基于智能传感的电缆运行前防盗警报系统设计

胡 楠,陈 韬,于 辉

(阜阳师范大学 物理与电子工程学院,安徽 阜阳 236037)

1 引言

基础电力设施覆盖面越来越广,在高压电缆投运前夕(一般一个月内),电缆的丢失、破坏问题日益凸显。一些不法分子盗取电缆中的铜用来获利,不仅造成资产的损失,还会延误项目工期。虽然可招纳安保人员巡逻以减少盗窃事件的发生,但电缆井众多、发生时间的任意性给防盗工作带来不小的挑战。

针对现场实际情况和需求,本项目研发了一种基于智能传感的运行前电缆专用防盗警报装置,将该装置捆绑在电缆设备上,实时监控电缆状态。当电缆有被盗风险时,该装置现场发出刺耳的警报声驱离不法分子,线上通知安保人员前往查看,可降低电缆被盗风险,减少非必要的经济和时间上的损失。该设备特点是能在电缆断电情况下,发挥防盗报警功能且防盗报警灵敏度与该电缆系统的长度之间不存在关联性。与其它防盗系统相比,成本更低,实用性更强,对工作环境要求极低,适用地区广而且可以在多种电力设备上使用。

2 系统总体方案

基于智能传感的电缆运行前防盗警报系统的结构框图,如图1所示。此系统主要包括两部分,分别是系统硬件部分以及软件部分。系统硬件部分以单片机STC15W408AS为控制器,包括MPU6050传感器、蜂鸣器报警模块、4G通信模块以及电源模块等。MPU6050传感器负责监测电缆是否被移动,进行防盗监测,出现被盗情况时,由单片机控制蜂鸣器报警模块发出刺耳的警报声,并通过4G模块实现UDP连接服务器,向远程发送设备状态。软件部分为远程服务器程序及防盗预警APP。防盗预警APP实时显示设备状态,有被盗风险时发出警报声。远程服务器发送短信通知负责人员,提醒负责人员电缆可能被盗。

3 系统硬件设计

图2为硬件电路连接图,主要包括STC15W408AS单片机、MPU6050传感器、蜂鸣器报警模块、4G通信模块以及电源模块等。

图2 系统硬件电路连接图

3.1 STC15W408AS单片机

硬件电路以单片机STC15W408AS为控制器。单片机的开关即为该硬件设备的启动键,按下后,经过10 s倒计时,系统开始进入工作状态。在硬件设备中选用STC15系列单片机,是因为此单片机具有超低功耗性,可以使设备持久续航。同时,在程序设计方面,采用外部中断的方式,可进一步增加续航能力。

3.2 电源模块设计

本系统采用3.7 V固定电源供电,通过LM1117-3.3稳压芯片为系统提供3.3 V电源,为主控制芯片、MPU6050传感器、蜂鸣器、4G通信模块设备进行供电。

3.3 MPU6050传感器模块

MPU6050是一个6轴姿态传感器,可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数,MPU6050传感器模块通过加速度参数监测电缆是否被移动。设置MPU6050为cycle低功耗状态,唤醒和休眠交替执行,每200 ms唤醒一次并采集数据,判断是否达到了中断唤醒的条件。

MPU6050的VCC接电源模块正极,GND接电源模块负极。MPU6050与单片机采用IIC通信,故SCL、SDA接单片机P1.2和P1.1引脚,MPU6050的INT引脚与单片机INT0(P3.2)连接。MPU6050采用加速度中断方式,即当设备或者电缆被移动时,加速度参数产生变化,该振动数据与相应阈值对比,判断有无被盗风险:若有则触发MPU6050加速度中断,MPU6050的INT引脚产生一个低电平信号,这个信号作用于单片机INT0引脚,会触发单片机外部中断0的中断服务程序。

3.4 4G通信模块

4G通信模块采用合宙Air724UG通信模块,Air724UG是4G全网通模块,可适应不同的运营商和产品,具有短信发送、语音通话、4G数据传输等数据通信功能,同时支持多种开发方式,如USB上网、标准AT、Lua脚本二次开发等,主要使用标准AT指令进行开发编程。接线情况为:VCAP接电源模块正极,GND接电源模块负极,PWRKEY与单片机P1.3引脚连接,用于控制4G模块的开关机,RXD、TXD分别与单片机的TXD、RXD连接,进行串口通信。同时由于电缆深埋于地下,状态消息的信号传输难以得到有效的保证,故在4G通信模块上外接20米天线,以保证状态消息的及时传输。

3.5 蜂鸣器模块

蜂鸣器采用有源高电平触发蜂鸣器模块,工作电压范围为3.3～5 V。当MPU6050传感器监测到电缆被移动后,STC15W408AS单片机会驱动蜂鸣器发出刺耳警报声。

3.6 系统运行流程

用户按下硬件设备启动键后,经过10 s倒计时,系统开始进入工作状态,MPU6050传感器会一直监测电缆状态。STC15W408AS单片机通过AT指令控制4G模块每30秒向远程服务器发送当前电缆编号、位置、状态等信息。此时,若电缆处于安全状态,远程服务器接收到信息后,更新防盗预警APP的状态为安全状态;若MPU6050传感器监测到电缆被移动,就会触发STC15W408AS单片机外部中断,单片机输出信号,驱动蜂鸣器报警,并通过AT指令控制4G模块向远程服务器发送电缆被盗状态信息。远程服务器接收到信息后,向相关人员手机发送一条电缆异常的短信,并更新防盗预警APP的状态为被盗状态,防盗预警APP发出刺耳警报声。基于智能传感的电缆运行前防盗警报系统的单片机主流程图和系统中断流程图如图3、4所示。

图3 单片机主流程图

图4 系统中断流程图

4 系统软件设计

4.1 阿里云平台

阿里云平台提供了丰富的API,可以支持适配各种网络环境和协议类型,使用便捷,可满足各种个性化方案设计。本项目采用阿里云平台主要获取众多设备不断发送过来的设备状态数据并加以整理,供数据库数据存储和程序调用;所述数据库用于存储设备信息、设备状态信息、人员信息等,可按需求通过程序对这些数据进行添加、删除、修改和查询操作;对于有问题的设备通过手机短信及时通知人员前往查看,并且手机会震动并伴有响亮报警声,提醒哪些设备所在电缆井有被盗风险。

4.2 防盗预警APP搭建

软件在使用的过程中有4种状态与整个硬件设备一一对应。一是未启动状态,即防盗硬件设备未开启的状态,防盗预警APP的状态也为未启动状态,此时图标为黄色问号。二是安全状态,设备正常工作后,MPU6050传感器若一直未检测到电缆异常,则表明电缆处于安全状态,防盗预警APP安全状态的图标为绿色对钩。三是被盗状态,MPU6050传感器一旦监测到电缆被移动,防盗预警APP的状态为被盗状态,防盗预警APP发出刺耳警报声,防盗预警APP被盗状态的图标为红色感叹号。四是失电状态,一种情况是设备的电源模块没电了,设备处于失电状态,此时远程服务器长时间未收到设备状态信息,于是设备被判定为失电状态,更新防盗预警APP的状态为失电状态;另一种情况是MPU6050传感器检测到电缆异常,但还未发出信号,设备电源就被不法分子破坏,这种情况下,远程服务器也会因长时间未收到设备状态信息,判定设备处于失电状态。无论哪种失电状态发生时,相关负责人都会接收到设备失电的短信,然后根据短信提示赶到现场查看情况。

5 软硬件调试

设备实物如图5所示。

图5 系统硬件实物图

将该防盗设备牢固地绑于电缆上,并定义该设备编号为C0000001。该设备未启动时,防盗预警APP状态为未启动状态,如图6所示。

图6 未启动状态

当按下设备启动键后,经过10s倒计时,系统开始进入工作状态,30秒内若MPU6050传感器未检测到电缆异常,则更新防盗预警APP的状态为安全状态,如图7所示。

图7 安全状态

人工轻微晃动电缆设备,模拟电缆被盗,发现系统硬件设备的蜂鸣器会发出刺耳警报声,同时防盗预警APP的状态显示为被盗状态,如图8所示。同时手机端的防盗预警APP也会发出刺耳警报声,同时收到一条C0000001编号设备处电缆可能有被盗风险的短信,如图9所示。

图8 被盗状态

图9 手机端接收到短信

最后将设备断电,取掉电池,模拟设备失电。30秒未收到设备任何信号,更新防盗预警APP的状态为失电状态,如图10所示,同时手机端的防盗预警APP也会发出设备失电的警报声,同时相关人员接收到设备失电的短信。

图10 失电状态