基于4G網絡的防竊電智能視頻監控終端設計

馮 凌 ，熊德智 ，楊華夏 ，魏 東 ，陳文輝

（1.國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 404100；2.武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070；3.鄭州萬特電氣股份有限公司，鄭州 450000）

基于4G網絡的防竊電智能視頻監控終端設計

馮 凌1，熊德智2，楊華夏1，魏 東1，陳文輝3

（1.國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 404100；2.武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070；3.鄭州萬特電氣股份有限公司，鄭州 450000）

該文分析了當前常見的防竊電技術、措施及其存在的缺陷；運用4G通信模塊、智能視頻取證等關鍵技術，研制了一款基于4G網絡的集防竊電、現場視頻監控于一體的智能視頻監控終端。給出了其總體設計方案；提出了軟件設計方法，重點介紹了防竊電終端圖像采集流程的設計，提出了門節點開關觸發與紅外熱釋探測觸發的攝像頭觸發方案。該設備能夠及時發現現場的各種竊電行為并進行取證，從而有效地解決竊電現場取證難的問題，為依法打擊竊電提供了重要手段，具有很強的實用價值和廣闊的應用前景。

視頻監控終端；防竊電；4G網絡；總體設計方案；現場取證

隨著電能計量水平的不斷提高，防竊電技術也得到了迅猛發展。目前，電力行業通常采用的防竊電技術、措施雖然不少，但都存在缺點或問題，尤其是有效取證困難。采用專用計量柜（箱）加鉛封的方式，普通鉛封容易被仿冒，也容易被竊電者打開后復原，而防偽、防撬鉛封的方式也未能解決取證問題[1-4]；使用高位電能表、高壓電能表給抄表和定期檢驗帶來不便。使用防竊電電能表、網絡監控遠程抄表、計量裝置故障記錄儀等，存在防竊電死角，排查困難，取證困難[5-7]。在現實中經常采用多種防竊電技術組合實施，但存在實時性差、舉證困難等缺點[8]。

發現竊電難，取證更難。現在竊電方法越來越智能化，竊電手段越來越高科技化，竊電用戶非法改變用電量的行為很難被發現，即使發現了，供電部門調查取證也十分困難[9-10]。因此，在反竊電工作方面電力企業面臨著很大的困難和壓力，特別是加強電能計量裝置的監管及竊電取證工作更顯得十分重要。對此，亟需研制一款基于4G網絡的集防竊電、現場視頻監控于一體的智能視頻監控終端。

1 設計方案

1.1 總體設計

基于4G網絡的防竊電智能視頻監控終端配套用電信息采集主站使用，終端與主站之間采用第四代移動通信技術實現數據交互，將圖像采集、圖像數據壓縮等技術應用于終端嵌入式硬件平臺，利用先進的4G通信技術作為傳輸通道，具備紅外攝像、4G圖像傳輸、短信通知等功能。

為達到硬件配置的靈活性，基于4G網絡的防竊電智能視頻監控終端采用模塊化設計思路，主要由通信模塊、圖像采集及壓縮模塊（帶紅外補償和紅外觸發裝置）、主控系統、電源系統組成。其設計方案如圖1所示。

終端的主控系統使用9G45芯片作為主控平臺，該款MPU具備以下功能齊全的功能模塊及接口：

（1）集成電路總線 I2C（inter-integrated circuit），是一種多向控制總線，主要用于連接整體電路，這種方式簡化了信號傳輸總線接口；

（2）安全數字輸入輸出卡 SDIO（secure digital input and output card），可作為系統的擴展設備，用于增加系統的攝像控制功能；

（3）通用異步收發傳輸器UART（universal asynchronous receiver/transmitter），是一種異步收發傳輸器，主要將資料在串行通信與并行通信間作傳輸轉換；

（4）通用輸入/輸出 GPIO（general purpose input output），簡化了I/O口的擴展。當微控制器沒有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO能夠提供額外的控制和監視功能；

圖1 防竊電智能視頻監控終端的設計方案Fig.1 Design scheme of preventing electricity-stolen intelligent video monitoring terminal

（5）串行外設接口 SPI（serial peripheral interface），是一種高速、同步、全雙工的通信總線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局節省空間，提供方便；

（6）嵌入式安全控制模塊ESAM（embedded secure access module），用于存儲一些重要的終端數據和參數，同時具有身份識別的功能，可與外部系統進行雙向身份認證；

（7）實時時鐘 RTC（real-time clock），是由晶振及相關電路組成的時鐘電路的生成脈沖，每次系統初起時，通過RTC初始化系統時鐘；

（8）數字/模擬信號轉換器 AD（digital analog converter），是把數字量轉變成模擬量的器件。

MPU通過系列功能模塊或接口與外圍設備或組件連接，實現控制、監測、數據采集與傳輸等功能。具體如下：

（1）遙信輸入主要是遙信信號端子通過接入到現場負荷開關的輔助端子，來監測現場負荷開關的分合閘情況；

（2）煙霧報警通過監測現場表箱內空氣中煙霧氣體的濃度，來判斷是否發生火災，從而選擇是否啟動煙霧報警，防止事故發生；

（3）紅外溫度探測主要通過紅外來探測人體溫度，來判斷是否有人闖入或開啟計量箱；

（4）ESAM加密主要用于存儲系統的一些重要參數，用于重要數據的加解密，同時具有身份識別功能，與外部進行雙向身份認證；

（5）遙控輸出主要用于輸出控制信號，控制終端內部繼電器分（合）閘，從而觸發控制線路接入到終端控制端子的用戶負荷開關分（合）閘；

（6）控制臺作為外部設備，需要時用來對終端系統進行現場升級、數據讀取等；

（7）CT檢測輸入主要定時檢測線路電流數據，并實時將電流數據傳給系統進行處理和存儲；

（8）4G通訊模塊通過串行接口與終端連接，實現終端系統與采集主站之間的數據通信及信息交互，將主站下達的數據參數、采集命令等通過移動4G網絡傳送給現場終端；

（9）將現場終端采集的圖像數據、抄表數據等通過移動4G網絡傳送給采集主站；

（10）看門狗是一個定時器電路，來監控系統的運行，如果出現死循環，或者說PC指針不能回來，那么定時時間到后就會通過關閉電源模塊（3.3 V和1.8 V）使系統復位。

1.2 關鍵技術

1.2.1 圖像采集與圖像壓縮技術

在滿足專變終端現有功能的基礎上，還要滿足兩路圖像采集通道所獲得的圖像與終端之間的指令、數據傳輸等交互任務，這需要優化系統軟硬件資源。

為了能提高終端對圖像數據的存取能力和圖像采集效果的軟硬件調試，采用Atmel公司的9G45作為終端MPU，采用2個獨立的功能模塊用于圖像的采集和壓縮，這2個功能模塊與MPU進行獨立的信息交互。圖像采集模塊使用美國OmniVision公司的OV96系列（130萬像素，最大支持1280×1024分辨率）cmos圖像采集芯片，其所在的功能模塊具有獨立地圖像采集、處理的功能，采集后的圖像通過圖像采集功能模塊進行圖像壓縮，供系統使用，這樣可以減少CPU的負擔，并且能得到較快的速度。模塊采用了影像光源自動增益補強技術，能顯示較好的畫面。功能模塊采用全速USB 2.0方式與CPU進行圖像數據傳輸，理論速度為12 Mb/s，這對壓縮后的單張圖像而言已經滿足在1 s內對圖像進行傳輸的要求，保證了圖像高速傳輸和對現場的及時監測。圖像采集過程還具有紅外夜視功能，滿足24 h對現場的圖像監控。由于終端在不開蓋或者表箱不打開的情況下也可能出現竊電的行為，所以可使用內置和外置2個攝像頭組合監測，2個攝像頭相互覆蓋對方的攝像范圍，全方位監控現場情況。終端系統配置有8 G（最高可提高到32 G）的SD卡，圖像采集模塊可以把壓縮后暫存的圖像傳遞到SD卡進行更長時間的存儲。

1.2.2 上行圖像數據傳輸與4G通信技術

為了方便主站對圖像數據的管理和降低圖像處理功能模塊的復雜度，來自主站命令的圖像的查看、刪除等操作統一通過終端MPU進行，4G通信模塊不與2個圖像處理模塊進行直接數據交互，上行數據操作統一通過MPU與4G模塊通道進行。在主站一側，主站在收到圖像數據后，可向相關的電力公司維護人員發送短信息和圖片信息，提示應注意查看現場情況。4G通信具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活等特點，它對于圖像的傳輸比現行的2G和3G通信技術都具有很大的技術進步和優勢。另外，各運營商的4G無線通訊制式也相互兼容，這也是一大優勢。該設備4G公網通信和有線的網絡通信可同時具備，并且模塊可拔插，所以在個別無4G網絡的區域可優先采用網絡通信，如無網絡布線可采用3G通信。

2 軟件設計

1）軟件架構設計

為滿足無線通信的實時性要求，簡化客戶端維護工作，監控系統軟件采用B/S混合應用架構，Java開發，使用Oracle數據庫。

2）軟件功能設計

軟件功能主要由設備管理、告警管理、系統日志、短信通知、系統設置等幾大功能模塊組成。同時，增加主站的規約內容，對監控的圖像進行查看等操作要增加有針對性的說明。對涉及到圖像預覽或者圖像從主站遠程獲取的內容還會增加一定的人機界面。

3）與相關系統接口設計

為保證接口數據安全及實時性，系統與原有需求側系統間采用WebService接口方式獲取電表數據，進行二次告警分析。與原有營銷系統庫采用中間表方式獲取用戶基礎數據，并與營銷系統保持動態一致。

4）防竊電終端圖像采集流程設計

智能防竊電終端圖像采集流程如圖2所示。由圖可見，有2個相機觸發的“判斷條件”和3個“事件”。

圖2 防竊電終端圖像采集流程Fig.2 Image acquisition flow chart of preventing electricity-stolen terminal

條件1—人體紅外觸發拍照 探測距離7 m以內（距離可調）。人體的恒定體溫一般在37℃，會發出特定波長10 μm左右的紅外線，被動式紅外探頭是依靠探測人體發射的10 μm左右的紅外線而工作的。紅外觸發電路由單獨的功能模塊電路完成，區別于CMOS鏡頭成像的紅外發射補償燈所發出的較弱的主動紅外線。

有人員進入現場探測范圍內時，相機便可進入觸發拍攝狀態，觸發的時間間隔可以通過硬件設置，最大為5 min。當圖像采集模塊接收到觸發信號時，可以執行圖像采集命令，也可以通過軟件設置拍照的時間間隔，擬設定觸發時間間隔為5 s，若有人進入拍攝范圍內系統可再連續拍照5次，間隔時間分別為 5 s，10 s，20 s，30 s，45 s的時間點。 在隨后的5 min內，每隔1 min采集1張圖像，之后的10 min內，每隔5 min采集1次。如果16 min之后，現場仍然有人在，就再隔6 min采集1次數據，連續采集3次。然后在1 h之內不再采集圖像。若1 h后檢測到有人在現場，則重復上述動作。一輪拍照的動作共采集15張圖像，持續時間為34 min，在1 h之內剩余的26 min不再采集圖像。

條件2—計量箱開關觸發拍照該拍照模式是當計量箱的開關有動作時系統自動觸發拍照。其觸發控制環節可以通過監測終端的“門節點”接口進行檢測，再通過MPU單元控制相機拍照的觸發動作。每次計量箱打開后，連續拍照3張，每次間隔5 s。當表箱此后一直為開啟狀態時則不予處理。

事件A—拍照、存儲并上報告警信息該事件是在判斷條件1或者條件2任何一個滿足要求時執行拍照動作，記錄對應的告警信息并反饋給主站。

事件B—主站根據告警信息預覽或者獲取圖像當主站接收到告警信息時，可人工進行預覽或打開并另存為主站的本地圖片，也可以通過主站刪除確認為不需要的圖片。

事件C—早期拍照的圖像將會被后期新拍照的新圖像覆蓋該事件意味著原來拍照的圖像主站未經查看或者預覽、查看后認為沒有必要保留的圖像將會被新拍照的圖像覆蓋，從而保證新拍的照片有足夠的存儲空間。

事件D—用U盤取過照片時將刪除已取得照片對應的終端系統內存儲的照片終端可以通過U盤取出終端內的照片，如果存儲空間不夠，后續的照片將覆蓋最早存儲的照片。

3 主要創新及優勢

即插即用的模塊化設計，靈活性好。終端無線通信模塊為即插即用型，4G無線數據通信不必受通信制式的影響，實時性好，且組網方便、易維護、擴展性好、接入靈活；外置的圖像采集模塊可根據現場情況隨意安放并調整角度，最大限度地滿足監控要求。

智能的防竊電監控和取證方式。傳統的防竊電方式即使判斷為現場有竊電行為，也無法有效取證。該設計在現有的專變采集終端中增加了紅外攝像功能，可以24 h全天候有效地抓拍現場情況，為電力客戶追回損失提供了有力的證據。雙攝像頭抓拍裝置，能夠更全面捕捉可疑對象。

通信方式創新。綜合利用4G移動通信技術、計算機技術、傳感器技術及圖像壓縮技術，研發出一套防竊電圖像監控系統。該系統包括一種安裝于現場的終端裝置和一套中心監控軟件，系統采用傳感檢測技術作為啟動圖像抓拍的依據，采用紅外攝像、SD卡貯存技術、JPEG或者PNG圖像壓縮技術，當發生報警時主動采集圖像并通過TD-LTE的4G通信網絡將圖像上傳至主站，從而實現對計量裝置的遠程圖像監控和竊電取證。

安全性高，可靠性好。采用專網方式，保證了信息安全；終端支持大容量外置存儲卡存儲，圖像采用先本地存儲，后傳送的方式，即使網絡信號不佳，也不會造成圖像丟失。終端上線后可通過遠程讀取的方式將圖像重新取回中心；監控終端自帶電池，在停電的情況下能夠支持終端運行15 min；系統有詳盡的日志記錄，保證系統異常時有據可查。

4 結語

本文分析了當前常見的防竊電技術、措施及其存在的缺陷。為解決對竊電行為進行取證的難題，提出了采用4G通信模塊、智能視頻取證等關鍵技術，研制出一款基于4G網絡的，集防竊電、現場視頻監控于一體的智能視頻監控終端，為依法打擊竊電提供重要手段。

[1] 趙兵，呂英杰，鄒和平.一種新型防竊電裝置的設計[J].電力系統保護與控制，2009，37（23）：116-119.

[2] 王玨昕，孟宇，殷樹剛，等.用電信息采集系統反竊電功能現狀及發展趨勢[J].電網技術，2008，32（2）：177-178.

[3] 牟龍華，朱國鋒，朱吉然.基于智能電網的智能用戶端設計[J].電力系統保護與控制，2010，38（21）：53-56.

[4] 于光輝，耿桂森.基于用電信息采集系統的防竊電措施[J].山東電力技術，2014，41（3）：49-51.

[5] 李玉梅.竊電常見現象及反竊電措施[J].華北電力技術，2011，41（11）：45-47．

[6] 郭立才，彭志煒，范強.電能計量及反竊電方法綜述[J].高壓電器，2010，46（5）：86-88．

[7] MEFFE A.Technical loss calculation by distribution system segment with corrections from measurements[C]//20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution，2009：1-4．

[8] LV Z.Design and development of an intelligent anti-steal-electricity-power instrument[J].Electronic Measurement Technology，2006，29（5）：93-95.

[9] 張穎，熊德智，梁運華.500 kV電網運行集控中心設計與實現[J].中國電力，2010，43（7）：81-85.

[10]林弘宇，張晶，徐鯤鵬，等.智能用電互動服務平臺的設計[J].電網技術，2012，36（7）：255-259．

Design of Preventing Electricity-stolen Intelligent Video Monitoring Terminal Based on 4G Network

FENG Ling1，XIONG De-zhi2，YANG Hua-xia1，WEI Dong1，CHEN Wen-hui3
（1.Electric Power Research Institute，Chongqing Electric Power Company，Chongqing 404100，China；2.School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.Zhengzhou Wante Electric Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

The current common preventing electricity-stolen technology and existing defects is analyzed.Using 4G communication module，intelligent video forensics and other key technologies，a intelligent video monitoring terminal basing on 4G network is developed，which integrates power stealing，power stealing and field video monitoring.Its overall design scheme is given.A software design method is proposed.the design of the image acquisition process of the preventing electricitystolen is mainly introduced，and the trigger scheme of the camera triggered by the door node switch trigger and infrared thermal-release detection is put forward.The device can timely find the scene of the various power theft and to obtain evidence，can effectively solve the difficulty of electricity larceny evidence collection，provides important means for power will be punished in accordance with the law.It has a strong practical value and broad application prospects.

video monitoring terminal；preventing electricity-stolen；4G network；overall design scheme；scene evidence obtaining

TM933.4

B

1001-9944（2017）08-0048-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.012

2017-03-27；

2017-07-15

國家電網公司科技創新項目（2017）

馮凌（1976—），男，本科，高級工程師，研究方向為電能計量、用電信息采集等；熊德智（1979—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統通信、智能配電網、電測量技術等。