一種基于靜電感應(yīng)接觸網(wǎng)銅纜防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白國(guó)巖

（中鐵十六局集團(tuán)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(chǎng)存有大量未投入使用的接觸網(wǎng)銅纜。為保證銅纜不被盜竊，目前傳統(tǒng)的防盜報(bào)警系統(tǒng)一般采用紅外線對(duì)射或者視頻監(jiān)控方式，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的周界防護(hù)[1]常采用導(dǎo)線加強(qiáng)電的方式。本系統(tǒng)采用接近感應(yīng)報(bào)警技術(shù)，當(dāng)人體接近、空手觸摸或鉗子搭接時(shí)能夠立即觸發(fā)報(bào)警功能，保護(hù)銅纜不被破壞。

靜電感應(yīng)式防盜系統(tǒng)[2]抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)報(bào)警原理先進(jìn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的微波、紅外等技術(shù)的不足。靜電感應(yīng)式接觸網(wǎng)銅纜防盜系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單、便捷的方法，同時(shí)把單機(jī)成本壓至最低。單機(jī)防護(hù)能力最大可以達(dá)到2 000 m，此時(shí)系統(tǒng)工作性能仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。靜電感應(yīng)式防盜系統(tǒng)，不受地形影響，可以任意架設(shè)；高壓脈沖能量比傳統(tǒng)電網(wǎng)要小很多，而且系統(tǒng)安全性能好[3－4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

（1）整體設(shè)計(jì)

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

直接利用現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)布設(shè)好的接觸網(wǎng)銅纜作為信號(hào)傳輸線。由于銅纜接觸網(wǎng)由多芯組成，把一個(gè)方波信號(hào)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(chǎng)已有銅纜作為防護(hù)圍欄，極大程度地降低了系統(tǒng)整體成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)、無死角防護(hù)。防盜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 防盜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

防盜系統(tǒng)由管理服務(wù)器、信號(hào)線與監(jiān)測(cè)分機(jī)、太陽能供電系統(tǒng)、4G／5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)傳輸DTU模塊、北斗／GPS模塊和接警手機(jī)APP等組成。利用已有的接觸網(wǎng)銅纜線作為信號(hào)線，監(jiān)測(cè)分機(jī)安裝于鐵路沿線電桿上，采用靜電場(chǎng)接近感應(yīng)技術(shù)，可對(duì)線路異常情況進(jìn)行報(bào)警。

（2）北斗／GPS聯(lián)合定位系統(tǒng)原理分析

靜電感應(yīng)式防護(hù)工作原理[8]：電感耦合和電容耦合存在于靜電感應(yīng)區(qū)，兩電路中導(dǎo)體比較接近且存在電位差時(shí)，一個(gè)電路中導(dǎo)體的電場(chǎng)會(huì)影響另一個(gè)電路中的導(dǎo)體，兩者相互影響，進(jìn)一步影響電場(chǎng)的變化。

在靜電感應(yīng)防護(hù)區(qū)內(nèi)，當(dāng)人體接近、空手觸摸或鉗子搭接時(shí)，可以判斷非法侵入的指標(biāo)為電位高低，如果電位的變化超過報(bào)警閾值，將進(jìn)行報(bào)警操作。

圖2為靜電感應(yīng)工作原理，在發(fā)射線圈所加的信號(hào)為方波信號(hào)，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(huì)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(huì)有所變化，但在本系統(tǒng)中可以忽略。

圖2 靜電感應(yīng)原理

系統(tǒng)根據(jù)靜電感應(yīng)報(bào)警位置再結(jié)合北斗／GPS獲取的經(jīng)緯度信息，通過4G／5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)和值班員手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置報(bào)警以方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速處理。

3 前端硬件設(shè)計(jì)

（1）接收機(jī)整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目前端采用高速16位AD，信號(hào)處理采用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)靜電感應(yīng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)接口通信及整個(gè)系統(tǒng)的控制。MCU和信號(hào)分析處理器之間通過 HPI主從機(jī)通信實(shí)現(xiàn)互通，STM32F407的模擬HPI總線和 TMS320VC5402通信的監(jiān)測(cè)分機(jī)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)分機(jī)設(shè)計(jì)

單片機(jī)STM32F407采用定時(shí)器中斷方式的時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)I／O口方波信號(hào)生成，并通過光耦隔離后進(jìn)行輸出。本機(jī)地址用撥碼開關(guān)的低四位來設(shè)置，發(fā)射信號(hào)頻率值采用高四位設(shè)置。遠(yuǎn)程監(jiān)控通過4G／5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有靜電感應(yīng)入侵報(bào)警或系統(tǒng)自身發(fā)生故障時(shí)，STM32F407就會(huì)向服務(wù)器發(fā)出報(bào)警信息，服務(wù)器通過MQTT消息隊(duì)列向現(xiàn)場(chǎng)值班人員的手機(jī)APP發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)并給出報(bào)警的精準(zhǔn)位置。

（2）系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)銅纜防盜系統(tǒng)采用5G物聯(lián)網(wǎng)和太陽能獨(dú)立供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)以管理服務(wù)器為控制中心，以STM32F407和TMS320VC5402為核心的監(jiān)測(cè)分機(jī)為觸手，通過太陽能供電系統(tǒng)提供能源，報(bào)警信息通過5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通過BD／GPS獲取報(bào)警點(diǎn)精確位置。接觸網(wǎng)銅纜防盜系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分機(jī)安裝在在建接觸網(wǎng)桿上[5]，系統(tǒng)在探測(cè)發(fā)現(xiàn)有人登桿入侵或接觸網(wǎng)銅纜附近有人靠近和異常沖擊等情況時(shí)，監(jiān)測(cè)分機(jī)收到異常信號(hào)立即通過5G網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警位置信息向管理服務(wù)器發(fā)出，服務(wù)器通過MQTT消息隊(duì)列向現(xiàn)場(chǎng)值班人員的手機(jī)APP發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)并給出報(bào)警的精準(zhǔn)位置，值守人員得到報(bào)警信息后，根據(jù)報(bào)警位置信息立即趕赴事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)銅纜防盜系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)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(jiǎn)稱 CCS）。數(shù)字信號(hào)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(nèi)部濾波器帶寬等參數(shù)，從而進(jìn)入靜電感應(yīng)信號(hào)采集和分析處理循環(huán)，根據(jù)感應(yīng)信號(hào)的閾值判斷是否進(jìn)行報(bào)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(cè)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，不斷檢測(cè)所接收信號(hào)的幅度，當(dāng)幅度達(dá)到某個(gè)穩(wěn)定值后啟動(dòng)監(jiān)測(cè)程序。DSP監(jiān)測(cè)中斷程序流程如圖5所示。

圖5 DSP監(jiān)測(cè)中斷程序流程

5 系統(tǒng)定位效果及數(shù)據(jù)測(cè)試

在半實(shí)物仿真測(cè)試過程中，所采集的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度采用緩沖區(qū)長(zhǎng)度旋鈕控制，采樣率旋鈕控制聲卡采樣率，兩個(gè)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(dòng)顯示模式和固定顯示模式。操作界面共有三個(gè)波形顯示窗口，第一個(gè)用來顯示經(jīng)過帶通濾波器后的信號(hào)，第二個(gè)用來顯示經(jīng)過數(shù)字整流后的信號(hào)，第三個(gè)用來顯示經(jīng)過數(shù)字微分后的信號(hào)。

圖6為沒有人接近感應(yīng)線時(shí)的波形，圖7為有人接近感應(yīng)線后的波形。兩圖對(duì)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(yīng)的變化。

圖6 人未接近感應(yīng)線界面

圖7 人接近感應(yīng)線界面

6 總結(jié)

為解決在未通車線路上接觸網(wǎng)防盜問題，設(shè)計(jì)了新型的智能防盜報(bào)警系統(tǒng)，采用靜電感應(yīng)技術(shù)和相應(yīng)算法以及移動(dòng)通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)識(shí)別線路異常情況和遠(yuǎn)程操作等功能，可對(duì)人員登桿、線路附近有人靠近偷盜等異常情況進(jìn)行報(bào)警。和傳統(tǒng)防盜系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用靜電場(chǎng)接近感應(yīng)技術(shù)，當(dāng)人體靠近即會(huì)遠(yuǎn)程報(bào)警，防止接觸網(wǎng)銅纜被人為損壞。設(shè)計(jì)采用接觸網(wǎng)銅纜作為布設(shè)圍欄，極大程度降低了系統(tǒng)成本，防護(hù)能力最大可以達(dá)150 m。