNT/Win2k、Windows95/98平臺。并且，QT與HTK馬爾科夫模型語音識別工具結(jié)合形成移植性強(qiáng)的圖形控制界面[7]。QT語音平臺具有對語音命令的高效執(zhí)行率，被相繼開發(fā)運(yùn)用到各種控制系統(tǒng)中。

一、系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)一種用于電力電纜終端設(shè)備工作環(huán)境的巡檢系統(tǒng)及裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)控終端設(shè)備的工作外場情況，以此代替人工巡檢，并且能對其進(jìn)行實(shí)時保護(hù)及危險境況進(jìn)行處理。具體設(shè)計(jì)要求如下。

（一）系統(tǒng)能夠?qū)﹄娎|終端設(shè)備工作外場環(huán)境（溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體、火焰和人員）進(jìn)行實(shí)時檢測。

（二）系統(tǒng)能夠?qū)⑼鈭鰴z測數(shù)據(jù)及圖像信息高速、高質(zhì)量地反饋到控制端，并且可以通過語音命令實(shí)時遠(yuǎn)程可視化控制。

（三）巡檢時遇到突發(fā)狀況（如發(fā)生火焰、設(shè)備形變等），檢測裝置可以及時報警，并作快速做出處理。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)由處理器與語音平臺完成傳輸信息及命令的交換處理，其中處理器通過電池組進(jìn)行供電；檢測組包括多傳感器組與攝像頭，其中多傳感器組包括溫度、濕度、煙霧、可燃?xì)怏w、有毒氣體、火焰和紅外傳感器，能夠?qū)K端設(shè)備工作外場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測；處理器可以將檢測的信息及時反饋到PC顯示器上；語音平臺將控制者發(fā)出的聲音命令進(jìn)行處理后，通過無線傳輸?shù)教幚砥魃?；處理器控制?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。

圖1　巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整機(jī)裝置結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，巡檢系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括攝像頭、報警器、主控芯片、電池組、行走機(jī)構(gòu)和傳感器組等，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，攝像頭置于旋轉(zhuǎn)支架上端，支架下端與車體相連，使攝像頭可以360度旋轉(zhuǎn)，充分減少盲區(qū)。巡檢系統(tǒng)裝有報警器，巡檢中發(fā)現(xiàn)異常狀況可第一時間通知操作人員。傳感器組包含溫濕度傳感器、紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、光離子傳感器、氣體傳感器等，可對外場環(huán)境進(jìn)行多因素檢測。巡檢裝置配有機(jī)械手臂，當(dāng)發(fā)生異常時，操作人員可通過語音命令操作機(jī)械手臂對終端設(shè)備開關(guān)進(jìn)行控制。

圖2　巡檢系統(tǒng)整機(jī)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（二）主控芯片。主控芯片選擇蜂鳥S5PV210（Hummingbird），是三星推出的一款適用于智能手機(jī)和平板電腦等多媒體設(shè)備的應(yīng)用處理器。該芯片采用了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS（每秒運(yùn)算2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力[8]，滿足本系統(tǒng)對芯片高性能需求。S5PV210有強(qiáng)大的硬件編解碼功能，內(nèi)建MFC（Multi FormatCodec），支持 MPEG-1/2/4，H.263、H.264 等格式視頻的編解碼，支持模擬/數(shù)字TV輸出[8]，滿足本系統(tǒng)在視頻傳輸中穩(wěn)定性與及時性。并且，它能夠支持DX9、SM3.0、OpenGL2.0等PC級別顯示技術(shù)，具備IVA3硬件加速器與出色的圖形解碼性能[8]，可以支持全高清、多標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼，可以更快解碼更高質(zhì)量的圖像和視頻，滿足本系統(tǒng)在傳輸視頻、圖像的清晰度。

（三）USB無線網(wǎng)卡。本設(shè)計(jì)采用USB無線網(wǎng)卡作為傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，其帶寬達(dá)到11～108Mbps，而且有效傳輸范圍很大，能夠流暢地給PC操作機(jī)傳遞視頻數(shù)據(jù)。傳輸采用調(diào)幅調(diào)制、伴音調(diào)頻搭載、FSK數(shù)據(jù)信號調(diào)制等技術(shù)，將數(shù)監(jiān)控圖像、伴音、控制及報警信號集成到“一根”同軸電纜中雙向傳輸，可實(shí)現(xiàn)音、視頻及控制信號“一線通”，可通過頻分復(fù)用技術(shù)解決遠(yuǎn)距離傳輸點(diǎn)位分散、布線監(jiān)控困難的問題[9]。并且，可以保證圖像質(zhì)量達(dá)到4級左右。在電力電纜終端電磁環(huán)境復(fù)雜的場合，采用75Ω同軸非平衡方式傳輸，使其具有很強(qiáng)抗干擾能力，能保證圖像較高的質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3　QT語音處理流程圖

（一）QT語音處理。系統(tǒng)通過聲卡對語音信號進(jìn)行采集，語音識別部分在PC操作機(jī)上完成。在進(jìn)行端點(diǎn)檢測、預(yù)加重、分幀加窗等預(yù)處理之后，對得到的短時語音幀提取16階LPC倒譜系數(shù)作為特征矢量。識別結(jié)束后，將識別結(jié)果轉(zhuǎn)換成與語音命令相對應(yīng)的命令控制字，并通過串口發(fā)送給主控芯片S5PV210。處理器啟動QT語音平臺，調(diào)用QT語音模板庫里預(yù)先存儲指令，與目前語音指令進(jìn)行匹配判斷。如果匹配，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行命令；否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動作。系統(tǒng)QT語音處理流程設(shè)計(jì)，如圖3所示。

（二）QT語音平臺搭建。QT語音搭建過程為：獲得源碼、編譯、安裝QT語音環(huán)境。先獲取源碼，將QT壓縮包解壓至新建立的目錄中；獲取源碼后將命令庫加入系統(tǒng)環(huán)境變量即可使用，通過HSGlab工具建立語音庫，HBuilHcopy提取特征參數(shù)；安裝QT語音環(huán)境，將HTK壓縮包拷貝到新建立的目錄下并解壓，進(jìn)入qt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0目錄執(zhí)行configure文件來配置環(huán)境，編譯QT/HTK庫，安裝QT/HTK庫。系統(tǒng)QT語音平臺搭建程序設(shè)計(jì)如下所示：

[root@localhostfor_arm]#tarxjvf/UP-CUP6410/SRC/gui/tslib-1.4.tar.bz2-C

[root@localhostfor_arm]#cd/home/uptech/QT4/for_arm/tslib-1.4/

[root@localhostfor_arm]#lstslib-1.4tslib1.4-install[root@localhostfor_arm]#tarxjvf/UP-CUP410/SRC/gui/qt6-embedde d-linux-opensource-src-4.4.0.tar.bz2-C

[root@localhostfor_arm]#cdqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0/

[root@localhostqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0]#make

[root@localhostqt-embedded-linux-opensource-src-4.4.0]#makeinstall

四、巡檢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與檢測

根據(jù)系統(tǒng)方案及軟硬件設(shè)計(jì)，選擇元器件進(jìn)行實(shí)物組建及功能調(diào)試后，完成巡檢系統(tǒng)裝置。巡檢裝置安裝外觀示意圖，如圖4所示。其中1為報警裝置，2為天線，3為物聯(lián)網(wǎng)芯片，4為輪胎式行走機(jī)構(gòu)，5為檢測手臂，6為攝像頭檢測系統(tǒng)。

圖4　巡檢裝置實(shí)物圖

系統(tǒng)裝置可以在界面上設(shè)置自動巡邏時間，報警器可以設(shè)置多種報警，如二氧化碳報警、甲烷報警、火焰報警、生物接近報警、PM2.5報警；且報警方式可以選擇電話(Tel.)或短信(SMS)方式。界面上有多種傳感器狀態(tài)，實(shí)時顯示檢測器數(shù)據(jù)；界面中具有定位和遠(yuǎn)程圖形可進(jìn)行切換模式。界面中具有手機(jī)電話輸入設(shè)置，可以通過智能手機(jī)對裝置進(jìn)行操控。根據(jù)本系統(tǒng)進(jìn)行三種環(huán)節(jié)下模擬試驗(yàn)，結(jié)果見表1。其中，模擬1為室內(nèi)0.22kV低壓配電箱巡檢；模擬2為室外0.38kV干式變壓器配電箱巡檢；模擬3為室外0.38kV干式變壓器配電箱故障情況下巡檢。其檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，檢測信息全面，能夠?qū)ν话l(fā)狀況下進(jìn)行實(shí)時檢測。

表1　夏季變電箱的巡檢界面參數(shù)

五、結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于QT語音的電纜終端設(shè)備巡檢系統(tǒng)，解決了電纜終端巡檢中人工操作的復(fù)雜、繁瑣的問題，異常情況下的無法快速響應(yīng)的問題。巡檢裝置引入多傳感器組與攝像頭，可對電力電纜終端設(shè)備工作外場環(huán)境多信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集傳輸；并且，巡檢系統(tǒng)中運(yùn)用QT語音平臺進(jìn)行人機(jī)交互界面，具有很好的時效性和可操作性；該巡檢裝置具有廉價的開發(fā)成本及多樣化功能，使其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用價值。

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