基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的高壓線驗(yàn)電器與接地線智能管理裝置的實(shí)現(xiàn)

李 偉，王濟(jì)維 , 孫 軻，李 洋，殷有鈞，李 波

(1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，成都 611731； 2.四川云新電力科技有限公司，成都 610213)

高壓驗(yàn)電器是用來檢測(cè)高壓電力線是否帶電用的設(shè)備，而接地線則是用來短接電力線施工區(qū)域兩端的設(shè)備，防止兩端反供電[1]。目前，中國(guó)使用的驗(yàn)電器按照電壓、功率分類的不同類型較多[2-3]，配套的接地線類型也較多，但在實(shí)際使用中，驗(yàn)電器靈敏度不高，存在誤報(bào)警、拒報(bào)警等情況，讓高壓電力檢修人員面臨巨大安全隱患。加之設(shè)備數(shù)量多，管理方面非常混亂，每年造成大量人員觸電身亡事故。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，在2018年全年，中國(guó)發(fā)生電力人身傷亡事故40起、死亡41人、重傷3人[4]，而這其中因?yàn)楦邏弘娏z修不規(guī)范發(fā)生安全事故數(shù)量為27起，這些數(shù)字背后帶來的電力設(shè)備使用與檢修施工安全問題急需有效解決。當(dāng)下中外對(duì)驗(yàn)電器和接地線設(shè)備的管理與實(shí)際使用監(jiān)管主要采用如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能視頻技術(shù)、射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)、紅外感應(yīng)、機(jī)器對(duì)機(jī)器通信(machine-to-machine，M2M)、大數(shù)據(jù)檢測(cè)等技術(shù)方式[5-9]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驗(yàn)電器和接地線等設(shè)備的監(jiān)管與統(tǒng)計(jì)，從技術(shù)層面對(duì)驗(yàn)電器設(shè)備自身安全性能做了提高與操作便捷化設(shè)計(jì)，但并沒有采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)使用過程全監(jiān)管與設(shè)備操作使用唯一性保障，在事故發(fā)生之后也無法明確事故責(zé)任，帶給企業(yè)與監(jiān)管部門較大壓力，因此要做到檢修設(shè)備使用準(zhǔn)確可靠，對(duì)施工人員在戶外嚴(yán)格按照操作手冊(cè)施工的過程監(jiān)管，僅靠傳統(tǒng)的制度保障和人力保障[10-11]，已不能夠滿足當(dāng)下高壓電力檢驗(yàn)檢修施工操作的實(shí)際需求。

從高壓檢修設(shè)備管理角度來看，設(shè)備的出庫、入庫管理，設(shè)備在整個(gè)使用環(huán)節(jié)中的過程監(jiān)管，施工人員對(duì)驗(yàn)電器、接地線等設(shè)備的正確使用等，是保障施工安全必要環(huán)節(jié)，也是當(dāng)下驗(yàn)電器、接地線設(shè)備發(fā)展的研究熱點(diǎn)，未來研究將朝著更高電壓等級(jí)、更高精確度、更便攜、更安全、更智能的方向發(fā)展[12-14]。

在此，設(shè)計(jì)一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的平臺(tái)化管理模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)驗(yàn)電器和接地線設(shè)備的出入庫管理、設(shè)備使用記錄、對(duì)施工人員在施工流程的操作流程監(jiān)控、對(duì)施工地理位置實(shí)時(shí)定位、對(duì)施工場(chǎng)景拍照留存等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)驗(yàn)電器、接地線設(shè)備的生命周期全程跟蹤，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的使用操作過程全程跟蹤，通過技術(shù)方式規(guī)范驗(yàn)電器和接地線使用操作，對(duì)施工人員的操作方式全程監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程記錄與查詢，后臺(tái)可評(píng)判操作規(guī)范，可查詢具體人員信息與位置,設(shè)備可遠(yuǎn)程報(bào)警。從而，對(duì)高壓電力檢修施工操作起到規(guī)范化管理，對(duì)施工人員生命安全起到一定的保護(hù)作用。

1 監(jiān)測(cè)管理方式構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)構(gòu)建分為4部分：設(shè)備端、服務(wù)器端、前端和庫房管理。設(shè)備端主要是安裝到驗(yàn)電器和接地線上用于獲取具體操作人員身份信息和位置數(shù)據(jù)的裝置；服務(wù)器端包括云端數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)與服務(wù)器；前端由PC(personal computer)端和移動(dòng)APP(application)端組成，PC端用于管理人員對(duì)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備使用的查看監(jiān)管等，APP作為施工人員現(xiàn)場(chǎng)信息確認(rèn)使用，包括拍照上傳場(chǎng)景照片等；庫房管理主要負(fù)責(zé)設(shè)備的出庫入庫信息錄入系統(tǒng)(電子槍掃碼)、設(shè)備領(lǐng)取人員身份信息錄入系統(tǒng)(采集領(lǐng)取人指紋信息并輸入姓名與部門)、庫房設(shè)備充電等操作。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備端包括驗(yàn)電器打卡設(shè)備和接地線上的接地端打卡設(shè)備、接線端打卡設(shè)備組成。設(shè)備要求滿足能在野外、山上使用場(chǎng)景運(yùn)行；技術(shù)要求能夠確認(rèn)施工操作人員的唯一性，能夠獲取準(zhǔn)確的施工操作地理位置，能夠嚴(yán)格監(jiān)測(cè)施工中對(duì)接地線使用的操作順序，采集數(shù)據(jù)能夠無線實(shí)時(shí)傳輸后臺(tái)，設(shè)備充一次電(充滿)能夠正常工作1 周(低功耗)，對(duì)接地線上兩端設(shè)備能夠定時(shí)自動(dòng)初始化(10 h)，設(shè)備防止誤操作需要延時(shí)開機(jī)(按3 s開機(jī))，設(shè)備體積小巧輕便便于安裝，耐摔、耐磨、防水、防塵等。

設(shè)備端組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 驗(yàn)電器、接地線智能管理系統(tǒng)組成Fig.1 Electroscope, grounding line intelligent management system

圖2 設(shè)備端技術(shù)構(gòu)建Fig.2 Device-side technology construction

1.2 設(shè)備端采用技術(shù)

1.2.1 主動(dòng)式電容指紋傳感器

指紋數(shù)據(jù)采集通過主動(dòng)式指紋模塊實(shí)現(xiàn)。該類型指紋模塊具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性快、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)[15]。其檢測(cè)原理是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到被檢測(cè)手指上，以增強(qiáng)手指表面所帶電荷，手指接觸到電容感應(yīng)器時(shí)，電容感應(yīng)器會(huì)根據(jù)指紋紋路帶來的波峰與波谷的不同形成電荷差，感應(yīng)電荷數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大，形成指紋紋路的電荷數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)處理，即可得到指紋圖像信息，如圖3所示。

手指上的電壓改變率與其上的電容值的比例關(guān)系為

(1)

式(1)中：IREF為參考電流；C為電容值；dV為電壓變化值。不同的放電率經(jīng)過采樣電路檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)輸出，即得到原始指紋圖像數(shù)據(jù)[16]。

電容式指紋模塊獲取指紋數(shù)據(jù)與比對(duì)流程如下。

(1)數(shù)據(jù)庫采集指紋。打開設(shè)備→獲取指紋圖像→生成特征1→獲取指紋圖像→生成特征2→合成指紋模版→存儲(chǔ)特征1到指紋數(shù)據(jù)庫。

(2)設(shè)備采集指紋比對(duì)。打開設(shè)備→獲取指紋圖像→生成特征1→加載指紋庫特征2→對(duì)比特征1與特征2→返回位置及得分。

指紋圖像獲取指令如表1所示。

指紋特征值獲取程序如圖4所示。

圖3 主動(dòng)式指紋傳感器示意圖Fig.3 Active fingerprint sensor

表1 指紋圖像獲取指令表

圖4 指紋特征值獲取程序Fig.4 Fingerprint feature value acquisition program

1.2.2 傳輸數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

指紋模塊采集到的每一枚指紋特征值數(shù)據(jù)是256 Byte的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，而基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)不能直接傳輸十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中采用Base64編碼方式實(shí)現(xiàn)將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串。Base64編碼原理是將每3個(gè)8bit的字節(jié)轉(zhuǎn)換為4個(gè)6bit的字節(jié)，然后把6bit數(shù)據(jù)的最高兩位加00，構(gòu)成4個(gè)8bit的字節(jié)[17]。

指紋模塊讀取的原始指紋特征值(十六進(jìn)制)如下:

unsigned char bin_data[256]={03,01,50,14,00,00,00,

00,00,00,00,00,00,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,00,80,02,FF,FE,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,55,8D,D6,1E,41,8E,01,FE,17,96,5D,9E,3A,23,C2,BE,55,AF,2C,FE,56,B5,40,9E,46,19,C0,DF,4A,35,D9,DC,4B,0E,2C,BA,49,AC,81,1A,3F,B7,02,FA,37,0B,82,9B,42,B3,C2,9B,4B,AF,59,39,32,0C,C4,F6,3B,86,16,74,24,0D,4A,15,29,8D,05,71,13,8D,45,71,4B,0A,C0,2B,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00,00};//

原始256 Byte指紋數(shù)據(jù)，即直接讀取出來的特征值數(shù)據(jù)。

對(duì)指紋數(shù)據(jù)采用Base64編碼后的數(shù)據(jù)格式為

base_64bin:{"AwFQFAAAAAAAAAAAAACAAIAAgACAAIAAgACAAIAAgACAAIAAgAL//gAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABVjdYeQY4B/heWXZ46I8K+Va8s/la1QJ5GGcDfSjXZ3EsOLLpJrIEaP7cC+jcLgptCs8KbS69ZOTIMxPY7hhZ0JA1KFSmNBXETjUVxSwrAKwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA=="};//

采用JSON將Base64編碼后的字符串通過HTTP發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，如下所示。

POST/dev/devicemanage/saveDeviceData.do HTTP/1.1 Content-Type:application/json;charset=UTF-8

Host:47.107.183.195

Content-Length:389

{"AwFQFAAAAAAAAAAAAACAAIAAgACAAIAAgACAAIAAgACAAIAAgAL//gAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABVjdYeQY4B/heWXZ46I8K+Va8s/la1QJ5GGcDfSjXZ3EsOLLpJrIEaP7cC+jcLgptCs8KbS69ZOTIMxPY7hhZ0JA1KFSmNBXETjUVxSwrAKwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA=="};//

為了匹配數(shù)據(jù)，在傳輸?shù)闹讣y數(shù)據(jù)前端加上了設(shè)備編號(hào)、設(shè)備型號(hào)標(biāo)志、數(shù)據(jù)匹配標(biāo)志等信息。

1.2.3 隨機(jī)數(shù)生成方式

發(fā)送指紋數(shù)據(jù)與發(fā)送實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)是分開發(fā)送的，要求每次發(fā)送的這兩條數(shù)據(jù)必須匹配，這樣后臺(tái)才能通過匹配標(biāo)志判斷這兩條數(shù)據(jù)為一次完整的操作過程，因此用一個(gè)隨機(jī)數(shù)做數(shù)據(jù)匹配標(biāo)志。

基于C語言的隨機(jī)數(shù)軟件生成方式如下：采集每次設(shè)備開機(jī)所用時(shí)間time(NULL)作為隨機(jī)數(shù)時(shí)間種子，然后用隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)srand()實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)生成[18]。由于時(shí)間每秒都在遞增，因此time(NULL)也就在不斷變化。函數(shù)如下。

int main()

{

srand(time(NULL));

int k;

for (k=0; k< 10; k++)

printf("%d, ",srand()%11);

}

代碼中的變量k決定了生成隨機(jī)數(shù)的數(shù)據(jù)位寬。

隨機(jī)數(shù)生成程序如圖5所示。

圖5 隨機(jī)數(shù)生成程序Fig.5 Random number generator

1.2.4 定位數(shù)據(jù)獲取方式

定位原理是利用已知坐標(biāo)(基站或衛(wèi)星)，通過通信信號(hào)時(shí)差得到相對(duì)距離與角度差，然后采用三角函數(shù)計(jì)算得出設(shè)備當(dāng)前的坐標(biāo)位置[19]。參考坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)系Fig.6 Coordinate system

設(shè)A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(X1，Y1，Z1)，B(X2，Y2，Z2)，AB兩點(diǎn)距離計(jì)算公式為

(2)

已知A點(diǎn)坐標(biāo)，B點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為

xB=xA+δxAB，yB=yA+δyAB

(3)

δxAB=|AB|sinδAB，δyAB=|AB|cosδAB

(4)

式(4)代入式(3)即可得到B點(diǎn)坐標(biāo)：

xB=xA+|AB|sinδAB

(5)

yB=yA+|AB|cosδAB

(6)

式中：xA為A點(diǎn)x軸坐標(biāo)；yA為A點(diǎn)y軸坐標(biāo)；xB為B點(diǎn)x軸坐標(biāo)；yB為B點(diǎn)y軸坐標(biāo)；δxAB為AB兩點(diǎn)在x軸上的坐標(biāo)差值；δyAB為AB兩點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)差值；δAB為AB兩點(diǎn)距離連線與y軸的夾角。

設(shè)備使用中需要確定當(dāng)前施工人員是否在規(guī)定區(qū)域使用設(shè)備，需要設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)定位信息到服務(wù)器。采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)+基站定位相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。由于GPS信號(hào)受環(huán)境因素影響較大，有些地方無法獲取GPS坐標(biāo)或者獲取較慢，加入基站定位作為GPS定位獲取的輔助方式[20]。由于基站定位數(shù)據(jù)誤差較大，在使用中，優(yōu)先使用GPS定位數(shù)據(jù)，當(dāng)GPS獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)過程超過30 s還未獲取到時(shí)，獲取的定位數(shù)據(jù)自動(dòng)切換成基站定位數(shù)據(jù)并發(fā)送。定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取流程如圖7所示。SIM868獲取基站定位數(shù)據(jù)操作指令如表2所示。

圖7 定位數(shù)據(jù)獲取流程Fig.7 Positioning data acquisition process

表2 SIM868獲取基站定位數(shù)據(jù)操作指令

使用軌道預(yù)報(bào)(extended prediction orbit,EPO)文件可以減少定位數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，尤其是在室外開放空間區(qū)域，10 s就可以獲取定位數(shù)據(jù)[21]。在EPO操作之前，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(universal time coordinated,UTC)非常重要，因?yàn)槟K將根據(jù)UTC時(shí)間來驗(yàn)證EPO數(shù)據(jù)的有效期。通過AT+CLTS=1/AT&W開啟同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間功能。模塊啟動(dòng)時(shí)會(huì)從網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間，并且把該時(shí)間更新到UTC時(shí)間，UTC時(shí)間可以通過"AT+CCLK? "命令查詢得到。EPO文件獲取可以從HTTP服務(wù)器獲得MTK EPO文件。MTK HTTP服務(wù)器會(huì)提供EPO文件，并每天更新。EPO獲取操作指令如表3所示。

EPO軌道預(yù)測(cè)過程如下。

(1)確認(rèn)模塊通用無線分組業(yè)務(wù)(general packet radio service，GPRS)連網(wǎng)注冊(cè)成功。

(2)同步UTC時(shí)間。

(3)從MTK HTTP服務(wù)器獲取EPO文件并存儲(chǔ)到模塊文件系統(tǒng)中。

(4)使能全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)服務(wù)并將EPO文件傳送到 GNSS模塊。

(5)從GNSS模塊讀取定位位置信息。

表3 EPO獲取的操作指令

程序?qū)崿F(xiàn)過程如下。

(1)檢查EPO文件是否存在或過期，如果不存在則重新下載。

(2)將EPO數(shù)據(jù)、UTC時(shí)間、基站獲取的當(dāng)前經(jīng)緯度數(shù)據(jù)寫入GPS模塊。

(3)GPS模塊搜星，使用寫入的EPO文件獲取衛(wèi)星軌跡并快速計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)值。

下載EPO文件程序如圖8所示。

圖8 下載的EPO文件程序 Fig.8 EPO file downloaded

1.2.5 接地線管理模式

接地線分接地端和接線端兩個(gè)端子，在施工使用中要求操作順序如下：①安裝接地端；②安裝接線端；③拆除接線端；④拆除接地端。①②為安裝順序，③④為拆除順序。為了讓監(jiān)管過程滿足以上順序，就需要兩臺(tái)設(shè)備之間互相建立通信授權(quán)機(jī)制，如圖9所示。

安裝接地線：接地線兩端設(shè)備開機(jī)，操作接地端打卡(接線端不能操作，將等待接地端設(shè)備發(fā)過來的授權(quán)操作命令)，打卡成功后接地端設(shè)備將通過藍(lán)牙通信發(fā)出授權(quán)命令，然后自身進(jìn)入鎖死狀態(tài)，并等待接線端授權(quán)命令到來。接線端設(shè)備接收到授權(quán)命令后開啟打卡功能，操作接線端打卡，打卡成功后，接線端設(shè)備自動(dòng)將FLASH存儲(chǔ)器中打卡次數(shù)由2減為1。

圖9 接地線兩端設(shè)備管理模式Fig.9 Device management mode at both ends of the ground wire

拆除接地線：接地線兩端設(shè)備開機(jī)，設(shè)備存儲(chǔ)了安裝時(shí)的操作狀態(tài)，接地端打卡設(shè)備不能操作(將等待接線端設(shè)備發(fā)過來的授權(quán)操作命令)，操作接線端打卡(完成接線端拆除)，打卡成功后接線端設(shè)備將通過藍(lán)牙通信發(fā)出授權(quán)操作命令給接地端設(shè)備，然后自身進(jìn)入鎖死狀態(tài)，設(shè)備FLASH存儲(chǔ)器中可打卡次數(shù)由1減為0，并等待接地端授權(quán)命令到來。接地端設(shè)備接收到授權(quán)命令后開啟打卡功能，操作接地端打卡(完成拆除接地端)，打卡成功后，接地端設(shè)備自動(dòng)將FLASH存儲(chǔ)器中打卡次數(shù)由2減為1，并存儲(chǔ)當(dāng)前狀態(tài)。

2 設(shè)備端裝置的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)備端硬件電路包括控制器最小系統(tǒng)電路、GSM/GPS電路、指紋采集電路、藍(lán)牙模塊接口、聲光輸出電路和電源管理。

2.1.1 主控電路

以STM32F103RET6為控制核心，其擁有多達(dá)5 個(gè)硬件串口，可以容易實(shí)現(xiàn)各種外設(shè)的連接通信。串口1與指紋模塊通信；串口2與GPS/GSM模塊通信；串口3與藍(lán)牙模塊通信；串口4與語音模塊通信；串口5作為調(diào)試口使用，外接PC串口助手。主控外圍接口電路如圖10所示。

圖10 主控外圍接口電路Fig.10 Master peripheral interface circuit

2.1.2 GPS/GSM電路

SIM868模塊實(shí)現(xiàn)GPS/GSM通信，該模塊將全球移動(dòng)通信(global system for mobile communication,GSM)、GPS和藍(lán)牙三合一集成在一起，硬件占用面積更小，利于集成開發(fā)。通過串口發(fā)送AT(attention)指令即可完成通信。GSM/GPS電路如圖11所示。

2.1.3 藍(lán)牙電路

SIM868集成藍(lán)牙不支持雙向傳遞，只能接收數(shù)據(jù)，不能發(fā)送數(shù)據(jù)[22]，設(shè)計(jì)中選用支持透?jìng)鞯莫?dú)立藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙接口電路如圖12所示。

2.1.4 電源管理

(1)DC-DC變換電路。采用MP1482開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)4.0 V和3.3 V直流穩(wěn)壓電壓輸出，最大輸出電流2.0 A。電源電路如圖13所示。輸出電壓Vout計(jì)算公式為

(7)

式(7)中：Vout為輸出電壓；R12、R14為采樣電阻。

當(dāng)R12=39 kΩ，R14=15 kΩ時(shí)，計(jì)算輸出電壓為

(8)

當(dāng)R12=49.9 kΩ，R14=14.7 kΩ時(shí)，計(jì)算輸出電壓為

(9)

(2)按鍵3 s開關(guān)機(jī)電路。開關(guān)按下，經(jīng)過D2讓MP1482被使能，3.3 V電源輸出，STM32開始工作，經(jīng)過連接KEY-3S的IO引腳開始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到3 s后，連接POW-ON的STM32的I/O(input/output)輸出高電平，此時(shí)斷開開關(guān)，MP1482的使能引腳繼續(xù)被POW-ON的高電平使能，設(shè)備繼續(xù)正常工作。當(dāng)再次檢測(cè)到KEY-3S高電平持續(xù)3 s，POW-ON變成低電平，電源關(guān)閉，設(shè)備關(guān)機(jī)。開關(guān)機(jī)電路如圖14所示。

(3)電源切換電路。設(shè)備實(shí)現(xiàn)充電電池供電，可以通過外接充電器供電，可以由外接充電器給電池充電，用一個(gè)P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管(metal-oxide-semiconductor，MOS)做開關(guān)切換。電源切換電路如圖15所示。注意要求二極管D8、D10具備較小的VF值。

2.2 設(shè)備控制軟件實(shí)現(xiàn)

控制軟件包含設(shè)備初始化、指紋數(shù)據(jù)獲取、坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取、GPS通信、GSM通信、串口通信、藍(lán)牙通信、接地線使用邏輯控制、聲光輸出程序和電源管理。

圖12 藍(lán)牙接口電路Fig.12 Bluetooth interface circuit

驗(yàn)電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)流程如圖16所示。開機(jī)之后，設(shè)備初始化指紋模塊和SIM868模塊，獲取基站定位坐標(biāo)值，然后啟動(dòng)GPS查找坐標(biāo)，如果GPS在30 s內(nèi)沒有定位到坐標(biāo)值，則使用基站定位坐標(biāo)，當(dāng)指紋數(shù)據(jù)獲取成功時(shí)，定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)將和指紋數(shù)據(jù)同時(shí)上傳服務(wù)器。

接地線設(shè)備實(shí)現(xiàn)流程：數(shù)據(jù)發(fā)送過程和驗(yàn)電器相同。不同功能是增加了藍(lán)牙通信，建立兩端設(shè)備互相授權(quán)操作，如圖17所示。在這兒需要將使用次數(shù)記錄到STM32的FLASH存儲(chǔ)器當(dāng)中，以保證每次沒有按照操作流程操作完時(shí)，設(shè)備二次開機(jī)后能夠記錄上次的操作狀態(tài)。

圖13 電源電路Fig.13 Power circuit

圖14 開關(guān)機(jī)電路Fig.14 Switching circuit

圖15 電源切換電路Fig.15 Power switching circuit

圖16 驗(yàn)電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)流程Fig.16 Realization process of electroscope equipment

圖17 接地線設(shè)備實(shí)現(xiàn)流程Fig.17 Grounding line equipment implementation process

2.3 設(shè)備控制板實(shí)物

電路板采用雙面板工藝，板厚1 mm。GSM和GPRS天線采用50 Ω阻抗匹配，射頻天線線寬為36.614 mil(1 mil=0.025 4 mm)，且走線盡量短、包地。GPS天線采用有源天線實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中注意SIM868模塊的電源(4.0 V)走線，模塊啟動(dòng)瞬間電流達(dá)到1.8 A，需要一定的走線寬度來保證大電流。主控制板實(shí)物如圖18所示。

3 設(shè)備實(shí)物測(cè)試

3.1 實(shí)物安裝

通過連接裝置將設(shè)備固定在驗(yàn)電器桿上，固定在接地線兩端位置，如圖19所示。

3.2 設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景

驗(yàn)電器和接地線上分別安裝上管理設(shè)備。施工人員在使用操作時(shí)，在檢修線路區(qū)間的兩端，先安裝接地線接地端，設(shè)備打卡；然后安裝接地線接線端，設(shè)備打卡；再使用驗(yàn)電器驗(yàn)電，設(shè)備打卡。拆除時(shí)先拆除接地線接線端，再拆除接地線接地端，同時(shí)均要打卡操作。設(shè)備使用場(chǎng)景示意圖如圖20所示。

3.3 驗(yàn)電器管理設(shè)備測(cè)試

管理系統(tǒng)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)局部如圖21所示。PC端后臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)獲取施工人員對(duì)借出的驗(yàn)電器的使用記錄，能夠準(zhǔn)確知道施工人員是否按照操作規(guī)范要求正確操作。記錄數(shù)據(jù)包括使用人員(指紋打卡獲取)、操作時(shí)間、操作地理位置等信息。

圖19 驗(yàn)電器和接地線安裝打卡設(shè)備示意Fig.19 Check the installation of the punching device on the electroscope and grounding wire

圖20 設(shè)備使用場(chǎng)景示意圖Fig.20 Schematic diagram of the device usage

點(diǎn)擊GPS坐標(biāo)欄對(duì)應(yīng)時(shí)間的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就可以打開高德地圖，在地圖上獲取到位置信息。

3.4 接地線管理設(shè)備測(cè)試

PC端可以查詢得到接地線借用、使用操作順序記錄等情況，判斷接地線使用是否按照操作順序進(jìn)行使用。在設(shè)備端通過語音燈光等信息提示施工人員是否操作正確。PC端顯示操作記錄如圖22所示。

4 結(jié)論

設(shè)備及系統(tǒng)的實(shí)際使用測(cè)試情況比較穩(wěn)定可靠，從而證明有效的技術(shù)手段可以解決一些長(zhǎng)久存在的問題。對(duì)電力行業(yè)而言，其應(yīng)用影響深遠(yuǎn)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，可以得到以下結(jié)論。

(1)能夠?qū)︱?yàn)電器、接地線設(shè)備與施工人員起到有效的管理監(jiān)督，在提高了設(shè)備使用效率與安全系數(shù)的同時(shí)，降低了觸電事故發(fā)生的概率，保護(hù)了電力檢修人員的生命安全，減少了經(jīng)濟(jì)損失。

(2)對(duì)傳統(tǒng)觸電安全事故而言，通過可查詢的歷史操作記錄，可以對(duì)落實(shí)事故原因、明確事故責(zé)任起到有效旁證。

(3)技術(shù)創(chuàng)新可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，對(duì)社會(huì)生活乃至生命安全起到非常大的幫助作用，甚至影響人類文明發(fā)展。

圖21 驗(yàn)電器使用記錄PC端顯示Fig.21 Electroscope use record PC display

圖22 接地線使用記錄PC端顯示Fig.22 Ground wire usage record PC display