一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于AVR的GSM 無(wú)線智能變壓器綜合報(bào)警系統(tǒng)，其目的在于提供一種無(wú)線智能變壓器綜合報(bào)警系統(tǒng)，可以識(shí)別系統(tǒng)停電，杜絕誤報(bào)的發(fā)生；可以測(cè)量變壓器油溫并在油溫超溫時(shí)報(bào)警；具有“人體非正常接近報(bào)警”功能；具備斷電工作保護(hù)功能，當(dāng)電源線被破壞或由于其它原因斷電時(shí)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作；可以對(duì)電力變壓器綜合運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障運(yùn)行狀態(tài)（過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等）進(jìn)行預(yù)警（可選）。該裝置可以用在電力系統(tǒng)和大型工業(yè)企業(yè)領(lǐng)域中，并且本系統(tǒng)稍加改進(jìn)后，可用于各種無(wú)線報(bào)警、控制裝置中。例如，可以將本裝置運(yùn)用在電力節(jié)能方向，如通過(guò)該系統(tǒng)的語(yǔ)音、短信功能來(lái)控制路燈的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)路燈的防盜與節(jié)能。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

在油田、礦山、農(nóng)村以及其他地域分布遼闊的野外地區(qū)，輸電線路和電力變壓器因遠(yuǎn)離供電局而經(jīng)常面臨被盜的危險(xiǎn)，加之這些設(shè)備長(zhǎng)期配置在野外，無(wú)人值守，智能化水平不高，經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行，但值班人員無(wú)法及時(shí)了解這些設(shè)備的異常運(yùn)行情況。一旦輸電線和電力變壓器被盜或異常運(yùn)行，將會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和油田、礦山等大型野外企業(yè)的安全生產(chǎn)造成極大的隱患。因此，無(wú)論是電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行還是大型工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)，客觀上都需要這樣一種智能產(chǎn)品，它能準(zhǔn)確的檢測(cè)變壓器等電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，一旦出現(xiàn)異常情況，及時(shí)精確的上報(bào)值班人員。

我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于AVR的GSM 無(wú)線智能變壓器綜合報(bào)警系統(tǒng)利用GSM短信息數(shù)據(jù)傳輸模式及語(yǔ)音功能平臺(tái)完成智能報(bào)警數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及控制，主要用在電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)電力線、變壓器等供電設(shè)備和線路的防剪斷、防盜竊、防破壞。主機(jī)采用全密封鋁壓鑄外殼，防水性能好，具有功能實(shí)用、質(zhì)量?jī)?yōu)良、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，適應(yīng)野外各種環(huán)境使用，廣泛應(yīng)用于電力、石油、礦山等所有在戶外工作的電力設(shè)備的安全保護(hù)，本機(jī)可獨(dú)立使用，亦可與接警中心聯(lián)網(wǎng)使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)發(fā)生警情時(shí)主機(jī)啟動(dòng)警號(hào)90秒阻嚇盜賊，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)短信息到負(fù)責(zé)人的手機(jī)上，短信息會(huì)顯示報(bào)警內(nèi)容；并且系統(tǒng)自動(dòng)撥打設(shè)置好的值班人員電話，值班人員接聽電話后，自動(dòng)撥放報(bào)警錄音，如果值班話機(jī)占線或因故障不能接通，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)循環(huán)撥打下一個(gè)報(bào)警號(hào)碼，直至值班人員接聽后主機(jī)才停止撥號(hào)，如未接聽，則系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)三次撥打二組報(bào)警號(hào)碼，然后主機(jī)才停止撥號(hào)。如果設(shè)置有報(bào)警控制中心，該中心的計(jì)算機(jī)上電子地圖相應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)會(huì)不停閃爍，并顯示報(bào)警的地點(diǎn)和類型，便于調(diào)度中心指揮附近的工作人員及時(shí)趕到報(bào)警點(diǎn)查看。

2.2 性能要求

◆ 通訊方式：工業(yè)級(jí)900/1800MHz GSM模塊

◆報(bào)警方式：GSM中文短信及語(yǔ)音撥號(hào)

◆報(bào)警響應(yīng)時(shí)間：≤8秒（GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)正常）

◆待機(jī)功耗：≤0.9W

◆警號(hào)音量：大于110分貝

◆保險(xiǎn)管最大容量：3A

◆防電磁干擾：IEC55022

◆絕緣等級(jí)：B級(jí)

◆防護(hù)等級(jí)：IP55

◆工作環(huán)境：溫度－10℃～＋55℃

濕度≤95% 無(wú)凝露

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，在設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)中，單片機(jī)及其外圍電路通過(guò)數(shù)據(jù)線分別和無(wú)線鍵盤、溫度檢測(cè)傳感器、報(bào)警檢測(cè)傳感器(可以感應(yīng)裝置是否振動(dòng)、是否人體非正常接觸)、現(xiàn)場(chǎng)警笛、GSM模塊及其外圍電路連接，GSM模塊通過(guò)無(wú)線信號(hào)和GSM網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。UPS電源保證系統(tǒng)不間斷工作。

具體工作原理：

信號(hào)檢測(cè)：現(xiàn)場(chǎng)變壓器安裝各種探測(cè)器，如溫度探頭、震動(dòng)探測(cè)器、斷線探測(cè)器、防拆探測(cè)器等，如果出現(xiàn)異常，探測(cè)器發(fā)送信號(hào)給報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)輸入的三相四線電壓信息輸入到報(bào)警系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的電壓檢測(cè)和分析電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。

信號(hào)分析:各種探測(cè)器的信號(hào)輸入報(bào)警系統(tǒng)之后，通過(guò)相應(yīng)的電路處理之后，信號(hào)傳入單片機(jī)，由單片機(jī)通過(guò)計(jì)算和分析，然后做出判斷，判斷信息是否準(zhǔn)確可靠。

報(bào)警輸出:單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析之后，確實(shí)為盜竊破壞行為，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)報(bào)警器發(fā)出警笛，恐嚇盜賊，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)短信息及撥打設(shè)置好的各六組號(hào)碼，短信息會(huì)顯示報(bào)警內(nèi)容。維護(hù)人員接聽電話后，自動(dòng)撥放錄音并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)聽，如果主人話機(jī)占線或因故障不能接通，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)循環(huán)撥打下一個(gè)報(bào)警號(hào)碼，直至維護(hù)人員接聽后主機(jī)才停止撥號(hào)，如未接聽，則系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)三次撥打二組報(bào)警號(hào)碼，然后主機(jī)才停止撥號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)置:用戶可以通過(guò)鍵盤進(jìn)行本地系統(tǒng)設(shè)置，也可以通過(guò)短信遠(yuǎn)程設(shè)置，設(shè)置時(shí)需要輸入特定的超級(jí)管理員密碼，同時(shí)管理員可以隨時(shí)修改管理員密碼。設(shè)置的內(nèi)容包括接收?qǐng)?bào)警信息的電話或手機(jī)，也可以設(shè)置系統(tǒng)上報(bào)狀態(tài)信息的時(shí)間和方式。

信息查詢:用戶可以發(fā)送相應(yīng)格式的短信來(lái)查詢當(dāng)前變壓器的各種狀態(tài)信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該作品的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)及顯著進(jìn)步有：

（1）能識(shí)別系統(tǒng)停電，杜絕系統(tǒng)誤報(bào)。本系統(tǒng)在解決此問(wèn)題的依據(jù)為：當(dāng)總調(diào)度臺(tái)根據(jù)需要切斷某一地區(qū)電源時(shí)，由于斷路器是同軸開關(guān)，三相電源相繼切斷的時(shí)間差在0.1秒以內(nèi)，可以視為同時(shí)切斷。當(dāng)有人企圖盜竊變壓器而切斷變壓器前端電線，或用石塊打落三個(gè)跌落保險(xiǎn)時(shí)，其三相電源全部被切斷的時(shí)間差必然大于0.5秒。本系統(tǒng)就是判斷這個(gè)時(shí)間差而斷定變壓器是否被盜，當(dāng)總調(diào)度臺(tái)切斷某地區(qū)電源或電源單純?nèi)毕鄷r(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出電源異常信號(hào)，而不會(huì)發(fā)出防盜報(bào)警信號(hào)。

（2）能完成變壓器油溫的測(cè)量和超溫的報(bào)警。變壓器油溫是影響變壓器壽命的主要因素，野外變壓器不正常運(yùn)行狀態(tài)下，常常使油溫升高，所以值班人員需要及時(shí)掌握油溫情況，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了超溫報(bào)警。溫度傳感器可以接由DS18B20制作的耐油不銹鋼溫度探頭，根據(jù)不同的要求可以選擇外置和內(nèi)置，溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，完全能夠滿足對(duì)變壓器油的溫度測(cè)量，并且在油溫超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)發(fā)出超溫報(bào)警。

（3）利用被動(dòng)紅外檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“人體非正常接近報(bào)警”功能。設(shè)計(jì)了被動(dòng)紅外檢測(cè)系統(tǒng)，利用被動(dòng)紅外探頭來(lái)探測(cè)人體發(fā)射的紅外線，識(shí)別所謂“人體非正常接近”。探頭收集外界的紅外輻射通過(guò)聚集到紅外感應(yīng)源上面。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。

（4）為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可靠的UPS電源，提供交直流兩套供電系統(tǒng)，保證報(bào)警系統(tǒng)供電的不間斷，即交流電源線被破壞或由于其它原因斷電時(shí)，系統(tǒng)備用電源投入使用，來(lái)電后自動(dòng)切換并為備用電源充電；使用備用電源供電時(shí)，電壓低于最小保護(hù)值即發(fā)出欠壓信號(hào)，可靠報(bào)警。

本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵：

（1）GSM無(wú)線通信模塊TC35與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）系統(tǒng)不間斷供電電源的設(shè)計(jì)和鉛酸蓄電池欠壓識(shí)別。

（3）語(yǔ)音錄放模塊與GSM通信模塊功能的結(jié)合與抗干擾設(shè)計(jì)。

（4）基于被動(dòng)紅外檢測(cè)技術(shù)的“人體非正常接近報(bào)警”功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

本項(xiàng)目選用的硬件平臺(tái)是基于芯片AT32UC3A0256的EVK1105開發(fā)板, 主要選用開發(fā)板的USB數(shù)據(jù)傳輸、AT32UC3A0256控制處理、SPI/并口接口LCD12864（帶字庫(kù)）、I2C接口FRAM（鐵電存儲(chǔ)器）以及用于模擬檢測(cè)輸入的三個(gè)獨(dú)立按鍵等功能模塊。通過(guò)三個(gè)獨(dú)立按鍵檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理器處理之后將結(jié)果發(fā)送到LCD顯示屏上，在此過(guò)程中經(jīng)歷鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)，整個(gè)過(guò)程在MCU的控制之中。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖3 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖4 程序運(yùn)行流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

基于AVR的GSM 無(wú)線智能變壓器綜合報(bào)警系統(tǒng)利用GSM短信息數(shù)據(jù)傳輸模式及語(yǔ)音功能平臺(tái)完成智能報(bào)警數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及控制，主要用在電力系統(tǒng)的配電變壓器等供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)被保護(hù)設(shè)備防剪斷、防盜竊、防破壞、運(yùn)行異常等綜合信息的報(bào)警和查詢。此外，本系統(tǒng)稍加改進(jìn)后，可用于各種無(wú)線報(bào)警、控制裝置中。例如，可以將本裝置運(yùn)用在電力節(jié)能方向，如通過(guò)該系統(tǒng)的語(yǔ)音、短信功能來(lái)控制路燈的開關(guān)。針對(duì)本系統(tǒng)研發(fā)的UPS電源，為眾多小功率儀器提供了不間斷供電的解決方案。具體可以完成以下功能：

（1）GSM中文短信息報(bào)警，直觀可靠，傳輸距離不受限制。

（2） 使用特制專用溫度探頭，對(duì)變壓器油等需要測(cè)量溫度的地方進(jìn)行溫度測(cè)量，并設(shè)置允許最高溫度值，超過(guò)設(shè)置溫度即通過(guò)LCD顯示屏顯示并報(bào)警。

（3）利用被動(dòng)紅外檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“人體非正常接近報(bào)警”功能。

（4）系統(tǒng)有斷電工作保護(hù)功能，當(dāng)電源線被破壞或由于其它原因斷電時(shí)，系統(tǒng)備用電源仍能繼續(xù)工作，來(lái)電后會(huì)自動(dòng)充電。

（5）可配備斷線、移位、震動(dòng)等其他傳感器，對(duì)供電變壓器被破壞、搬動(dòng)報(bào)警。

（6）可設(shè)六個(gè)短信息和二個(gè)語(yǔ)音撥號(hào)報(bào)警號(hào)碼，可使用普通手機(jī)人工接警，也可通過(guò)接警中心電腦自動(dòng)接警，具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)報(bào)警功能。

（7）可本地通過(guò)鍵盤或異地通過(guò)手機(jī)短信進(jìn)行設(shè)置主機(jī)參數(shù)。

（8）可自設(shè)每天定時(shí)上報(bào)系統(tǒng)通訊狀態(tài)的時(shí)間。