基于C8051F020单片机设计的农电网电力设备防盗报警系统

2018-04-25刘阳京

价值工程 2018年12期

刘阳京

摘要：针对我国农用变压器等电力设备经常被盗的现象，本文设计一种电力设备防盗报警监控系统。该系统采用GPRS通讯技术，由终端监控层、GPRS网络层、主站监控层组成。硬件电路由C8051F020单片机为主控芯片，ATT7022C为主要数据采集芯片，SIM300为通讯模块等组成。该防盗报警系统能够实现变压器被盗和电力线被盗、油温过高等报警功能；并可对电网电参数及变压器油温、油位数据进行自动采集、计算、处理、通讯、存储、显示，做到了功能集成化，成本低廉化，具有很高的实用价值，适合在全国范围内推广。

Abstract： Because transformers are frequently stolen in rural areas of China， this paper put forward to a design of an power devices anti-theft alarming monitoring system. This system uses GPRS communication technology. It consists of monitoring terminal， GPRS network and the main monitoring layer. The hardware circuits are designed mainly based on MCU C8051F020， ATT7022C data acquisition chip and SIM300 communication module. This system could make the alarming functions work when stealing transformers， power lines or having high oil temperature of transformers happens， and it could also automatically collect， calculate， process， storage， communicate， display electric parameters， oil temperatures and oil levels of transformers. This system realizes the function integration and having low cost. It has a high practical value and is suitable for a nationwide promotion.

關键词：防盗报警；GPRS通讯；C8051F020；ATT7022C；SIM300

Key words： anti-theft alarm；GPRS communication；C8051F020；ATT7022C；SIM300

中图分类号：TM764；TM421 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0145-03

0 引言

我国农村电网分布地域广阔，农用变压器等电力设施数量庞大，且电力设施放置位置一般处于比较偏僻地段，因此频频出现农用变压器、低压电力线被盗事件，严重影响了当地居民正常生活，在农忙季节甚至影响到农业生产。科研工作者针对变压器被盗的情况及对盗窃分子作案手法的分析，提出多种解决方案，在一定程度上遏制了犯罪分子的偷盗行为。通过研究发现，国内外防盗解决方案多以物理防盗和技术防盗为主。所谓的物理防盗即变压器焊接加固防盗，对变压器的外观进行焊接处理，增大犯罪分子的拆卸难度，通过停电时间过长引起居民用户的注意报警，捕获盗窃分子。技术防盗是通过现代科技，利用红外线，门磁开关、摄像头等电子手段侦测各类异常情况，一旦发现异常，即时将报警信息传递给报警中心，并在现场声光报警，达到威慑盗窃分子的作用。本文设计一种基于C8051F020单片机的电力设备防盗报警监控系统。该防盗报警系统多功能、集成化、低成本，能够实现变压器被盗和电力线被盗、油温过高等报警功能；并可对电网电参数及变压器油温、油位数据进行自动采集、计算、处理、通讯、存储、显示，具有很高的实用价值，适合在全国范围内推广。

1 系统整体设计

该防盗报警系统采用GPRS无线传输方式传递报警信号，由主站监控层、通信层和终端设备三部分组成。分散于各地的变压器的监控设备属于终端设备层，形成监控终端，负责监控变压器的状况。监控终端除一方面把电网电压及电流、油位及油温数据、防盗报警信号（如变压器、低压电力线被盗信号）通过通信层的GPRS和Internet网络传送给主站监控层的数据库服务器和客户端（WEB浏览器）外，还通过通信层接收主站监控层的控制命令。通信层采用GPRS和Internet网络与主站监控层和终端设备层进行信息的交互。主站监控层WEB服务器和数据库服务器之间进行双向数据传输。客户端子系统一般由浏览器实现，用户通过它与Web服务器交互，从而获取终端采集到的数据或者传送控制命令（包括远程设置各监测设备的运行参数，采集终端的运行数据，对该数据进行编辑、显示、存储、打印输出等）。系统总体架构拓扑图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 监控终端设计原理

整个监控系统中最核心的部分是监控终端。它由控制处理单元、数据存储及采集模块、通信模块、传感器模块、安全报警模块、外部时钟模块、键盘接口、液晶显示模块、开关量模块及电源模块组成。变压器防盗报警系统通过监测三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、分时段的有功电度和无功电度以及油箱的温度及油位，分析并记录变压器一天内电流、电压、温度的峰谷值及其发生的时间，处理各种越限报警信息以及常规运行的所有参数信息。若采集的数据经过微控制器分析，判断为告警信息，则监控终端现场声音报警并保存该数据到数据存储模块，同时通过GPRS网络主动传送告警信息给主站监控层，值班人员24小时打开手机，登录系统管理信息系统，能实时接收到报警信息，主动快速赶往现场处理。监控终端原理框图如图2所示。

2.2 各模块电路设计

2.2.1 控制处理单元

因该系统需要对多路采集数据进行处理，且还需添加ADC、DAC等电路，因此选用性价比兼优的C8051F020单片机作为监控终端控制处理单元核心元件。C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，功能较全面，可以满足较大控制系统的编程，运行速度快，拥有8个8位的I/O端口，内部带有数据采集所需的ADC和DAC，有2个增强型的全双工UART串口，SPI总线和SMBus（兼容I2C），可同时与外部进行串行通讯。

2.2.2 数据采集模块

电参数采集芯片很多，通过比较，选用性价比高的ATT7022C电能专用计量芯片实现数据采集功能。ATT7022C集成了7路16位的ADC，采用完全差动输入方式。在对电参数进行采集时，芯片三路为电压输入，三路为电流输入，第7路ADC用于检测零线电流大小。在采样电路中使用了互感式接入，使芯片与电网进行了隔离，获得了良好的抗干扰性能。

2.2.3 GPRS通信模块

该系统通信模块由GPRS无线移动终端SIM300、SIM卡接口电路组成。因单片机C8051F020和SIM300连接，电平不需要转换。考虑到SIM卡插拔会产生静电及插拔瞬间可能会产生大的瞬态电流，为保护通信模块电路，在SIM卡与SIM300连接时，增加了ON SEMI公司的SMF05C静电保护器件。

2.2.4 其它主要外围模块

①外部时钟模块。

因为该系统测控的环境需长时间无人值守，且需要经常记录分析电参数、油位、油温参数及出现的时间。因此选用工业级实时时钟芯片DS1302Z，其性价比兼优。

②数据存储模块。

因为测控环境大部分处于野外，且通信网络繁忙时，偶尔部分数据会丢失。通过各方面比较分析，选用F-RAM存储器，其具有快速写入、低功耗、长寿命、数据不易丢失等特性，符合系统的要求。

③油温检测电路。

该系统具有高油温报警功能。测量温度的传感器选用市场上常用的DS18B20。当变压器油温度在超限值范围内时，则单片机判定为报警信号，通过通信模块上传报警信息。

④油位开关量电路。

油位检测电路通过普通油位计改良后，内部自含的开关来实现报警功能。当检测到油箱油位从低油位快速降低至超低油位时，则单片机判断变压器被盗，上报报警信息到监控中心。

2.2.5 电源电路

该系统各个模块所需电源电压主要有四种，一种是5V（ATT7022C），一种是4V（SIM300模块），一种是3.3V（单片机、存储器、时钟电路等），一种是12V（开关继电器）。5V电源可以通过整流稳压电路获得。5V转换成4V，则采用MIC39302WU芯片来实现电压转换。设置备用电源为3.7V镍镉充电电池。当正常送电时，5V电通过MIC39302给备用电池充电；当断电时，启用备用电源，给单片机、存储器等模块提供3.3V的电压。

3 监控终端软件总体设计流程

该变压器防盗报警系统软件设计包含监控终端的软件设计和监控中心后台管理信息系统的设计。该文仅详细介绍监控终端软件的设计。

主程序是整个软件设计的整体框架结构。该主程序首先对各模块初始化，定义了系统里的所有数据；然后ATT7022C数据采集模块和温度传感器模块对选定参数进行数据采样计算（变压器油温，变压器油位，三相电电压、电流），油位位置采集模块采集油位位置开关量；然后将采样计算后数据及开关量数据保存到FM24V05铁电存储器中，并通过键盘显示模块显示出来。相关数据通过单片机判断是否正常，并通过GPRS通讯模块上传到主站监控中心。监控终端也可以接收监控中心发送的指令。主程序数据流图见图3。

3.1 通讯模块软件设计

该系统设计中，实现报警功能信息传递的是GPRS通讯模块，采用动态IP和固定IP相结合的方式接入internet网络。监控中心分配固定公网IP，并把此IP地址写入监控终端的初始化程序中。在建立通信通道时，监控终端向监控中心固定IP地址发送连接请求，同时Internet网络分配一个动态IP给监控终端，监控终端把此動态IP地址发送给监控中心服务器，得到回复信息后，则双方建立数据通道，从而实现一对多，多对一的网络数据通道连接。

3.2 安全报警模块软件设计

安全报警模块是该系统要实现的主要功能，该模块设计细分为四个子模块，各子模块分别代表报警的类型，分别是变压器被盗、低压电力线被盗、变压器油被盗、变压器油温过高四种情况。单片机通过对不同采样数据的分析判断，判断是否符合报警条件，若符合，还可以确定报警的类别。当线路及设备进行检修时，该监控终端设备设置为闭锁状态，不启动报警。

4 结语

本文从经济、功能、稳定性等方面，结合电子技术、计算机技术、通信技术等先进技术，对农网配电变压器防盗报警系统进行了研究，设计了基于C8051F020单片机为主控制芯片，ATT7022C为主要数据采集芯片的监控终端。经过实验证实，能够实现所需功能，适合全国范围内大面积推广。

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