一种智能高压输电铁塔远程监控系统的设计*

2017-09-06宋人杰刘长银侯雪艳侯艳权刘洋楚玉刚徐艳伟

电子器件 2017年1期

宋人杰，刘长银，侯雪艳，侯艳权，刘洋，楚玉刚，徐艳伟

(1.东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012;2.国网七台河供电公司，黑龙江七台河154600;3.国网牡丹江供电公司，黑龙江牡丹江157000;4.国网鸡西电力供电公司，黑龙江鸡西1581005;5.国网白山供电公司，吉林白山134300)

宋人杰1*，刘长银2，侯雪艳2，侯艳权2，刘洋3，楚玉刚4，徐艳伟1，5

针对传统的人工巡检和传感器监测方式存在的弊端，设计了一种基于嵌入式技术与传感器技术相结合的高压输电铁塔智能防盗报警远程监控系统，监测终端将摄像头采集的视频图像信息和各传感器工作状态通过4G网络传输至监控中心进行分析处理。文中介绍了监测终端硬件和软件以及监控中心基于Qt Creator的视频集中管理软件的设计流程。系统在线测试结果表明，系统运行稳定可靠，智能监控效果良好，可切实提升电网安全保障能力。

嵌入式系统;输电铁塔;4G;防盗报警;Qt Creator

随着社会发展科技进步，用电规模不断扩大，电网安全问题显得越发重要。在变电、配电、输电3个电力网主要组成部分中，对输电系统的智能监测是保障电网安全的重要环节。融合传感器技术与通信技术实现对输电系统高压铁塔的实时监测，通过自动化、信息化的管理手段，对提高输电系统的可靠性与稳定性有着至关重要的作用，也是智能电网建设的重要组成部分［1-2］。

鉴于安全性与线路架设等因素，高压输电铁塔大多建设在野外地区，且布局分散，线路的维护与监测需耗费大量的人力、物力，尚未提出有效的安全防范措施。目前对高压铁塔的防盗监测手段主要有人工巡检和传感器监测两种方式。但是他们各有弊端:人工巡检实时性差且效率较低;单一的传感器监测容易对自然扰动产生误报，耗费不必要的物力和财力［3］。

为克服传统的人工巡检和传感器监测方式存在的弊端，本文设计了基于ARM嵌入式平台融合4G技术与传感器技术的铁塔在线监测系统，并基于Qt Creator平台开发了可以跨平台运行的客户端监控集中管理软件。系统既能保证传感器监测方式实时性强的优点，同时解决了自然扰动引起的误报问题，提高了系统可靠性，实现对高压输电铁塔实时高效的智能防盗报警远程监控。

1 系统总体架构设计

本文将传感器技术与4G技术相结合，实现输电铁塔的智能防盗远程监控系统。系统主要由监测终端和监控中心两部分构成。监测终端是一个嵌入式系统，包括电源系统、传感器采集模块、摄像头、ARM处理器、4G模块等，完成数据的采集和传输。监控中心主要实现监控集中管理软件，负责完成设备管理、图像的显示、数据存储调用以及报警等功能。系统总体架构图如图1所示。

图1 系统总体架构图

监测终端通过嵌入式微处理器实时监测振动传感器由于敲打、锯动而产生的振动信号，结合三鉴红外探测器监测铁塔下的人体红外感应信号，并对信号进行分析、判断，如有异常情况便主动发出报警信息通知监控中心，同时启动摄像系统，利用4G网络将图像信息发往至监控中心。监控中心集中管理软件可以完成图像的实时显示、存储、历史查询等功能，并能够利用改进的背景差分法实现图像监测区域内的运动目标检测、轮廓识别和跟踪标记。

2 系统监测终端硬件设计

铁塔监测终端利用风光互补供电方案系统提供稳定电源，并具备传感器数据采集、图像采集及存储、4G网络传输与报警等功能。监测终端硬件结构图如图2所示。

(1)电源模块由单晶太阳能光伏板、垂直轴磁悬浮风力电机、锂电池、充放电控制器构成，并针对各个模块工作电压进行电压转换，为系统提供持续、稳定电源。

(2)处理器主要采用集成ARM CortexTM-A8内核的三星S5PV210处理器，其包含多种格式的编解码器在运动视频处理、显示控制和缩放等方面有一定优势。

(3)存储器模块包括NANDFLASH存储器和SDRAM存储器，用于程序和数据的存储及系统的运行等。

(4)传感器模块利用振动传感器监测铁塔由于敲打、锯动而产生的振动信号，同时结合三鉴红外传感器监测铁塔下人体红外感应信号，为判断铁塔是否发生盗窃事故提供依据。

(5)图像采集模块当传感器信号异常时，对铁塔现场进行图像采集。

(6)4G模块用于传输图像数据并接收来自监测中心的控制命令。

图2 监测终端硬件结构图

(7)外围接口模块包括UART、USB、SDIO、JTAG以及网口等。其中，通过UART接口可以利用控制台对监测终端操作，方便设备调试。SDIO主要用于外扩SD卡，用于存储数据或烧写系统。JTAG接口方便系统调试。网口用于挂载NFS文件系统，提高开发效率。

3 系统监测终端软件设计

监测终端采用S5PV210处理器嵌入Linux操作系统，利用信号机制定期向监控中心发送在线信息(包括主机名称、IP等标识信息)，监控中心以此判断终端设备是否正常工作，获得并记录终端IP和端口号来发送控制命令。为提高系统的实时响应性能，监测终端采用多线程编程:控制线程主要进行传感器信号监听、图像采集、编码和传输;另一个线程主要完成网络数据监听，及时接收并处理来自监测中心的控制命令。监测终端软件总体流程图如图3所示。

图3 监测终端软件设计结构

3.1 传感器程序设计

系统要想获得来自振动传感器及红外传感器的数据信息，必须针对传感器类型编写相应的驱动程序。设计中来自传感器的信号均为模拟电压信号，利用S5PV210的A/D(模数转换)接口便可完成数据的读取［4］，针对该类传感器需编写Linux下的字符设备驱动程序。传感器驱动程序流程图如图4所示。

图4 传感器驱动程序流程图

首先利用module_init注册的函数(入口函数)初始化struct file_operations和A/D功能寄存器等功能。然后利用register_chrdev_region函数获取当前可用的主设备号与次设备号。添加方法部分的主要工作是完成struct file_operations中函数指针对应函数的编写。通过ioremap函数完成虚拟地址到物理地址的映射，利用函数返回指针对A/D控制寄存器、数据寄存器等进行读写操作。执行rmmod sensor调用module_exit注册的函数(卸载函数)，释放系统资源。

3.2 图像采集程序设计

V4L2(Video4Linux2)是Linux内核中的驱动程序，主要用于视频相关设备，为用户操作视频设备提供了应用接口［5］。设计中采用的摄像头为UVC (USB Video Device Class)摄像头，本文采用分辨率为640像素×480像素。调用V4L2 API接口完成对摄像头的设置及图像采集。图像采集流程图如图5所示。

图5 图像采集流程图

3.3 网络传输程序设计

本文设计中采用中兴公司生产的ME3760_V2上网模块，支持TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA等网络模式。添加ME3760_V2模块的驱动到系统内核，其ECM口在Linux系统下被映射成5个接口: ECM、/、AT、Modem、Log。由于USB和ECM都属于非标准cdc设备，为防止ECM功能被覆盖，在进行USB串口初始化时应将其过滤。重新编译系统内核。挂载模块成功后模块的ECM口在系统中被映射成网口eth1，最后用PPP工具拨号连接4G网络［6］。系统网络协议采用UDP(User Datagram Protocol，用户数据包协议)，与TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)相比其放弃了数据传输的可靠性来换取数据传输速率的提升，更能够提高图像显示的实时性。

本文为解决发送函数执行速度过快或其他网络问题导致的丢包现象，提高系统传输可靠性，采用以下方案:

(1)对编码后的图像数据进行了分包及编号。每发送一组数据，根据监控中心的反馈信息重新发送标记失败的数据包，直至丢包率达到设定门限值，发送成功。

(2)发送端根据接收端反馈的丢包率自适应调节数据包之间的发送时间间隔。当丢包率过大时，适当增加时间间隔，反之减小。表1反映了丢包率与反馈次数、发送时间间隔之间的关系(以下数据是200次试验的平均值，每个数据包大小为512 byte)。

表1 丢包率测试表

3.4 开机启动脚本设计

若系统供电不足出现掉电、上电重启或系统故障重启等现象。为保证系统开机自动进行4G拨号上网并执行其他应用程序，本文通过编写shell脚本完成系统运行前的准备工作，实现应用程序的自启动与进程监听功能。

4 视频集中管理软件设计

视频集中管理软件基于Linux下Qt4.8.5开发平台，利用Qt Creator集成开发环境开发设计［7］。Qt是覆盖系统平台最广的跨平台开发框架，当应用程序需要运行在不同系统中时，只需根据目标平台对编写好的应用程序源代码进行重新编译，便可实现应用程序的移植［8-9］。

根据用户的设计需求，视频集中管理软件采用模块化编程思想［10］，系统软件架构如图6所示。主要包括显示模块、安全模块、控制模块、网络模块、存储模块5大部分。显示模块主要是完成图像信息的解码和滤波并最终在窗口显示出来;安全模块包括用户信息管理和报警信息管理功能;网络模块主要是Socket编程，采用UDP网络协议;控制模块主要完成系统云台控制，图像的放大、缩小、旋转，历史信息查询等功能;存储模块利用SQLite、记事本和超链接完成用户信息、图像信息、报警信息等系统数据存储。

图6 软件主要功能模块

4.1 解码模块

本文采用H.264视频编解码标准，其具有较高的数据压缩率和良好的存储性能，图像失真率低，适合网络传输［11-12］。视频编码层(VCL)和网络抽象层(NAL)是H.264视频系统的两个主要数据层。系统具体解码流程如图7所示。

图7 H.264解码流程

4.2 后端智能视频分析

在智能视频分析技术中，相对于前端移动侦测而言后端智能视频图像分析技术具有灵活性好、扩容性强并且易于升级维护的特点，被广泛应用于智能视频监控领域［13］。

图8 移动侦测与轮廓跟踪

监控中心接收图像后，首先对图像进行解码，获得图像中各个像素点的灰度信息，然后利用均值法够造背景模型通过不断更新背景模型减少自然环境对目标检测的影响。同时利用Camshift算法跟踪得到目标物体的中心位置，通过背景差分法提取目标物体区域，获取目标物体区域轮廓序列，绘制检测到的轮廓，进而实现了对目标物体的轮廓跟踪。图8所示为挥手动作移动侦测跟踪测试，视频采集帧率为20 frame/s，每帧图片大小为320像素×240像素。由图8(a)～图8(d)4帧图像可以看出，系统的移动侦测跟踪效果较好，可以对移动物体进行准确侦测以及轮廓跟踪。通过移动物体的轮廓线变化可以初步识别判断移动物体的基本属性以及行为信息，为用户提供参考。测试结果表明本文设计方案可以实时、准确、稳定地侦测移动物体以及对目标物体进行轮廓跟踪。

5 系统测试

本文所设计高压输电铁塔智能防盗报警监控系统已成功应用于某市输电线路铁塔(主要为60 kV和110 kV)，系统监控终端安装于铁塔4 m～5 m高度。图9和图10分别为系统监控中心集中管理软件在Winwows和Linux系统下测试界面。以管理员身份登录软件后可以看到各监测终端的工作状态:绿色指示灯表示监测终端传感器信号正常，红灯反之;当想要查看铁塔现场图像时可以单击发送图像按钮，通知对应终端发送图像信息;监控中心会将接收的图像信息显示，同时保存至指定文件夹;信息提示栏里可以清晰看到各监测点的在线状态和报警日志信息。

6 结束语

本文设计了基于嵌入式技术与传感器技术相结合的高压输电铁塔智能防盗报警远程监控系统。监测终端采用三星S5PV210处理器，图像采集分主动与被动两种方式:接收监控中心命令;由振动传感器和三鉴红外传感器触发。基于Qt Creator开发了可跨平台运行的监控集中管理软件。系统可以达到预期要求，有效的解决了传统监测方式存在弊端，具有较高的工程应用价值。

图9 W indow s 7系统下集中管理软件运行界面

图10 CentOS 6.5系统下集中管理软件运行界面

参考文献:

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［3］肖东晖，林立.电力系统统一视频监控平台解决方案［J］.电力系统自动化，2013，37(5):74-80.

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［13］Heinrich A，DiG，Znamenshiy D，etal.Robustand Sensitive Video Motion Detection for Sleep Analysis［J］.IEEE Journals＆Magazines，2014，18(3):790-798.

宋人杰(1963-)，女，吉林籍，教授，研究方向为计算机在电力系统中的应用，sr1963331@sina.com;

徐艳伟(1990-)，男，山东籍，硕士研究生，研究方向为无线通信技术，xuyanwei 0537@163.com。

Design of Remote M onitoring System for Intelligent High Voltage Transm ission Tower*

SONG Renjie1*，LIU Changyin2，HOU Xueyan2，HOU Yanquan2，LIU Yang3，CHU Yugang4，XU Yanwei1，5

(1.Department of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China;2.StateGrid Qitaihe Electric Power Supply Company，Qitaihe Heilongjiang 154600，China;3.State Grid Mudanjiang Electric Power Supply Company，Mudanjiang Heilongjiang，157000，China;4.StateGrid Jixi Eletric Power Supply Company，Jixi Heilongjiang 158100，China;5.State Grid Baishan Power Supply Company，Baishan Jilin 132012，China)

In order to overcome the disadvantages that the traditionalmanual inspection and the sensormonitoring mode exists，this paper designs an intelligent burglar-alarm monitoring system for high voltage transmission tower based on the combination of embedded technology and sensor technology.Themonitoring terminal collects the video image information and the working status of each sensor，using 4G network to transmit to themonitoring center for analysis and processing.Themonitoring terminal hardware and software design and monitoring center are presented based on Qt Creator centralized management software design.System test results show that system operation is stable and reliable，intelligent monitoring effect is good，and it can effectively enhance the power grid security capabilities.

embedded system;power transmission;4G;anti-theft alarm;Qt Creator

C:7200;8110B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.041

TN92

:1005－9490(2017)01－0217－07

项目来源:国家自然科学基金项目(51277023);黑龙江省电力有限公司科技开发项目(LNZB-2015-FW2-KX-004)

2016-01-26修改日期:2016-03-13