一種智能電力安全圍欄的設(shè)計(jì)

摘要：該文提出了一種新型智能電力安全圍欄設(shè)計(jì)，以微控制器為核心，能設(shè)定不同安全防護(hù)等級(jí)，支持工作模式靈活切換；基于主從架構(gòu)，既可獨(dú)立工作，又可多圍欄協(xié)同工作。通過(guò)紅外檢測(cè)輔以射頻識(shí)別雙重檢測(cè)人員進(jìn)出、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警、LED狀態(tài)提示、語(yǔ)音播報(bào)、短信貓遠(yuǎn)程警報(bào)信息發(fā)送等功能，可有效提升圍欄的防護(hù)安全性。

關(guān)鍵詞：微控制器；短信貓

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）26-0164-02

電力安全圍欄是電力公司施工/檢修等現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)必備的安全工器具之一，旨在提醒作業(yè)員在規(guī)定區(qū)域工作，防止無(wú)關(guān)人等擅入，能夠有效降低意外事故發(fā)生。傳統(tǒng)安全圍欄大都存在警示作用有限（以懸掛標(biāo)示牌為主，缺乏聽覺視覺等多重感官警示）、被動(dòng)防護(hù)等弊端。本文設(shè)計(jì)了一種智能型安全圍欄，以微控制器為控制核心，安裝LED顯示屏增強(qiáng)警示效果，圍欄入口安裝紅外傳感器和RFID識(shí)別裝置，雙重檢測(cè)，防止意外闖入或其他場(chǎng)地工業(yè)人員誤入。當(dāng)異常闖入時(shí)進(jìn)行聲光和語(yǔ)音警報(bào)，同時(shí)上報(bào)給控制器，可有效提高圍欄防護(hù)安全等級(jí)，有效保障人員安全。

1 整體架構(gòu)

為適應(yīng)各種規(guī)模的工作現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)系統(tǒng)采用主從架構(gòu)，由1個(gè)主圍欄控制器和N個(gè)從圍欄控制器組成。施工前，工作人員統(tǒng)一設(shè)置圍欄工作模式。正常工作時(shí)，主從圍欄保持通信，有意外闖入時(shí)，發(fā)生異常的圍欄進(jìn)行聲光和語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)將信息上報(bào)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖1如下：

主控制器核心功能包括通過(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)置工作模式和工作人員手機(jī)號(hào)碼；檢測(cè)從控制器是否異常，維護(hù)系統(tǒng)通信；接收從控制器上報(bào)的異常信息，發(fā)短信提醒工作人員。主控制器通過(guò)定時(shí)廣播一個(gè)“心跳檢測(cè)”數(shù)據(jù)幀來(lái)維護(hù)通信，“心跳檢測(cè)”幀廣播后，依次檢測(cè)從控制器的應(yīng)答信號(hào)，如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答，則單播再次確認(rèn)信號(hào)兩次，若無(wú)應(yīng)答則上報(bào)異常給管理人員。從控制器主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是根據(jù)主控制命令做出響應(yīng)如設(shè)置工作模式、心跳應(yīng)答等；二是檢測(cè)、處理與上報(bào)異常。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 通信控制

圍欄系統(tǒng)需支持多點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，因此通信采用控制器局域網(wǎng)絡(luò) CAN（Controller Area Network，CAN）總線，它是串行通信網(wǎng)絡(luò)，有效支持分布式/實(shí)時(shí)控制[1][2]，在理想條件下，通信距離可達(dá)10KM。CAN通信本身沒(méi)有主從之分，任何節(jié)點(diǎn)均可向任意其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀以廣播形式在總線上傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)幀標(biāo)識(shí)符確認(rèn)是否接收該報(bào)文，這種面向內(nèi)容的編址方案，方便靈活配置，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可配置為一主多從、多主多從、多節(jié)點(diǎn)對(duì)等結(jié)構(gòu)。同時(shí)CAN自帶沖突檢測(cè)機(jī)制（CSMA-CD）、根據(jù)標(biāo)識(shí)符自動(dòng)仲裁機(jī)制、CRC檢驗(yàn)等保障了通信的可靠性。

本系統(tǒng)配置為單主多從結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層采用自定義協(xié)議，充分利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀11位標(biāo)識(shí)符，通過(guò)標(biāo)識(shí)符和接收掩碼機(jī)制，完成高效的接收過(guò)濾，其中ID10為主從模式位（0為主控制器發(fā)送控制命令，1為從控制器上報(bào)數(shù)據(jù)），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位撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)從控制器地址設(shè)置為0規(guī)定為廣播幀。主從節(jié)點(diǎn)采用相同的硬件電路設(shè)計(jì)，采用核心板加擴(kuò)展板形式實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊以接插件形式安裝，增強(qiáng)通用性和靈活性。

2.2 控制器選型與工作模式

系統(tǒng)采用內(nèi)嵌 CAN通信模塊、外設(shè)單元豐富、性能優(yōu)越的飛思卡爾公司MC9S08DZ60作為主控制芯片。

為了細(xì)化安全等級(jí)，圍欄設(shè)有常規(guī)維修、高壓試驗(yàn)、夜間模式三種工作模式。高壓試驗(yàn)對(duì)安全性要求較高，一旦有人接近則聲光警示，當(dāng)非法闖入時(shí)，則持續(xù)聲光報(bào)警并語(yǔ)音高音播報(bào)從何處闖入，同時(shí)發(fā)送信息給現(xiàn)場(chǎng)管理人員； 常規(guī)維修模式下有人靠近時(shí)LED屏顯示警示語(yǔ)，并語(yǔ)音常音提醒，非法闖入時(shí)，語(yǔ)音高音警示人員從哪里闖入。夜間模式下LED屏一直處于顯示提醒狀態(tài)，防止夜間黑暗，有人誤入。

通過(guò)主圍欄觸摸屏可以批量設(shè)置從圍欄的工作模式，也可以單獨(dú)設(shè)置某從圍欄的工作模式。從圍欄工作于特定的工作模式下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況上報(bào)信息。

2.3 RFID識(shí)別與紅外檢測(cè)

射頻識(shí)別RFID （Radio Frequency Identification，RFID），是一種通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象、非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，由標(biāo)簽、閱讀器、天線組成，被廣泛應(yīng)用于物流、人員管理等系統(tǒng)中。闖入檢測(cè)采用紅外與RFID雙重檢測(cè)方式，當(dāng)紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)到有人闖入時(shí)，RFID自動(dòng)識(shí)別人員身份同時(shí)記錄日志，有效防止非法闖入，同時(shí)避免多場(chǎng)地同時(shí)施工時(shí)工作人員錯(cuò)入施工場(chǎng)地，進(jìn)一步保障作業(yè)人員安全。為保證紅外感應(yīng)的準(zhǔn)確性，防止錯(cuò)過(guò)人員靠近警示，程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)紅外信號(hào)的檢測(cè)判斷放在中斷中執(zhí)行。

設(shè)計(jì)中采用深圳市阿法迪科技有限公司的AFD-8200分體式四通道讀寫器進(jìn)行RFID讀寫。該設(shè)備工作在902～928MHZ，有4個(gè)外接TNC天線接口，搭配12dbi線極化天線可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定讀取距離8-12M，支持多種用戶接口，系統(tǒng)采用RS232進(jìn)行接口。

2.4 語(yǔ)音播報(bào)

語(yǔ)音播報(bào)采用可重復(fù)擦除燒寫的語(yǔ)音芯片WT588D，可通過(guò)Flash芯片存儲(chǔ)不同長(zhǎng)度的語(yǔ)音，通過(guò)上位機(jī)軟件，可隨意組合語(yǔ)音。可使用三線串口進(jìn)行播放控制（播放/停止/循環(huán)播放、音量調(diào)節(jié)等），控制播放不同地址字段的語(yǔ)音。

系統(tǒng)中語(yǔ)音播報(bào)分高音和常音播報(bào)，高壓試驗(yàn)和人員非法闖入時(shí)皆為高音播報(bào)，其他情況常音播報(bào)。播報(bào)內(nèi)容有兩條，常規(guī)維修和夜間模式的警示語(yǔ)為“電力檢修，請(qǐng)勿入內(nèi)”；高壓試驗(yàn)狀態(tài)為“高壓危險(xiǎn)，請(qǐng)勿靠近”[4]。

2.5 LED 顯示

系統(tǒng)采用標(biāo)示牌加LED燈光警示進(jìn)行雙重視覺警示，LED采用F3.0點(diǎn)陣256*64雙色恒壓戶外顯示屏。白天當(dāng)有人靠近觸發(fā)紅外感應(yīng)時(shí)，才會(huì)亮起，以節(jié)約用電。夜間狀態(tài)LED屏警示處于持續(xù)顯示狀態(tài)，防止夜間黑暗有人誤闖[4]。

2.6 短信提醒

當(dāng)異常發(fā)生時(shí)需要通知管理人員及時(shí)處理，因此系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了短信提醒功能。短信提醒通過(guò)一種能實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備-短信貓實(shí)現(xiàn)（需要SIM卡支持）。設(shè)計(jì)選用華為公司的EM310模塊，它可方便進(jìn)行遠(yuǎn)程信息處理以及其它移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，模塊經(jīng)UART接口與主控芯片連接，通過(guò)AT指令進(jìn)行控制，異常發(fā)生時(shí)短信貓發(fā)送短信到主控制器上提前設(shè)置好的管理人員手機(jī)上。

3 應(yīng)用效果與創(chuàng)新點(diǎn)

使用1個(gè)主圍欄和5個(gè)從圍欄，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：可以有效感應(yīng)到人員靠近并發(fā)出警告，使傳統(tǒng)圍欄的被動(dòng)防護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥鲃?dòng)警示；異常闖入時(shí)管理人員能在5s 內(nèi)收到報(bào)警短信，可有效處理異常事件；多圍欄協(xié)同工作，通信穩(wěn)定；LED 屏夜間警示效果明顯。

系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 針對(duì)不同規(guī)模的施工現(xiàn)場(chǎng)，主從圍欄可任意組合，易于擴(kuò)展。

（2） 可根據(jù)場(chǎng)合，設(shè)定不同安全防護(hù)等級(jí)，可方便的通過(guò)觸摸屏調(diào)整和設(shè)定圍欄工作模塊，并制定不同的處理方式。

（3） RFID可記錄作業(yè)人員的進(jìn)出信息，可方便確認(rèn)作業(yè)人員就位情況。

（4） 短信提醒功能可及時(shí)通知管理人員，提高處理效率。

4 結(jié)論

本文闡述了安全圍欄的整體架構(gòu)、技術(shù)要點(diǎn)（通信控制、控制器選型與工作模式、RFID識(shí)別與紅外檢測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)、LED 顯示、短信提醒等），論述了安全圍欄的應(yīng)用效果和創(chuàng)新點(diǎn)。有效改善了傳統(tǒng)圍欄防護(hù)被動(dòng)、警示弱、異常檢測(cè)與處理滯后等弊端。設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的一主多從圍欄體系，靈活性強(qiáng)，適用于不同規(guī)模的檢修場(chǎng)所。支持工作模式設(shè)定，可設(shè)置不同安全防護(hù)等級(jí)。為管理人員提供了異常短信提醒功能，方便異常處理。從整體效果來(lái)看，提高了電力施工的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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[通聯(lián)編輯：梁書]