基于C8051F020單片機設(shè)計的農(nóng)電網(wǎng)電力設(shè)備防盜報警系統(tǒng)

劉陽京

摘要： 針對我國農(nóng)用變壓器等電力設(shè)備經(jīng)常被盜的現(xiàn)象，本文設(shè)計一種電力設(shè)備防盜報警監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GPRS通訊技術(shù)，由終端監(jiān)控層、GPRS網(wǎng)絡(luò)層、主站監(jiān)控層組成。硬件電路由C8051F020單片機為主控芯片，ATT7022C為主要數(shù)據(jù)采集芯片，SIM300為通訊模塊等組成。該防盜報警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器被盜和電力線被盜、油溫過高等報警功能；并可對電網(wǎng)電參數(shù)及變壓器油溫、油位數(shù)據(jù)進行自動采集、計算、處理、通訊、存儲、顯示，做到了功能集成化，成本低廉化，具有很高的實用價值，適合在全國范圍內(nèi)推廣。

Abstract： Because transformers are frequently stolen in rural areas of China， this paper put forward to a design of an power devices anti-theft alarming monitoring system. This system uses GPRS communication technology. It consists of monitoring terminal， GPRS network and the main monitoring layer. The hardware circuits are designed mainly based on MCU C8051F020， ATT7022C data acquisition chip and SIM300 communication module. This system could make the alarming functions work when stealing transformers， power lines or having high oil temperature of transformers happens， and it could also automatically collect， calculate， process， storage， communicate， display electric parameters， oil temperatures and oil levels of transformers. This system realizes the function integration and having low cost. It has a high practical value and is suitable for a nationwide promotion.

關(guān)鍵詞： 防盜報警；GPRS通訊；C8051F020；ATT7022C；SIM300

Key words： anti-theft alarm；GPRS communication；C8051F020；ATT7022C；SIM300

中圖分類號：TM764；TM421 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0145-03

0 引言

我國農(nóng)村電網(wǎng)分布地域廣闊，農(nóng)用變壓器等電力設(shè)施數(shù)量龐大，且電力設(shè)施放置位置一般處于比較偏僻地段，因此頻頻出現(xiàn)農(nóng)用變壓器、低壓電力線被盜事件，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉ睿谵r(nóng)忙季節(jié)甚至影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？蒲泄ぷ髡哚槍ψ儔浩鞅槐I的情況及對盜竊分子作案手法的分析，提出多種解決方案，在一定程度上遏制了犯罪分子的偷盜行為。通過研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外防盜解決方案多以物理防盜和技術(shù)防盜為主。所謂的物理防盜即變壓器焊接加固防盜，對變壓器的外觀進行焊接處理，增大犯罪分子的拆卸難度，通過停電時間過長引起居民用戶的注意報警，捕獲盜竊分子。技術(shù)防盜是通過現(xiàn)代科技，利用紅外線，門磁開關(guān)、攝像頭等電子手段偵測各類異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即時將報警信息傳遞給報警中心，并在現(xiàn)場聲光報警，達到威懾盜竊分子的作用。本文設(shè)計一種基于C8051F020單片機的電力設(shè)備防盜報警監(jiān)控系統(tǒng)。該防盜報警系統(tǒng)多功能、集成化、低成本，能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器被盜和電力線被盜、油溫過高等報警功能；并可對電網(wǎng)電參數(shù)及變壓器油溫、油位數(shù)據(jù)進行自動采集、計算、處理、通訊、存儲、顯示，具有很高的實用價值，適合在全國范圍內(nèi)推廣。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該防盜報警系統(tǒng)采用GPRS無線傳輸方式傳遞報警信號，由主站監(jiān)控層、通信層和終端設(shè)備三部分組成。分散于各地的變壓器的監(jiān)控設(shè)備屬于終端設(shè)備層，形成監(jiān)控終端，負責(zé)監(jiān)控變壓器的狀況。監(jiān)控終端除一方面把電網(wǎng)電壓及電流、油位及油溫數(shù)據(jù)、防盜報警信號（如變壓器、低壓電力線被盜信號）通過通信層的GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)傳送給主站監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端（WEB瀏覽器）外，還通過通信層接收主站監(jiān)控層的控制命令。通信層采用GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)與主站監(jiān)控層和終端設(shè)備層進行信息的交互。主站監(jiān)控層WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?？蛻舳俗酉到y(tǒng)一般由瀏覽器實現(xiàn)，用戶通過它與Web服務(wù)器交互，從而獲取終端采集到的數(shù)據(jù)或者傳送控制命令（包括遠程設(shè)置各監(jiān)測設(shè)備的運行參數(shù)，采集終端的運行數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進行編輯、顯示、存儲、打印輸出等）。系統(tǒng)總體架構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控終端設(shè)計原理

整個監(jiān)控系統(tǒng)中最核心的部分是監(jiān)控終端。它由控制處理單元、數(shù)據(jù)存儲及采集模塊、通信模塊、傳感器模塊、安全報警模塊、外部時鐘模塊、鍵盤接口、液晶顯示模塊、開關(guān)量模塊及電源模塊組成。變壓器防盜報警系統(tǒng)通過監(jiān)測三相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、分時段的有功電度和無功電度以及油箱的溫度及油位，分析并記錄變壓器一天內(nèi)電流、電壓、溫度的峰谷值及其發(fā)生的時間，處理各種越限報警信息以及常規(guī)運行的所有參數(shù)信息。若采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器分析，判斷為告警信息，則監(jiān)控終端現(xiàn)場聲音報警并保存該數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲模塊，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)主動傳送告警信息給主站監(jiān)控層，值班人員24小時打開手機，登錄系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)，能實時接收到報警信息，主動快速趕往現(xiàn)場處理。監(jiān)控終端原理框圖如圖2所示。

2.2 各模塊電路設(shè)計

2.2.1 控制處理單元

因該系統(tǒng)需要對多路采集數(shù)據(jù)進行處理，且還需添加ADC、DAC等電路，因此選用性價比兼優(yōu)的C8051F020單片機作為監(jiān)控終端控制處理單元核心元件。C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有與8051兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，功能較全面，可以滿足較大控制系統(tǒng)的編程，運行速度快，擁有8個8位的I/O端口，內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC，有2個增強型的全雙工UART串口，SPI總線和SMBus（兼容I2C），可同時與外部進行串行通訊。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

電參數(shù)采集芯片很多，通過比較，選用性價比高的ATT7022C電能專用計量芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。ATT7022C集成了7路16位的ADC，采用完全差動輸入方式。在對電參數(shù)進行采集時，芯片三路為電壓輸入，三路為電流輸入，第7路ADC用于檢測零線電流大小。在采樣電路中使用了互感式接入，使芯片與電網(wǎng)進行了隔離，獲得了良好的抗干擾性能。

2.2.3 GPRS通信模塊

該系統(tǒng)通信模塊由GPRS無線移動終端SIM300、SIM卡接口電路組成。因單片機C8051F020和SIM300連接，電平不需要轉(zhuǎn)換?？紤]到SIM卡插拔會產(chǎn)生靜電及插拔瞬間可能會產(chǎn)生大的瞬態(tài)電流，為保護通信模塊電路，在SIM卡與SIM300連接時，增加了ON SEMI公司的SMF05C靜電保護器件。

2.2.4 其它主要外圍模塊

①外部時鐘模塊。

因為該系統(tǒng)測控的環(huán)境需長時間無人值守，且需要經(jīng)常記錄分析電參數(shù)、油位、油溫參數(shù)及出現(xiàn)的時間。因此選用工業(yè)級實時時鐘芯片DS1302Z，其性價比兼優(yōu)。

②數(shù)據(jù)存儲模塊。

因為測控環(huán)境大部分處于野外，且通信網(wǎng)絡(luò)繁忙時，偶爾部分?jǐn)?shù)據(jù)會丟失。通過各方面比較分析，選用F-RAM存儲器，其具有快速寫入、低功耗、長壽命、數(shù)據(jù)不易丟失等特性，符合系統(tǒng)的要求。

③油溫檢測電路。

該系統(tǒng)具有高油溫報警功能。測量溫度的傳感器選用市場上常用的DS18B20。當(dāng)變壓器油溫度在超限值范圍內(nèi)時，則單片機判定為報警信號，通過通信模塊上傳報警信息。

④油位開關(guān)量電路。

油位檢測電路通過普通油位計改良后，內(nèi)部自含的開關(guān)來實現(xiàn)報警功能。當(dāng)檢測到油箱油位從低油位快速降低至超低油位時，則單片機判斷變壓器被盜，上報報警信息到監(jiān)控中心。

2.2.5 電源電路

該系統(tǒng)各個模塊所需電源電壓主要有四種，一種是5V（ATT7022C），一種是4V（SIM300模塊），一種是3.3V（單片機、存儲器、時鐘電路等），一種是12V（開關(guān)繼電器）。5V電源可以通過整流穩(wěn)壓電路獲得。5V轉(zhuǎn)換成4V，則采用MIC39302WU芯片來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)置備用電源為3.7V鎳鎘充電電池。當(dāng)正常送電時，5V電通過MIC39302給備用電池充電；當(dāng)斷電時，啟用備用電源，給單片機、存儲器等模塊提供3.3V的電壓。

3 監(jiān)控終端軟件總體設(shè)計流程

該變壓器防盜報警系統(tǒng)軟件設(shè)計包含監(jiān)控終端的軟件設(shè)計和監(jiān)控中心后臺管理信息系統(tǒng)的設(shè)計。該文僅詳細介紹監(jiān)控終端軟件的設(shè)計。

主程序是整個軟件設(shè)計的整體框架結(jié)構(gòu)。該主程序首先對各模塊初始化，定義了系統(tǒng)里的所有數(shù)據(jù)；然后ATT7022C數(shù)據(jù)采集模塊和溫度傳感器模塊對選定參數(shù)進行數(shù)據(jù)采樣計算（變壓器油溫，變壓器油位，三相電電壓、電流），油位位置采集模塊采集油位位置開關(guān)量；然后將采樣計算后數(shù)據(jù)及開關(guān)量數(shù)據(jù)保存到FM24V05鐵電存儲器中，并通過鍵盤顯示模塊顯示出來。相關(guān)數(shù)據(jù)通過單片機判斷是否正常，并通過GPRS通訊模塊上傳到主站監(jiān)控中心。監(jiān)控終端也可以接收監(jiān)控中心發(fā)送的指令。主程序數(shù)據(jù)流圖見圖3。

3.1 通訊模塊軟件設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計中，實現(xiàn)報警功能信息傳遞的是GPRS通訊模塊，采用動態(tài)IP和固定IP相結(jié)合的方式接入internet網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心分配固定公網(wǎng)IP，并把此IP地址寫入監(jiān)控終端的初始化程序中。在建立通信通道時，監(jiān)控終端向監(jiān)控中心固定IP地址發(fā)送連接請求，同時Internet網(wǎng)絡(luò)分配一個動態(tài)IP給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端把此動態(tài)IP地址發(fā)送給監(jiān)控中心服務(wù)器，得到回復(fù)信息后，則雙方建立數(shù)據(jù)通道，從而實現(xiàn)一對多，多對一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道連接。

3.2 安全報警模塊軟件設(shè)計

安全報警模塊是該系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能，該模塊設(shè)計細分為四個子模塊，各子模塊分別代表報警的類型，分別是變壓器被盜、低壓電力線被盜、變壓器油被盜、變壓器油溫過高四種情況。單片機通過對不同采樣數(shù)據(jù)的分析判斷，判斷是否符合報警條件，若符合，還可以確定報警的類別。當(dāng)線路及設(shè)備進行檢修時，該監(jiān)控終端設(shè)備設(shè)置為閉鎖狀態(tài)，不啟動報警。

4 結(jié)語

本文從經(jīng)濟、功能、穩(wěn)定性等方面，結(jié)合電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等先進技術(shù)，對農(nóng)網(wǎng)配電變壓器防盜報警系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了基于C8051F020單片機為主控制芯片，ATT7022C為主要數(shù)據(jù)采集芯片的監(jiān)控終端。經(jīng)過實驗證實，能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，適合全國范圍內(nèi)大面積推廣。

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