一種基于靜電感應接觸網銅纜防盜系統(tǒng)設計

白國巖

（中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018）

1 引言

在鐵路施工過程中現(xiàn)場存有大量未投入使用的接觸網銅纜。為保證銅纜不被盜竊，目前傳統(tǒng)的防盜報警系統(tǒng)一般采用紅外線對射或者視頻監(jiān)控方式，簡單設計的周界防護[1]常采用導線加強電的方式。本系統(tǒng)采用接近感應報警技術，當人體接近、空手觸摸或鉗子搭接時能夠立即觸發(fā)報警功能，保護銅纜不被破壞。

靜電感應式防盜系統(tǒng)[2]抗干擾能力強、系統(tǒng)報警原理先進，彌補了傳統(tǒng)的微波、紅外等技術的不足。靜電感應式接觸網銅纜防盜系統(tǒng)采用簡單、便捷的方法，同時把單機成本壓至最低。單機防護能力最大可以達到2 000 m，此時系統(tǒng)工作性能仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。靜電感應式防盜系統(tǒng)，不受地形影響，可以任意架設；高壓脈沖能量比傳統(tǒng)電網要小很多，而且系統(tǒng)安全性能好[3－4]。

2 系統(tǒng)設計及原理

（1）整體設計

本系統(tǒng)基于相應系統(tǒng)算法具有很好的抗干擾能力，通過設置不同的門限可很好地區(qū)別人和動物，當有動物接近感應線圈時，線路電壓下降幅度比人接近時的下降幅度要小得多。空氣介電常數(shù)會隨著空氣濕度的變化而變化，會對系統(tǒng)的分布電容造成影響[5－7]。

直接利用現(xiàn)場已經布設好的接觸網銅纜作為信號傳輸線。由于銅纜接觸網由多芯組成，把一個方波信號加在銅纜線上作為發(fā)射線圈，另外的銅纜線作為接收線。充分利用現(xiàn)場已有銅纜作為防護圍欄，極大程度地降低了系統(tǒng)整體成本，同時實現(xiàn)了無盲區(qū)、無死角防護。防盜系統(tǒng)總體設計見圖1。

圖1 防盜系統(tǒng)總體設計

防盜系統(tǒng)由管理服務器、信號線與監(jiān)測分機、太陽能供電系統(tǒng)、4G／5G移動通信網絡及數(shù)據(jù)傳輸DTU模塊、北斗／GPS模塊和接警手機APP等組成。利用已有的接觸網銅纜線作為信號線，監(jiān)測分機安裝于鐵路沿線電桿上，采用靜電場接近感應技術，可對線路異常情況進行報警。

（2）北斗／GPS聯(lián)合定位系統(tǒng)原理分析

靜電感應式防護工作原理[8]：電感耦合和電容耦合存在于靜電感應區(qū)，兩電路中導體比較接近且存在電位差時，一個電路中導體的電場會影響另一個電路中的導體，兩者相互影響，進一步影響電場的變化。

在靜電感應防護區(qū)內，當人體接近、空手觸摸或鉗子搭接時，可以判斷非法侵入的指標為電位高低，如果電位的變化超過報警閾值，將進行報警操作。

圖2為靜電感應工作原理，在發(fā)射線圈所加的信號為方波信號，由于人與空氣介電常數(shù)差異大，接收線和大地之間的分布電容Cs會增大，發(fā)射線和大地之間、發(fā)射線和接收線之間的分布電容均會有所變化，但在本系統(tǒng)中可以忽略。

圖2 靜電感應原理

系統(tǒng)根據(jù)靜電感應報警位置再結合北斗／GPS獲取的經緯度信息，通過4G／5G移動通信網絡傳輸?shù)胶笈_和值班員手機，從而實現(xiàn)精準位置報警以方便現(xiàn)場進行快速處理。

3 前端硬件設計

（1）接收機整體設計

本項目前端采用高速16位AD，信號處理采用TMS320VC5402實現(xiàn)靜電感應信號數(shù)據(jù)的濾波、分析和優(yōu)化處理，系統(tǒng)主控MCU采用STM32F407來實現(xiàn)接口通信及整個系統(tǒng)的控制。MCU和信號分析處理器之間通過 HPI主從機通信實現(xiàn)互通，STM32F407的模擬HPI總線和 TMS320VC5402通信的監(jiān)測分機架構如圖3所示。

圖3 監(jiān)測分機設計

單片機STM32F407采用定時器中斷方式的時序控制實現(xiàn)I／O口方波信號生成，并通過光耦隔離后進行輸出。本機地址用撥碼開關的低四位來設置，發(fā)射信號頻率值采用高四位設置。遠程監(jiān)控通過4G／5G移動通信網絡實現(xiàn)，當有靜電感應入侵報警或系統(tǒng)自身發(fā)生故障時，STM32F407就會向服務器發(fā)出報警信息，服務器通過MQTT消息隊列向現(xiàn)場值班人員的手機APP發(fā)出相應的報警信號并給出報警的精準位置。

（2）系統(tǒng)流程設計

接觸網銅纜防盜系統(tǒng)采用5G物聯(lián)網和太陽能獨立供電技術實現(xiàn)，系統(tǒng)以管理服務器為控制中心，以STM32F407和TMS320VC5402為核心的監(jiān)測分機為觸手，通過太陽能供電系統(tǒng)提供能源，報警信息通過5G移動通信網絡進行傳輸，通過BD／GPS獲取報警點精確位置。接觸網銅纜防盜系統(tǒng)監(jiān)測分機安裝在在建接觸網桿上[5]，系統(tǒng)在探測發(fā)現(xiàn)有人登桿入侵或接觸網銅纜附近有人靠近和異常沖擊等情況時，監(jiān)測分機收到異常信號立即通過5G網絡將報警位置信息向管理服務器發(fā)出，服務器通過MQTT消息隊列向現(xiàn)場值班人員的手機APP發(fā)出相應的報警信號并給出報警的精準位置，值守人員得到報警信息后，根據(jù)報警位置信息立即趕赴事發(fā)現(xiàn)場。

4 監(jiān)測系統(tǒng)設計

（1）系統(tǒng)軟件流程設計

接觸網銅纜防盜系統(tǒng)數(shù)字信號處理采用的TMS320VC5402核心處理器開發(fā)環(huán)境是TI公司推出的 Code Composer studio[4]（簡稱 CCS）。數(shù)字信號處理軟件主程序首先初始化CPU寄存器參數(shù)、AIC23B和McBSP接口，然后初始化TMS320VC5402內部濾波器帶寬等參數(shù)，從而進入靜電感應信號采集和分析處理循環(huán)，根據(jù)感應信號的閾值判斷是否進行報警處理。處理流程如圖4所示。

圖4 DSP主程序流程

（2）系統(tǒng)具體監(jiān)測流程設計

系統(tǒng)開始運行時，不斷檢測所接收信號的幅度，當幅度達到某個穩(wěn)定值后啟動監(jiān)測程序。DSP監(jiān)測中斷程序流程如圖5所示。

圖5 DSP監(jiān)測中斷程序流程

5 系統(tǒng)定位效果及數(shù)據(jù)測試

在半實物仿真測試過程中，所采集的數(shù)據(jù)包長度采用緩沖區(qū)長度旋鈕控制，采樣率旋鈕控制聲卡采樣率，兩個模式顯示旋鈕分別用來控制波形1和波形2的顯示模式。顯示模式可分為自動顯示模式和固定顯示模式。操作界面共有三個波形顯示窗口，第一個用來顯示經過帶通濾波器后的信號，第二個用來顯示經過數(shù)字整流后的信號，第三個用來顯示經過數(shù)字微分后的信號。

圖6為沒有人接近感應線時的波形，圖7為有人接近感應線后的波形。兩圖對比，圖7中的波形2有明顯下降，波形3的微分值也發(fā)生了相應的變化。

圖6 人未接近感應線界面

圖7 人接近感應線界面

6 總結

為解決在未通車線路上接觸網防盜問題，設計了新型的智能防盜報警系統(tǒng)，采用靜電感應技術和相應算法以及移動通信技術，能夠實現(xiàn)實時監(jiān)控并自動識別線路異常情況和遠程操作等功能，可對人員登桿、線路附近有人靠近偷盜等異常情況進行報警。和傳統(tǒng)防盜系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用靜電場接近感應技術，當人體靠近即會遠程報警，防止接觸網銅纜被人為損壞。設計采用接觸網銅纜作為布設圍欄，極大程度降低了系統(tǒng)成本，防護能力最大可以達150 m。