基于C8051F020單片機設計的農電網電力設備防盜報警系統

劉陽京

摘要： 針對我國農用變壓器等電力設備經常被盜的現象，本文設計一種電力設備防盜報警監控系統。該系統采用GPRS通訊技術，由終端監控層、GPRS網絡層、主站監控層組成。硬件電路由C8051F020單片機為主控芯片，ATT7022C為主要數據采集芯片，SIM300為通訊模塊等組成。該防盜報警系統能夠實現變壓器被盜和電力線被盜、油溫過高等報警功能；并可對電網電參數及變壓器油溫、油位數據進行自動采集、計算、處理、通訊、存儲、顯示，做到了功能集成化，成本低廉化，具有很高的實用價值，適合在全國范圍內推廣。

Abstract： Because transformers are frequently stolen in rural areas of China， this paper put forward to a design of an power devices anti-theft alarming monitoring system. This system uses GPRS communication technology. It consists of monitoring terminal， GPRS network and the main monitoring layer. The hardware circuits are designed mainly based on MCU C8051F020， ATT7022C data acquisition chip and SIM300 communication module. This system could make the alarming functions work when stealing transformers， power lines or having high oil temperature of transformers happens， and it could also automatically collect， calculate， process， storage， communicate， display electric parameters， oil temperatures and oil levels of transformers. This system realizes the function integration and having low cost. It has a high practical value and is suitable for a nationwide promotion.

關鍵詞： 防盜報警；GPRS通訊；C8051F020；ATT7022C；SIM300

Key words： anti-theft alarm；GPRS communication；C8051F020；ATT7022C；SIM300

中圖分類號：TM764；TM421 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0145-03

0 引言

我國農村電網分布地域廣闊，農用變壓器等電力設施數量龐大，且電力設施放置位置一般處于比較偏僻地段，因此頻頻出現農用變壓器、低壓電力線被盜事件，嚴重影響了當地居民正常生活，在農忙季節甚至影響到農業生產?？蒲泄ぷ髡哚槍ψ儔浩鞅槐I的情況及對盜竊分子作案手法的分析，提出多種解決方案，在一定程度上遏制了犯罪分子的偷盜行為。通過研究發現，國內外防盜解決方案多以物理防盜和技術防盜為主。所謂的物理防盜即變壓器焊接加固防盜，對變壓器的外觀進行焊接處理，增大犯罪分子的拆卸難度，通過停電時間過長引起居民用戶的注意報警，捕獲盜竊分子。技術防盜是通過現代科技，利用紅外線，門磁開關、攝像頭等電子手段偵測各類異常情況，一旦發現異常，即時將報警信息傳遞給報警中心，并在現場聲光報警，達到威懾盜竊分子的作用。本文設計一種基于C8051F020單片機的電力設備防盜報警監控系統。該防盜報警系統多功能、集成化、低成本，能夠實現變壓器被盜和電力線被盜、油溫過高等報警功能；并可對電網電參數及變壓器油溫、油位數據進行自動采集、計算、處理、通訊、存儲、顯示，具有很高的實用價值，適合在全國范圍內推廣。

1 系統整體設計

該防盜報警系統采用GPRS無線傳輸方式傳遞報警信號，由主站監控層、通信層和終端設備三部分組成。分散于各地的變壓器的監控設備屬于終端設備層，形成監控終端，負責監控變壓器的狀況。監控終端除一方面把電網電壓及電流、油位及油溫數據、防盜報警信號（如變壓器、低壓電力線被盜信號）通過通信層的GPRS和Internet網絡傳送給主站監控層的數據庫服務器和客戶端（WEB瀏覽器）外，還通過通信層接收主站監控層的控制命令。通信層采用GPRS和Internet網絡與主站監控層和終端設備層進行信息的交互。主站監控層WEB服務器和數據庫服務器之間進行雙向數據傳輸?？蛻舳俗酉到y一般由瀏覽器實現，用戶通過它與Web服務器交互，從而獲取終端采集到的數據或者傳送控制命令（包括遠程設置各監測設備的運行參數，采集終端的運行數據，對該數據進行編輯、顯示、存儲、打印輸出等）。系統總體架構拓撲圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 監控終端設計原理

整個監控系統中最核心的部分是監控終端。它由控制處理單元、數據存儲及采集模塊、通信模塊、傳感器模塊、安全報警模塊、外部時鐘模塊、鍵盤接口、液晶顯示模塊、開關量模塊及電源模塊組成。變壓器防盜報警系統通過監測三相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、分時段的有功電度和無功電度以及油箱的溫度及油位，分析并記錄變壓器一天內電流、電壓、溫度的峰谷值及其發生的時間，處理各種越限報警信息以及常規運行的所有參數信息。若采集的數據經過微控制器分析，判斷為告警信息，則監控終端現場聲音報警并保存該數據到數據存儲模塊，同時通過GPRS網絡主動傳送告警信息給主站監控層，值班人員24小時打開手機，登錄系統管理信息系統，能實時接收到報警信息，主動快速趕往現場處理。監控終端原理框圖如圖2所示。

2.2 各模塊電路設計

2.2.1 控制處理單元

因該系統需要對多路采集數據進行處理，且還需添加ADC、DAC等電路，因此選用性價比兼優的C8051F020單片機作為監控終端控制處理單元核心元件。C8051F020是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有與8051兼容的CIP-51微控制器內核，功能較全面，可以滿足較大控制系統的編程，運行速度快，擁有8個8位的I/O端口，內部帶有數據采集所需的ADC和DAC，有2個增強型的全雙工UART串口，SPI總線和SMBus（兼容I2C），可同時與外部進行串行通訊。

2.2.2 數據采集模塊

電參數采集芯片很多，通過比較，選用性價比高的ATT7022C電能專用計量芯片實現數據采集功能。ATT7022C集成了7路16位的ADC，采用完全差動輸入方式。在對電參數進行采集時，芯片三路為電壓輸入，三路為電流輸入，第7路ADC用于檢測零線電流大小。在采樣電路中使用了互感式接入，使芯片與電網進行了隔離，獲得了良好的抗干擾性能。

2.2.3 GPRS通信模塊

該系統通信模塊由GPRS無線移動終端SIM300、SIM卡接口電路組成。因單片機C8051F020和SIM300連接，電平不需要轉換。考慮到SIM卡插拔會產生靜電及插拔瞬間可能會產生大的瞬態電流，為保護通信模塊電路，在SIM卡與SIM300連接時，增加了ON SEMI公司的SMF05C靜電保護器件。

2.2.4 其它主要外圍模塊

①外部時鐘模塊。

因為該系統測控的環境需長時間無人值守，且需要經常記錄分析電參數、油位、油溫參數及出現的時間。因此選用工業級實時時鐘芯片DS1302Z，其性價比兼優。

②數據存儲模塊。

因為測控環境大部分處于野外，且通信網絡繁忙時，偶爾部分數據會丟失。通過各方面比較分析，選用F-RAM存儲器，其具有快速寫入、低功耗、長壽命、數據不易丟失等特性，符合系統的要求。

③油溫檢測電路。

該系統具有高油溫報警功能。測量溫度的傳感器選用市場上常用的DS18B20。當變壓器油溫度在超限值范圍內時，則單片機判定為報警信號，通過通信模塊上傳報警信息。

④油位開關量電路。

油位檢測電路通過普通油位計改良后，內部自含的開關來實現報警功能。當檢測到油箱油位從低油位快速降低至超低油位時，則單片機判斷變壓器被盜，上報報警信息到監控中心。

2.2.5 電源電路

該系統各個模塊所需電源電壓主要有四種，一種是5V（ATT7022C），一種是4V（SIM300模塊），一種是3.3V（單片機、存儲器、時鐘電路等），一種是12V（開關繼電器）。5V電源可以通過整流穩壓電路獲得。5V轉換成4V，則采用MIC39302WU芯片來實現電壓轉換。設置備用電源為3.7V鎳鎘充電電池。當正常送電時，5V電通過MIC39302給備用電池充電；當斷電時，啟用備用電源，給單片機、存儲器等模塊提供3.3V的電壓。

3 監控終端軟件總體設計流程

該變壓器防盜報警系統軟件設計包含監控終端的軟件設計和監控中心后臺管理信息系統的設計。該文僅詳細介紹監控終端軟件的設計。

主程序是整個軟件設計的整體框架結構。該主程序首先對各模塊初始化，定義了系統里的所有數據；然后ATT7022C數據采集模塊和溫度傳感器模塊對選定參數進行數據采樣計算（變壓器油溫，變壓器油位，三相電電壓、電流），油位位置采集模塊采集油位位置開關量；然后將采樣計算后數據及開關量數據保存到FM24V05鐵電存儲器中，并通過鍵盤顯示模塊顯示出來。相關數據通過單片機判斷是否正常，并通過GPRS通訊模塊上傳到主站監控中心。監控終端也可以接收監控中心發送的指令。主程序數據流圖見圖3。

3.1 通訊模塊軟件設計

該系統設計中，實現報警功能信息傳遞的是GPRS通訊模塊，采用動態IP和固定IP相結合的方式接入internet網絡。監控中心分配固定公網IP，并把此IP地址寫入監控終端的初始化程序中。在建立通信通道時，監控終端向監控中心固定IP地址發送連接請求，同時Internet網絡分配一個動態IP給監控終端，監控終端把此動態IP地址發送給監控中心服務器，得到回復信息后，則雙方建立數據通道，從而實現一對多，多對一的網絡數據通道連接。

3.2 安全報警模塊軟件設計

安全報警模塊是該系統要實現的主要功能，該模塊設計細分為四個子模塊，各子模塊分別代表報警的類型，分別是變壓器被盜、低壓電力線被盜、變壓器油被盜、變壓器油溫過高四種情況。單片機通過對不同采樣數據的分析判斷，判斷是否符合報警條件，若符合，還可以確定報警的類別。當線路及設備進行檢修時，該監控終端設備設置為閉鎖狀態，不啟動報警。

4 結語

本文從經濟、功能、穩定性等方面，結合電子技術、計算機技術、通信技術等先進技術，對農網配電變壓器防盜報警系統進行了研究，設計了基于C8051F020單片機為主控制芯片，ATT7022C為主要數據采集芯片的監控終端。經過實驗證實，能夠實現所需功能，適合全國范圍內大面積推廣。

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