一种基于静电感应接触网铜缆防盗系统设计

白国岩

（中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018）

1 引言

在铁路施工过程中现场存有大量未投入使用的接触网铜缆。为保证铜缆不被盗窃，目前传统的防盗报警系统一般采用红外线对射或者视频监控方式，简单设计的周界防护[1]常采用导线加强电的方式。本系统采用接近感应报警技术，当人体接近、空手触摸或钳子搭接时能够立即触发报警功能，保护铜缆不被破坏。

静电感应式防盗系统[2]抗干扰能力强、系统报警原理先进，弥补了传统的微波、红外等技术的不足。静电感应式接触网铜缆防盗系统采用简单、便捷的方法，同时把单机成本压至最低。单机防护能力最大可以达到2 000 m，此时系统工作性能仍处于稳定状态。静电感应式防盗系统，不受地形影响，可以任意架设；高压脉冲能量比传统电网要小很多，而且系统安全性能好[3－4]。

2 系统设计及原理

（1）整体设计

本系统基于相应系统算法具有很好的抗干扰能力，通过设置不同的门限可很好地区别人和动物，当有动物接近感应线圈时，线路电压下降幅度比人接近时的下降幅度要小得多。空气介电常数会随着空气湿度的变化而变化，会对系统的分布电容造成影响[5－7]。

直接利用现场已经布设好的接触网铜缆作为信号传输线。由于铜缆接触网由多芯组成，把一个方波信号加在铜缆线上作为发射线圈，另外的铜缆线作为接收线。充分利用现场已有铜缆作为防护围栏，极大程度地降低了系统整体成本，同时实现了无盲区、无死角防护。防盗系统总体设计见图1。

图1 防盗系统总体设计

防盗系统由管理服务器、信号线与监测分机、太阳能供电系统、4G／5G移动通信网络及数据传输DTU模块、北斗／GPS模块和接警手机APP等组成。利用已有的接触网铜缆线作为信号线，监测分机安装于铁路沿线电杆上，采用静电场接近感应技术，可对线路异常情况进行报警。

（2）北斗／GPS联合定位系统原理分析

静电感应式防护工作原理[8]：电感耦合和电容耦合存在于静电感应区，两电路中导体比较接近且存在电位差时，一个电路中导体的电场会影响另一个电路中的导体，两者相互影响，进一步影响电场的变化。

在静电感应防护区内，当人体接近、空手触摸或钳子搭接时，可以判断非法侵入的指标为电位高低，如果电位的变化超过报警阈值，将进行报警操作。

图2为静电感应工作原理，在发射线圈所加的信号为方波信号，由于人与空气介电常数差异大，接收线和大地之间的分布电容Cs会增大，发射线和大地之间、发射线和接收线之间的分布电容均会有所变化，但在本系统中可以忽略。

图2 静电感应原理

系统根据静电感应报警位置再结合北斗／GPS获取的经纬度信息，通过4G／5G移动通信网络传输到后台和值班员手机，从而实现精准位置报警以方便现场进行快速处理。

3 前端硬件设计

（1）接收机整体设计

本项目前端采用高速16位AD，信号处理采用TMS320VC5402实现静电感应信号数据的滤波、分析和优化处理，系统主控MCU采用STM32F407来实现接口通信及整个系统的控制。MCU和信号分析处理器之间通过 HPI主从机通信实现互通，STM32F407的模拟HPI总线和 TMS320VC5402通信的监测分机架构如图3所示。

图3 监测分机设计

单片机STM32F407采用定时器中断方式的时序控制实现I／O口方波信号生成，并通过光耦隔离后进行输出。本机地址用拨码开关的低四位来设置，发射信号频率值采用高四位设置。远程监控通过4G／5G移动通信网络实现，当有静电感应入侵报警或系统自身发生故障时，STM32F407就会向服务器发出报警信息，服务器通过MQTT消息队列向现场值班人员的手机APP发出相应的报警信号并给出报警的精准位置。

（2）系统流程设计

接触网铜缆防盗系统采用5G物联网和太阳能独立供电技术实现，系统以管理服务器为控制中心，以STM32F407和TMS320VC5402为核心的监测分机为触手，通过太阳能供电系统提供能源，报警信息通过5G移动通信网络进行传输，通过BD／GPS获取报警点精确位置。接触网铜缆防盗系统监测分机安装在在建接触网杆上[5]，系统在探测发现有人登杆入侵或接触网铜缆附近有人靠近和异常冲击等情况时，监测分机收到异常信号立即通过5G网络将报警位置信息向管理服务器发出，服务器通过MQTT消息队列向现场值班人员的手机APP发出相应的报警信号并给出报警的精准位置，值守人员得到报警信息后，根据报警位置信息立即赶赴事发现场。

4 监测系统设计

（1）系统软件流程设计

接触网铜缆防盗系统数字信号处理采用的TMS320VC5402核心处理器开发环境是TI公司推出的 Code Composer studio[4]（简称 CCS）。数字信号处理软件主程序首先初始化CPU寄存器参数、AIC23B和McBSP接口，然后初始化TMS320VC5402内部滤波器带宽等参数，从而进入静电感应信号采集和分析处理循环，根据感应信号的阈值判断是否进行报警处理。处理流程如图4所示。

图4 DSP主程序流程

（2）系统具体监测流程设计

系统开始运行时，不断检测所接收信号的幅度，当幅度达到某个稳定值后启动监测程序。DSP监测中断程序流程如图5所示。

图5 DSP监测中断程序流程

5 系统定位效果及数据测试

在半实物仿真测试过程中，所采集的数据包长度采用缓冲区长度旋钮控制，采样率旋钮控制声卡采样率，两个模式显示旋钮分别用来控制波形1和波形2的显示模式。显示模式可分为自动显示模式和固定显示模式。操作界面共有三个波形显示窗口，第一个用来显示经过带通滤波器后的信号，第二个用来显示经过数字整流后的信号，第三个用来显示经过数字微分后的信号。

图6为没有人接近感应线时的波形，图7为有人接近感应线后的波形。两图对比，图7中的波形2有明显下降，波形3的微分值也发生了相应的变化。

图6 人未接近感应线界面

图7 人接近感应线界面

6 总结

为解决在未通车线路上接触网防盗问题，设计了新型的智能防盗报警系统，采用静电感应技术和相应算法以及移动通信技术，能够实现实时监控并自动识别线路异常情况和远程操作等功能，可对人员登杆、线路附近有人靠近偷盗等异常情况进行报警。和传统防盗系统相比，本系统采用静电场接近感应技术，当人体靠近即会远程报警，防止接触网铜缆被人为损坏。设计采用接触网铜缆作为布设围栏，极大程度降低了系统成本，防护能力最大可以达150 m。