基于ARM圖像的采集與3G無線傳輸研究與設(shè)計(jì)

程 瓊，廣長林

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

隨著電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的不斷提升，電網(wǎng)覆蓋范圍的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性一直是電力系統(tǒng)運(yùn)行、管理和科研人員關(guān)注的重大問題.而污閃等故障多半是由于高壓絕緣子不良而引起的，為了減少這種經(jīng)濟(jì)損失，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，需要對絕緣子積污狀態(tài)做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷［1－2］.鑒于此情況，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集絕緣子環(huán)境溫濕度和圖像作為判斷絕緣子污穢的狀況，并在達(dá)到危險(xiǎn)值的時(shí)候及時(shí)通知工作人員進(jìn)行處理.

1 絕緣子在線監(jiān)測的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制的絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)：在高壓塔上安裝一臺監(jiān)測終端，實(shí)時(shí)地采集絕緣子的環(huán)境溫濕度和圖像等參數(shù)；監(jiān)測終端與后臺監(jiān)控中心之間通過3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.終端向后臺上傳采集數(shù)據(jù)，后臺向終端及時(shí)查詢數(shù)據(jù)（主要是觀察圖片），修改配置等.后臺監(jiān)控中心主機(jī)與數(shù)據(jù)庫連接，及時(shí)存儲各種數(shù)據(jù).監(jiān)控軟件使用人工智能化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法，系統(tǒng)分析采集的各種數(shù)據(jù)，通過通用界面顯示數(shù)據(jù).同時(shí)根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制各種圖表，判斷絕緣子污穢情況.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三層，分別為：數(shù)據(jù)采集終端層、3G網(wǎng)絡(luò)層、后臺監(jiān)控系統(tǒng)層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 硬件平臺設(shè)計(jì)

由于本裝置放置于野外高壓桿塔上，工作環(huán)境比較特殊，故裝置輕便、靈巧是首選.結(jié)合前端采集和傳輸?shù)男枰布脑O(shè)計(jì)采取OK6410ARM開發(fā)板的嵌入式結(jié)構(gòu).系統(tǒng)的主芯片是一塊ARM處理器.它主要完成控制功能和3G通信傳輸?shù)胶笈_，構(gòu)成一個(gè)功能完備的絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng).系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件配置原理框圖

采集板采用控制芯片ARM，外接溫濕度傳感器、OV9650的攝像頭模塊.由于該裝置掛在高壓桿塔上，必須有穩(wěn)定的供電，才能實(shí)時(shí)監(jiān)測絕緣子的運(yùn)行狀態(tài).本裝置的電源采用的是太陽能電池板供電，確保中央控制單元能正常采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù).為防止連續(xù)長時(shí)間的陰雨或無陽光天氣，裝置裝有鋰電池作為蓄電池，它能夠保證系統(tǒng)的快速、穩(wěn)步運(yùn)行 ［3］ .

2.2 軟件設(shè)計(jì)

由于檢測終端的嵌入式操作系統(tǒng)在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，因而在ARM11開發(fā)板上運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng).本監(jiān)測系統(tǒng)采用雙緩沖區(qū)原理，當(dāng)倆緩沖區(qū)操作完成，再進(jìn)行一次切換［4］.

雙緩沖區(qū)方式的好處是不用對外設(shè)進(jìn)行操作，所有采樣數(shù)據(jù)直接在SRAM中操作，速度快、抗干擾能力強(qiáng)，可以邊采樣邊處理.缺點(diǎn)是在緩沖區(qū)臨界時(shí)指針處理比較復(fù)雜，尤其是對通道可變的情況，編程時(shí)需要特別注意.雙緩沖區(qū)采樣流程如圖3所示.

圖3 雙緩沖區(qū)采樣流程圖

2.2.1 攝像頭和溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸 圖像數(shù)據(jù)的采集是由前端攝像頭模塊OV9650來實(shí)現(xiàn)的，軟件部分的主要任務(wù)是采用適當(dāng)?shù)耐ㄓ崊f(xié)議完成主板ARM與攝像頭的控制和應(yīng)答［5］.整個(gè)交換過程中，主板CPU負(fù)責(zé)每3s定時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，暫存于后臺緩沖區(qū)，等待后臺的傳輸請求.主板與攝像頭數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示.

圖4 主板與攝像頭數(shù)據(jù)傳輸交互過程

溫濕度數(shù)據(jù)的采集由溫濕度傳感器DB－171－10來實(shí)現(xiàn).當(dāng)收到采集命令時(shí)，溫濕度傳感器開始采集數(shù)據(jù)，采集完成后保存于緩沖區(qū)，再向后臺傳輸.傳輸流程圖如圖5所示.

采集同一時(shí)刻的圖像和溫濕度數(shù)據(jù)，定時(shí)向后臺傳輸；后臺運(yùn)用邏輯處理算法，提取憎水性圖片的信息熵、種子率、頻譜幅值均值等灰度信息，完成圖像特征提取；最后利用專家知識系統(tǒng)和專家推理、模糊Petri等構(gòu)建判定絕緣子的憎水性等級診斷系統(tǒng)，并可對復(fù)合絕緣子的長期憎水性變化趨勢及耐壓狀態(tài)進(jìn)行分析.

圖5 主板與溫濕度數(shù)據(jù)傳輸流程

2.2.2 無線數(shù)據(jù)的傳輸 采用3G無線技術(shù)，具有高頻譜利用率和實(shí)用多業(yè)務(wù)環(huán)境的特點(diǎn)，并具有網(wǎng)絡(luò)靈活性和全覆蓋能力.基于以上種種優(yōu)點(diǎn)，3G無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)用于高壓線路絕緣子憎水性在線檢測系統(tǒng)上是確實(shí)可行的［6－7］.系統(tǒng)采集終端通過3G向監(jiān)控主站傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法流程如圖6所示.

圖6 3G向監(jiān)控主站傳輸數(shù)據(jù)流程

3 絕緣子圖像及溫濕度采集與傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

linux體系結(jié)構(gòu)比較靈活、易于裁剪、源碼開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大.這些優(yōu)點(diǎn)在該工程中得到了廣泛的應(yīng)用［8］.圖像采集需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，上述硬件平臺中運(yùn)行嵌入式linux操作系統(tǒng)完成了對攝像頭和溫濕度傳感器模塊驅(qū)動(dòng)的編寫，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用C語言，編寫圖像采集的程序和3G傳輸程序.最后通過QT編譯，生成ARM11可運(yùn)行的執(zhí)行文件，通過串口下載到開發(fā)板，完成操作系統(tǒng)程序的移植.啟動(dòng)電源，采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)即可運(yùn)行，定時(shí)實(shí)時(shí)采集圖像，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳入到后臺，最后自動(dòng)寫入到PC下指定的目錄下，并以JPG格式存儲.絕緣子原實(shí)物見圖7，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)采集的圖片溫濕度數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_，且傳輸速度快，圖像清晰可見圖8.

圖7 絕緣子原實(shí)物圖

圖8 后臺PC機(jī)上顯示的圖

4 結(jié)論

系統(tǒng)以高速采集、高精度、高采樣率與實(shí)時(shí)性采樣記錄及傳輸為目標(biāo)，利用嵌入式ARM系統(tǒng)、3G通信等技術(shù)融合于絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)中，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上、性能上有所創(chuàng)新.通過軟硬件的分析，可知系統(tǒng)全天候的有效采集輸電線路上絕緣子相關(guān)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)胶笈_監(jiān)測中心.后臺運(yùn)用邏輯算法，自動(dòng)分析輸電線路絕緣子的污穢狀態(tài).供電部門可以根據(jù)輸電線路上的絕緣子的污穢狀況，有選擇性地檢修，從而達(dá)到有效預(yù)防和減少線路事故的目的.

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