基于紅外探測(cè)技術(shù)的電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局 馮 翊

在電力機(jī)組設(shè)備當(dāng)中，各個(gè)設(shè)置的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換；對(duì)電力資源的合理分配；對(duì)電力流通方向的確定等。通過電力裝置與變壓器裝置的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)不同層級(jí)之間電壓的聯(lián)系，從而構(gòu)建一個(gè)完整的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，變電站的建設(shè)位置主要以偏遠(yuǎn)的山區(qū)為主，這一區(qū)域內(nèi)人群的密集度相對(duì)較低，但同時(shí)也為小動(dòng)物的生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境[1]。蛇、老鼠等小動(dòng)物經(jīng)常出現(xiàn)在變電站當(dāng)中，在一定程度上增加電力系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，還會(huì)造成電力事故發(fā)生概率的提升。盡管當(dāng)前電力企業(yè)針對(duì)這一問題，投入了大量的人力和物力，但整治效果依然沒有達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，并且小動(dòng)物的活動(dòng)范圍也沒有得到有效控制。盡管當(dāng)前捕鼠籠、捕鼠板等裝置能夠發(fā)揮一定效用，但由于存在較大的隨機(jī)性，因此無法實(shí)現(xiàn)為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障條件的目標(biāo)。并且，配電網(wǎng)施工涉及的設(shè)備和器件種類眾多，工序也較為復(fù)雜。在施工過程中會(huì)出現(xiàn)很多隱蔽工程，這些隱蔽過程一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，便會(huì)引發(fā)大規(guī)模返工，造成重大損失，甚至釀成事故。為了防止小動(dòng)物進(jìn)入配電室對(duì)電力系統(tǒng)與電力工程施工造成影響，本文在此次研究中，將引進(jìn)紅外探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)電纜溝小動(dòng)物的報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決目前電力防護(hù)手段比較被動(dòng)的問題，降低并緩解電力巡查人員在工作中的負(fù)擔(dān)。

1 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝中小動(dòng)物的有效預(yù)警，需要將傳統(tǒng)的“被動(dòng)防御”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)預(yù)測(cè)”，本文系統(tǒng)由主控制器作為支撐，當(dāng)電纜溝有入侵事件發(fā)生，系統(tǒng)將通過信號(hào)傳遞的方式進(jìn)行前端預(yù)警[2]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述圖1中內(nèi)容可知，本文設(shè)計(jì)的小動(dòng)物監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)由控制端、主控制器、MCU、接收終端設(shè)備、無線通信裝置構(gòu)成。系統(tǒng)主控制器的型號(hào)為STM32F103，當(dāng)采集裝置獲取到由前端傳遞的紅外探測(cè)信號(hào)，通信裝置將進(jìn)行信號(hào)的傳輸，并觸發(fā)系統(tǒng)的預(yù)警端口。小動(dòng)物入侵檢測(cè)是通過微控制器采集和處理紅外感應(yīng)裝置采集到發(fā)出的紅外線實(shí)現(xiàn)的，裝置的有效感應(yīng)范圍為8.0cm（±2.0cm）；工作電壓為12.0/24.0（V），屬于分控雙門控，產(chǎn)品經(jīng)過CE認(rèn)證，符合本文系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 電纜溝中小動(dòng)物的智能識(shí)別與信息驗(yàn)收

完成系統(tǒng)硬件設(shè)備的選擇后，下述將進(jìn)行系統(tǒng)軟件功能的開發(fā)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)前，需要采集大量電纜溝及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖片，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，對(duì)不同的設(shè)施標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)不同的圖像識(shí)別分析算法，利用算法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的電纜溝圖片進(jìn)行識(shí)別，并比較是否存在異常。具體實(shí)施方案分為以下三方面，其一，擬采用手持式、低成本的智能圖像采集終端，近距離拍攝電纜溝位置與角度，保證圖像質(zhì)量。其二，針對(duì)多種候選的機(jī)器視覺識(shí)別算法，利用前期采集并標(biāo)記好的電纜溝圖像對(duì)算法進(jìn)行訓(xùn)練并比較，選擇合適運(yùn)用于電纜溝小動(dòng)物識(shí)別的算法，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部署。其三，將電纜溝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)傳輸結(jié)果進(jìn)行判斷，以此給定驗(yàn)收依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝中小動(dòng)物的智能識(shí)別與信息驗(yàn)收。

針對(duì)Web端和Android終端，可使用HTML和Java語言進(jìn)行識(shí)別信息編寫，根據(jù)電纜溝作業(yè)工序框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)施工過程的全方位把控。

2.2 PIR紅外感應(yīng)與彩信報(bào)警流程設(shè)計(jì)

為了保證采集信號(hào)在傳輸中的準(zhǔn)確性和高效率性，在發(fā)送報(bào)警信號(hào)時(shí)，采用微控制器每隔一定的時(shí)間（大約200.0ms）進(jìn)行一次信息的采集，由ADC進(jìn)行采集信息的轉(zhuǎn)換，為了使采集到的信息更加準(zhǔn)確，連續(xù)采集五次，和設(shè)定值進(jìn)行比較（超過設(shè)定值表示響應(yīng)信號(hào)）。如果五個(gè)值中有3個(gè)不小于設(shè)定值，則表示有侵入事件，此時(shí)系統(tǒng)的微控制器通過感應(yīng)裝置進(jìn)行信號(hào)的串口傳輸，以此向模塊發(fā)送相關(guān)AT指令來實(shí)現(xiàn)報(bào)警[3]。下述給出檢測(cè)入侵單循環(huán)流程（圖2），假定在此過程中監(jiān)測(cè)到電纜溝存在小動(dòng)物入侵現(xiàn)象，系統(tǒng)將進(jìn)入處理程序，由微控制器發(fā)送一系列AT指令，進(jìn)行小動(dòng)物報(bào)警，否則進(jìn)入下一次循環(huán)，繼續(xù)檢測(cè)。

圖2 PIR紅外感應(yīng)流程圖

當(dāng)微處理器檢測(cè)到的信息確定有入侵事件發(fā)生時(shí)，由微控制器通過UART2串口向無線通訊模塊發(fā)送一系列指令：進(jìn)行圖像采集，將獲取的圖像傳輸?shù)浇K端顯示屏，實(shí)現(xiàn)彩信報(bào)警；用戶通過發(fā)送短消息給無線通訊模塊，用戶主動(dòng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，通信端在接收信息后，進(jìn)行圖片與信息的解析，并傳遞給微處理器，重復(fù)上面的過程，即可完成主動(dòng)查看現(xiàn)場(chǎng)的功能[4]。拍照時(shí)通過發(fā)送AT指令對(duì)圖像處理模組進(jìn)行配置，進(jìn)行配置圖像傳感器圖片大小的設(shè)置，在拍照前，根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境調(diào)節(jié)亮度、飽和度和對(duì)比度，發(fā)送AT指令控制拍照和存儲(chǔ)。默認(rèn)情況下，存儲(chǔ)在圖像模組的SRAM中，由于自帶的內(nèi)存很小，一般會(huì)把圖片存儲(chǔ)到外接的TF卡中。在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)送AT指令設(shè)置無線通訊的中心地址，設(shè)置所要接收彩信的手機(jī)號(hào)碼或郵箱地址，設(shè)置發(fā)送彩信的標(biāo)題，將所拍的照片作為附件發(fā)送到所設(shè)置的地址。發(fā)送彩信流程圖如圖3所示（以上設(shè)置，如果成功則會(huì)返回OK，否則根據(jù)返回給微控制器的信息進(jìn)行處理）。

圖3 發(fā)送彩信報(bào)警流程

按照上述流程，進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警信息的傳遞，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝小動(dòng)物的有效監(jiān)視，確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可以迅速有效地驅(qū)趕小動(dòng)物，及時(shí)告警，防止事故發(fā)生[5]。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

上文從硬件與軟件兩個(gè)方面，完成了對(duì)電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，為了證明此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以達(dá)到既定的效果，采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇某配電站作為參與單位，選擇基于NB-IoT技術(shù)的電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)照組。完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安裝，將本文系統(tǒng)中的紅外探測(cè)器安裝在距離地面2.0m左右的位置，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為常規(guī)環(huán)境，模擬本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可行性進(jìn)行分析，確保系統(tǒng)在常規(guī)條件下可穩(wěn)定運(yùn)行后，執(zhí)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，將系統(tǒng)的預(yù)警端與顯示端進(jìn)行對(duì)接，使用感應(yīng)器獲取本文系統(tǒng)的PIR紅外信號(hào)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到某區(qū)域存在信號(hào)劇烈波動(dòng)時(shí)，證明此區(qū)域可能存在小動(dòng)物。此次實(shí)驗(yàn)中的電纜溝長(zhǎng)度為50.0m，模擬小動(dòng)物在電纜溝15.0m、28.0m、47.0m位置經(jīng)過，使用兩種系統(tǒng)對(duì)電纜溝此時(shí)的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行獲取。將獲取后的PIR紅外信號(hào)與物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)波動(dòng)情況繪制成圖像，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)有效報(bào)警監(jiān)測(cè)范圍對(duì)比結(jié)果

從圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，本文系統(tǒng)的預(yù)警信號(hào)共經(jīng)歷了三次波動(dòng)，結(jié)合圖示可知，本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電纜溝13.0m～18.0m、25.0m～30.0m、39.0m～50.0m位置處存在異常，即在對(duì)應(yīng)的三個(gè)電纜溝區(qū)段中可能存在小動(dòng)物，與上文提出的小動(dòng)物在電纜溝15.0m、28.0m、47.0m位置經(jīng)過匹配。傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電纜溝13.0m～18.0m、25.0m～30.0m位置處存在異常，即在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電纜溝區(qū)段中可能存在小動(dòng)物。但傳統(tǒng)系統(tǒng)未能有效監(jiān)測(cè)到39.0m～50.0m位置的異常，證明傳統(tǒng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍有限。綜上所述，得出此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：相比基于NB-IoT技術(shù)的電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于紅外探測(cè)技術(shù)的電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中的有效報(bào)警監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)50.0m甚至更遠(yuǎn)距離的小動(dòng)物監(jiān)測(cè)。

綜上，本文從電纜溝中小動(dòng)物的智能識(shí)別與信息驗(yàn)收、PIR紅外感應(yīng)與彩信報(bào)警流程兩個(gè)方面，對(duì)基于紅外探測(cè)技術(shù)的電纜溝小動(dòng)物報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開了設(shè)計(jì)研究，完成設(shè)計(jì)后，通過實(shí)驗(yàn)證明了此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝中小動(dòng)物的監(jiān)測(cè)預(yù)警，并且相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)50.0m甚至更遠(yuǎn)距離小動(dòng)物的監(jiān)測(cè)。在后續(xù)的研究中，可將本文系統(tǒng)嘗試應(yīng)用到電纜夾層、電纜豎井內(nèi)巡查與監(jiān)視中，避免小動(dòng)物進(jìn)入開關(guān)柜，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成危害。本項(xiàng)目的開發(fā)，使管控人員遠(yuǎn)程、分析研判、監(jiān)控預(yù)警、在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理等工作的實(shí)施更加科學(xué)，通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的接入分析，能夠在有輕微異常的狀態(tài)下及時(shí)發(fā)出告警信息，緩解現(xiàn)場(chǎng)巡查人員的工作負(fù)擔(dān)，大范圍縮減巡檢人力成本。