基于智能傳感的電纜運行前防盜警報系統設計

胡 楠,陳 韜,于 輝

(阜陽師范大學 物理與電子工程學院,安徽 阜陽 236037)

1 引言

基礎電力設施覆蓋面越來越廣,在高壓電纜投運前夕(一般一個月內),電纜的丟失、破壞問題日益凸顯。一些不法分子盜取電纜中的銅用來獲利,不僅造成資產的損失,還會延誤項目工期。雖然可招納安保人員巡邏以減少盜竊事件的發生,但電纜井眾多、發生時間的任意性給防盜工作帶來不小的挑戰。

針對現場實際情況和需求,本項目研發了一種基于智能傳感的運行前電纜專用防盜警報裝置,將該裝置捆綁在電纜設備上,實時監控電纜狀態。當電纜有被盜風險時,該裝置現場發出刺耳的警報聲驅離不法分子,線上通知安保人員前往查看,可降低電纜被盜風險,減少非必要的經濟和時間上的損失。該設備特點是能在電纜斷電情況下,發揮防盜報警功能且防盜報警靈敏度與該電纜系統的長度之間不存在關聯性。與其它防盜系統相比,成本更低,實用性更強,對工作環境要求極低,適用地區廣而且可以在多種電力設備上使用。

2 系統總體方案

基于智能傳感的電纜運行前防盜警報系統的結構框圖,如圖1所示。此系統主要包括兩部分,分別是系統硬件部分以及軟件部分。系統硬件部分以單片機STC15W408AS為控制器,包括MPU6050傳感器、蜂鳴器報警模塊、4G通信模塊以及電源模塊等。MPU6050傳感器負責監測電纜是否被移動,進行防盜監測,出現被盜情況時,由單片機控制蜂鳴器報警模塊發出刺耳的警報聲,并通過4G模塊實現UDP連接服務器,向遠程發送設備狀態。軟件部分為遠程服務器程序及防盜預警APP。防盜預警APP實時顯示設備狀態,有被盜風險時發出警報聲。遠程服務器發送短信通知負責人員,提醒負責人員電纜可能被盜。

3 系統硬件設計

圖2為硬件電路連接圖,主要包括STC15W408AS單片機、MPU6050傳感器、蜂鳴器報警模塊、4G通信模塊以及電源模塊等。

圖2 系統硬件電路連接圖

3.1 STC15W408AS單片機

硬件電路以單片機STC15W408AS為控制器。單片機的開關即為該硬件設備的啟動鍵,按下后,經過10 s倒計時,系統開始進入工作狀態。在硬件設備中選用STC15系列單片機,是因為此單片機具有超低功耗性,可以使設備持久續航。同時,在程序設計方面,采用外部中斷的方式,可進一步增加續航能力。

3.2 電源模塊設計

本系統采用3.7 V固定電源供電,通過LM1117-3.3穩壓芯片為系統提供3.3 V電源,為主控制芯片、MPU6050傳感器、蜂鳴器、4G通信模塊設備進行供電。

3.3 MPU6050傳感器模塊

MPU6050是一個6軸姿態傳感器,可以測量芯片自身X、Y、Z軸的加速度、角速度參數,MPU6050傳感器模塊通過加速度參數監測電纜是否被移動。設置MPU6050為cycle低功耗狀態,喚醒和休眠交替執行,每200 ms喚醒一次并采集數據,判斷是否達到了中斷喚醒的條件。

MPU6050的VCC接電源模塊正極,GND接電源模塊負極。MPU6050與單片機采用IIC通信,故SCL、SDA接單片機P1.2和P1.1引腳,MPU6050的INT引腳與單片機INT0(P3.2)連接。MPU6050采用加速度中斷方式,即當設備或者電纜被移動時,加速度參數產生變化,該振動數據與相應閾值對比,判斷有無被盜風險:若有則觸發MPU6050加速度中斷,MPU6050的INT引腳產生一個低電平信號,這個信號作用于單片機INT0引腳,會觸發單片機外部中斷0的中斷服務程序。

3.4 4G通信模塊

4G通信模塊采用合宙Air724UG通信模塊,Air724UG是4G全網通模塊,可適應不同的運營商和產品,具有短信發送、語音通話、4G數據傳輸等數據通信功能,同時支持多種開發方式,如USB上網、標準AT、Lua腳本二次開發等,主要使用標準AT指令進行開發編程。接線情況為:VCAP接電源模塊正極,GND接電源模塊負極,PWRKEY與單片機P1.3引腳連接,用于控制4G模塊的開關機,RXD、TXD分別與單片機的TXD、RXD連接,進行串口通信。同時由于電纜深埋于地下,狀態消息的信號傳輸難以得到有效的保證,故在4G通信模塊上外接20米天線,以保證狀態消息的及時傳輸。

3.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器采用有源高電平觸發蜂鳴器模塊,工作電壓范圍為3.3～5 V。當MPU6050傳感器監測到電纜被移動后,STC15W408AS單片機會驅動蜂鳴器發出刺耳警報聲。

3.6 系統運行流程

用戶按下硬件設備啟動鍵后,經過10 s倒計時,系統開始進入工作狀態,MPU6050傳感器會一直監測電纜狀態。STC15W408AS單片機通過AT指令控制4G模塊每30秒向遠程服務器發送當前電纜編號、位置、狀態等信息。此時,若電纜處于安全狀態,遠程服務器接收到信息后,更新防盜預警APP的狀態為安全狀態;若MPU6050傳感器監測到電纜被移動,就會觸發STC15W408AS單片機外部中斷,單片機輸出信號,驅動蜂鳴器報警,并通過AT指令控制4G模塊向遠程服務器發送電纜被盜狀態信息。遠程服務器接收到信息后,向相關人員手機發送一條電纜異常的短信,并更新防盜預警APP的狀態為被盜狀態,防盜預警APP發出刺耳警報聲。基于智能傳感的電纜運行前防盜警報系統的單片機主流程圖和系統中斷流程圖如圖3、4所示。

圖3 單片機主流程圖

圖4 系統中斷流程圖

4 系統軟件設計

4.1 阿里云平臺

阿里云平臺提供了豐富的API,可以支持適配各種網絡環境和協議類型,使用便捷,可滿足各種個性化方案設計。本項目采用阿里云平臺主要獲取眾多設備不斷發送過來的設備狀態數據并加以整理,供數據庫數據存儲和程序調用;所述數據庫用于存儲設備信息、設備狀態信息、人員信息等,可按需求通過程序對這些數據進行添加、刪除、修改和查詢操作;對于有問題的設備通過手機短信及時通知人員前往查看,并且手機會震動并伴有響亮報警聲,提醒哪些設備所在電纜井有被盜風險。

4.2 防盜預警APP搭建

軟件在使用的過程中有4種狀態與整個硬件設備一一對應。一是未啟動狀態,即防盜硬件設備未開啟的狀態,防盜預警APP的狀態也為未啟動狀態,此時圖標為黃色問號。二是安全狀態,設備正常工作后,MPU6050傳感器若一直未檢測到電纜異常,則表明電纜處于安全狀態,防盜預警APP安全狀態的圖標為綠色對鉤。三是被盜狀態,MPU6050傳感器一旦監測到電纜被移動,防盜預警APP的狀態為被盜狀態,防盜預警APP發出刺耳警報聲,防盜預警APP被盜狀態的圖標為紅色感嘆號。四是失電狀態,一種情況是設備的電源模塊沒電了,設備處于失電狀態,此時遠程服務器長時間未收到設備狀態信息,于是設備被判定為失電狀態,更新防盜預警APP的狀態為失電狀態;另一種情況是MPU6050傳感器檢測到電纜異常,但還未發出信號,設備電源就被不法分子破壞,這種情況下,遠程服務器也會因長時間未收到設備狀態信息,判定設備處于失電狀態。無論哪種失電狀態發生時,相關負責人都會接收到設備失電的短信,然后根據短信提示趕到現場查看情況。

5 軟硬件調試

設備實物如圖5所示。

圖5 系統硬件實物圖

將該防盜設備牢固地綁于電纜上,并定義該設備編號為C0000001。該設備未啟動時,防盜預警APP狀態為未啟動狀態,如圖6所示。

圖6 未啟動狀態

當按下設備啟動鍵后,經過10s倒計時,系統開始進入工作狀態,30秒內若MPU6050傳感器未檢測到電纜異常,則更新防盜預警APP的狀態為安全狀態,如圖7所示。

圖7 安全狀態

人工輕微晃動電纜設備,模擬電纜被盜,發現系統硬件設備的蜂鳴器會發出刺耳警報聲,同時防盜預警APP的狀態顯示為被盜狀態,如圖8所示。同時手機端的防盜預警APP也會發出刺耳警報聲,同時收到一條C0000001編號設備處電纜可能有被盜風險的短信,如圖9所示。

圖8 被盜狀態

圖9 手機端接收到短信

最后將設備斷電,取掉電池,模擬設備失電。30秒未收到設備任何信號,更新防盜預警APP的狀態為失電狀態,如圖10所示,同時手機端的防盜預警APP也會發出設備失電的警報聲,同時相關人員接收到設備失電的短信。

圖10 失電狀態