基于智能傳感的電纜運(yùn)行前防盜警報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 楠,陳 韜,于 輝

(阜陽師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,安徽 阜陽 236037)

1 引言

基礎(chǔ)電力設(shè)施覆蓋面越來越廣,在高壓電纜投運(yùn)前夕(一般一個(gè)月內(nèi)),電纜的丟失、破壞問題日益凸顯。一些不法分子盜取電纜中的銅用來獲利,不僅造成資產(chǎn)的損失,還會(huì)延誤項(xiàng)目工期。雖然可招納安保人員巡邏以減少盜竊事件的發(fā)生,但電纜井眾多、發(fā)生時(shí)間的任意性給防盜工作帶來不小的挑戰(zhàn)。

針對現(xiàn)場實(shí)際情況和需求,本項(xiàng)目研發(fā)了一種基于智能傳感的運(yùn)行前電纜專用防盜警報(bào)裝置,將該裝置捆綁在電纜設(shè)備上,實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜狀態(tài)。當(dāng)電纜有被盜風(fēng)險(xiǎn)時(shí),該裝置現(xiàn)場發(fā)出刺耳的警報(bào)聲驅(qū)離不法分子,線上通知安保人員前往查看,可降低電纜被盜風(fēng)險(xiǎn),減少非必要的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的損失。該設(shè)備特點(diǎn)是能在電纜斷電情況下,發(fā)揮防盜報(bào)警功能且防盜報(bào)警靈敏度與該電纜系統(tǒng)的長度之間不存在關(guān)聯(lián)性。與其它防盜系統(tǒng)相比,成本更低,實(shí)用性更強(qiáng),對工作環(huán)境要求極低,適用地區(qū)廣而且可以在多種電力設(shè)備上使用。

2 系統(tǒng)總體方案

基于智能傳感的電纜運(yùn)行前防盜警報(bào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,如圖1所示。此系統(tǒng)主要包括兩部分,分別是系統(tǒng)硬件部分以及軟件部分。系統(tǒng)硬件部分以單片機(jī)STC15W408AS為控制器,包括MPU6050傳感器、蜂鳴器報(bào)警模塊、4G通信模塊以及電源模塊等。MPU6050傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測電纜是否被移動(dòng),進(jìn)行防盜監(jiān)測,出現(xiàn)被盜情況時(shí),由單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警模塊發(fā)出刺耳的警報(bào)聲,并通過4G模塊實(shí)現(xiàn)UDP連接服務(wù)器,向遠(yuǎn)程發(fā)送設(shè)備狀態(tài)。軟件部分為遠(yuǎn)程服務(wù)器程序及防盜預(yù)警APP。防盜預(yù)警APP實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài),有被盜風(fēng)險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警報(bào)聲。遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送短信通知負(fù)責(zé)人員,提醒負(fù)責(zé)人員電纜可能被盜。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2為硬件電路連接圖,主要包括STC15W408AS單片機(jī)、MPU6050傳感器、蜂鳴器報(bào)警模塊、4G通信模塊以及電源模塊等。

圖2 系統(tǒng)硬件電路連接圖

3.1 STC15W408AS單片機(jī)

硬件電路以單片機(jī)STC15W408AS為控制器。單片機(jī)的開關(guān)即為該硬件設(shè)備的啟動(dòng)鍵,按下后,經(jīng)過10 s倒計(jì)時(shí),系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài)。在硬件設(shè)備中選用STC15系列單片機(jī),是因?yàn)榇藛纹瑱C(jī)具有超低功耗性,可以使設(shè)備持久續(xù)航。同時(shí),在程序設(shè)計(jì)方面,采用外部中斷的方式,可進(jìn)一步增加續(xù)航能力。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用3.7 V固定電源供電,通過LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片為系統(tǒng)提供3.3 V電源,為主控制芯片、MPU6050傳感器、蜂鳴器、4G通信模塊設(shè)備進(jìn)行供電。

3.3 MPU6050傳感器模塊

MPU6050是一個(gè)6軸姿態(tài)傳感器,可以測量芯片自身X、Y、Z軸的加速度、角速度參數(shù),MPU6050傳感器模塊通過加速度參數(shù)監(jiān)測電纜是否被移動(dòng)。設(shè)置MPU6050為cycle低功耗狀態(tài),喚醒和休眠交替執(zhí)行,每200 ms喚醒一次并采集數(shù)據(jù),判斷是否達(dá)到了中斷喚醒的條件。

MPU6050的VCC接電源模塊正極,GND接電源模塊負(fù)極。MPU6050與單片機(jī)采用IIC通信,故SCL、SDA接單片機(jī)P1.2和P1.1引腳,MPU6050的INT引腳與單片機(jī)INT0(P3.2)連接。MPU6050采用加速度中斷方式,即當(dāng)設(shè)備或者電纜被移動(dòng)時(shí),加速度參數(shù)產(chǎn)生變化,該振動(dòng)數(shù)據(jù)與相應(yīng)閾值對比,判斷有無被盜風(fēng)險(xiǎn):若有則觸發(fā)MPU6050加速度中斷,MPU6050的INT引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平信號,這個(gè)信號作用于單片機(jī)INT0引腳,會(huì)觸發(fā)單片機(jī)外部中斷0的中斷服務(wù)程序。

3.4 4G通信模塊

4G通信模塊采用合宙Air724UG通信模塊,Air724UG是4G全網(wǎng)通模塊,可適應(yīng)不同的運(yùn)營商和產(chǎn)品,具有短信發(fā)送、語音通話、4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)通信功能,同時(shí)支持多種開發(fā)方式,如USB上網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)AT、Lua腳本二次開發(fā)等,主要使用標(biāo)準(zhǔn)AT指令進(jìn)行開發(fā)編程。接線情況為:VCAP接電源模塊正極,GND接電源模塊負(fù)極,PWRKEY與單片機(jī)P1.3引腳連接,用于控制4G模塊的開關(guān)機(jī),RXD、TXD分別與單片機(jī)的TXD、RXD連接,進(jìn)行串口通信。同時(shí)由于電纜深埋于地下,狀態(tài)消息的信號傳輸難以得到有效的保證,故在4G通信模塊上外接20米天線,以保證狀態(tài)消息的及時(shí)傳輸。

3.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器采用有源高電平觸發(fā)蜂鳴器模塊,工作電壓范圍為3.3～5 V。當(dāng)MPU6050傳感器監(jiān)測到電纜被移動(dòng)后,STC15W408AS單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出刺耳警報(bào)聲。

3.6 系統(tǒng)運(yùn)行流程

用戶按下硬件設(shè)備啟動(dòng)鍵后,經(jīng)過10 s倒計(jì)時(shí),系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài),MPU6050傳感器會(huì)一直監(jiān)測電纜狀態(tài)。STC15W408AS單片機(jī)通過AT指令控制4G模塊每30秒向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送當(dāng)前電纜編號、位置、狀態(tài)等信息。此時(shí),若電纜處于安全狀態(tài),遠(yuǎn)程服務(wù)器接收到信息后,更新防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為安全狀態(tài);若MPU6050傳感器監(jiān)測到電纜被移動(dòng),就會(huì)觸發(fā)STC15W408AS單片機(jī)外部中斷,單片機(jī)輸出信號,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警,并通過AT指令控制4G模塊向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送電纜被盜狀態(tài)信息。遠(yuǎn)程服務(wù)器接收到信息后,向相關(guān)人員手機(jī)發(fā)送一條電纜異常的短信,并更新防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為被盜狀態(tài),防盜預(yù)警APP發(fā)出刺耳警報(bào)聲?；谥悄軅鞲械碾娎|運(yùn)行前防盜警報(bào)系統(tǒng)的單片機(jī)主流程圖和系統(tǒng)中斷流程圖如圖3、4所示。

圖3 單片機(jī)主流程圖

圖4 系統(tǒng)中斷流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 阿里云平臺(tái)

阿里云平臺(tái)提供了豐富的API,可以支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型,使用便捷,可滿足各種個(gè)性化方案設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用阿里云平臺(tái)主要獲取眾多設(shè)備不斷發(fā)送過來的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并加以整理,供數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序調(diào)用;所述數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)設(shè)備信息、設(shè)備狀態(tài)信息、人員信息等,可按需求通過程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改和查詢操作;對于有問題的設(shè)備通過手機(jī)短信及時(shí)通知人員前往查看,并且手機(jī)會(huì)震動(dòng)并伴有響亮報(bào)警聲,提醒哪些設(shè)備所在電纜井有被盜風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 防盜預(yù)警APP搭建

軟件在使用的過程中有4種狀態(tài)與整個(gè)硬件設(shè)備一一對應(yīng)。一是未啟動(dòng)狀態(tài),即防盜硬件設(shè)備未開啟的狀態(tài),防盜預(yù)警APP的狀態(tài)也為未啟動(dòng)狀態(tài),此時(shí)圖標(biāo)為黃色問號。二是安全狀態(tài),設(shè)備正常工作后,MPU6050傳感器若一直未檢測到電纜異常,則表明電纜處于安全狀態(tài),防盜預(yù)警APP安全狀態(tài)的圖標(biāo)為綠色對鉤。三是被盜狀態(tài),MPU6050傳感器一旦監(jiān)測到電纜被移動(dòng),防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為被盜狀態(tài),防盜預(yù)警APP發(fā)出刺耳警報(bào)聲,防盜預(yù)警APP被盜狀態(tài)的圖標(biāo)為紅色感嘆號。四是失電狀態(tài),一種情況是設(shè)備的電源模塊沒電了,設(shè)備處于失電狀態(tài),此時(shí)遠(yuǎn)程服務(wù)器長時(shí)間未收到設(shè)備狀態(tài)信息,于是設(shè)備被判定為失電狀態(tài),更新防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為失電狀態(tài);另一種情況是MPU6050傳感器檢測到電纜異常,但還未發(fā)出信號,設(shè)備電源就被不法分子破壞,這種情況下,遠(yuǎn)程服務(wù)器也會(huì)因長時(shí)間未收到設(shè)備狀態(tài)信息,判定設(shè)備處于失電狀態(tài)。無論哪種失電狀態(tài)發(fā)生時(shí),相關(guān)負(fù)責(zé)人都會(huì)接收到設(shè)備失電的短信,然后根據(jù)短信提示趕到現(xiàn)場查看情況。

5 軟硬件調(diào)試

設(shè)備實(shí)物如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

將該防盜設(shè)備牢固地綁于電纜上,并定義該設(shè)備編號為C0000001。該設(shè)備未啟動(dòng)時(shí),防盜預(yù)警APP狀態(tài)為未啟動(dòng)狀態(tài),如圖6所示。

圖6 未啟動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)按下設(shè)備啟動(dòng)鍵后,經(jīng)過10s倒計(jì)時(shí),系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài),30秒內(nèi)若MPU6050傳感器未檢測到電纜異常,則更新防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為安全狀態(tài),如圖7所示。

圖7 安全狀態(tài)

人工輕微晃動(dòng)電纜設(shè)備,模擬電纜被盜,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的蜂鳴器會(huì)發(fā)出刺耳警報(bào)聲,同時(shí)防盜預(yù)警APP的狀態(tài)顯示為被盜狀態(tài),如圖8所示。同時(shí)手機(jī)端的防盜預(yù)警APP也會(huì)發(fā)出刺耳警報(bào)聲,同時(shí)收到一條C0000001編號設(shè)備處電纜可能有被盜風(fēng)險(xiǎn)的短信,如圖9所示。

圖8 被盜狀態(tài)

圖9 手機(jī)端接收到短信

最后將設(shè)備斷電,取掉電池,模擬設(shè)備失電。30秒未收到設(shè)備任何信號,更新防盜預(yù)警APP的狀態(tài)為失電狀態(tài),如圖10所示,同時(shí)手機(jī)端的防盜預(yù)警APP也會(huì)發(fā)出設(shè)備失電的警報(bào)聲,同時(shí)相關(guān)人員接收到設(shè)備失電的短信。

圖10 失電狀態(tài)