基于AVR的GSM無線智能變壓器綜合報警系統(tǒng)

一、項目概述

1.1 引言

本項目設(shè)計的基于AVR的GSM 無線智能變壓器綜合報警系統(tǒng)，其目的在于提供一種無線智能變壓器綜合報警系統(tǒng)，可以識別系統(tǒng)停電，杜絕誤報的發(fā)生；可以測量變壓器油溫并在油溫超溫時報警；具有“人體非正常接近報警”功能；具備斷電工作保護功能，當(dāng)電源線被破壞或由于其它原因斷電時，系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作；可以對電力變壓器綜合運行參數(shù)進行檢測，并對故障運行狀態(tài)（過流、過壓、欠壓等）進行預(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)稍加改進后，可用于各種無線報警、控制裝置中。例如，可以將本裝置運用在電力節(jié)能方向，如通過該系統(tǒng)的語音、短信功能來控制路燈的開關(guān)，實現(xiàn)路燈的防盜與節(jié)能。

1.2 項目背景/選題動機

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離供電局而經(jīng)常面臨被盜的危險，加之這些設(shè)備長期配置在野外，無人值守，智能化水平不高，經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定運行，但值班人員無法及時了解這些設(shè)備的異常運行情況。一旦輸電線和電力變壓器被盜或異常運行，將會造成很大的經(jīng)濟損失，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和油田、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，無論是電力系統(tǒng)的安全運行還是大型工業(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)確的檢測變壓器等電力設(shè)備的運行狀況，一旦出現(xiàn)異常情況，及時精確的上報值班人員。

我們團隊開發(fā)的基于AVR的GSM 無線智能變壓器綜合報警系統(tǒng)利用GSM短信息數(shù)據(jù)傳輸模式及語音功能平臺完成智能報警數(shù)據(jù)遠程傳輸及控制，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。主機采用全密封鋁壓鑄外殼，防水性能好，具有功能實用、質(zhì)量優(yōu)良、工作穩(wěn)定可靠等特點，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，本機可獨立使用，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)生警情時主機啟動警號90秒阻嚇盜賊，同時系統(tǒng)會自動發(fā)短信息到負責(zé)人的手機上，短信息會顯示報警內(nèi)容；并且系統(tǒng)自動撥打設(shè)置好的值班人員電話，值班人員接聽電話后，自動撥放報警錄音，如果值班話機占線或因故障不能接通，系統(tǒng)會自動循環(huán)撥打下一個報警號碼，直至值班人員接聽后主機才停止撥號，如未接聽，則系統(tǒng)自動循環(huán)三次撥打二組報警號碼，然后主機才停止撥號。如果設(shè)置有報警控制中心，該中心的計算機上電子地圖相應(yīng)的報警點會不停閃爍，并顯示報警的地點和類型，便于調(diào)度中心指揮附近的工作人員及時趕到報警點查看。

2.2 性能要求

◆ 通訊方式：工業(yè)級900/1800MHz GSM模塊

◆報警方式：GSM中文短信及語音撥號

◆報警響應(yīng)時間：≤8秒（GSM網(wǎng)絡(luò)信號正常）

◆待機功耗：≤0.9W

◆警號音量：大于110分貝

◆保險管最大容量：3A

◆防電磁干擾：IEC55022

◆絕緣等級：B級

◆防護等級：IP55

◆工作環(huán)境：溫度－10℃～＋55℃

濕度≤95% 無凝露

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(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)計的報警系統(tǒng)中，單片機及其外圍電路通過數(shù)據(jù)線分別和無線鍵盤、溫度檢測傳感器、報警檢測傳感器(可以感應(yīng)裝置是否振動、是否人體非正常接觸)、現(xiàn)場警笛、GSM模塊及其外圍電路連接，GSM模塊通過無線信號和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：

信號檢測：現(xiàn)場變壓器安裝各種探測器，如溫度探頭、震動探測器、斷線探測器、防拆探測器等，如果出現(xiàn)異常，探測器發(fā)送信號給報警系統(tǒng)。同時輸入的三相四線電壓信息輸入到報警系統(tǒng)后，經(jīng)過專門設(shè)計的電壓檢測和分析電路，實時監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)。

信號分析:各種探測器的信號輸入報警系統(tǒng)之后，通過相應(yīng)的電路處理之后，信號傳入單片機，由單片機通過計算和分析，然后做出判斷，判斷信息是否準(zhǔn)確可靠。

報警輸出:單片機經(jīng)過分析之后，確實為盜竊破壞行為，現(xiàn)場啟動報警器發(fā)出警笛，恐嚇盜賊，同時系統(tǒng)會自動發(fā)短信息及撥打設(shè)置好的各六組號碼，短信息會顯示報警內(nèi)容。維護人員接聽電話后，自動撥放錄音并進入現(xiàn)場監(jiān)聽，如果主人話機占線或因故障不能接通，系統(tǒng)會自動循環(huán)撥打下一個報警號碼，直至維護人員接聽后主機才停止撥號，如未接聽，則系統(tǒng)自動循環(huán)三次撥打二組報警號碼，然后主機才停止撥號。

系統(tǒng)設(shè)置:用戶可以通過鍵盤進行本地系統(tǒng)設(shè)置，也可以通過短信遠程設(shè)置，設(shè)置時需要輸入特定的超級管理員密碼，同時管理員可以隨時修改管理員密碼。設(shè)置的內(nèi)容包括接收報警信息的電話或手機，也可以設(shè)置系統(tǒng)上報狀態(tài)信息的時間和方式。

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

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該作品的實質(zhì)性技術(shù)特點及顯著進步有：

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

（2）能完成變壓器油溫的測量和超溫的報警。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行狀態(tài)下，常常使油溫升高，所以值班人員需要及時掌握油溫情況，為此，我們設(shè)計了超溫報警。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，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，完全能夠滿足對變壓器油的溫度測量，并且在油溫超過設(shè)定溫度時系統(tǒng)發(fā)出超溫報警。

（3）利用被動紅外檢測技術(shù)，實現(xiàn)“人體非正常接近報警”功能。設(shè)計了被動紅外檢測系統(tǒng)，利用被動紅外探頭來探測人體發(fā)射的紅外線，識別所謂“人體非正常接近”。探頭收集外界的紅外輻射通過聚集到紅外感應(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)生變化時就會向外釋放電荷，檢測處理后產(chǎn)生報警。

（4）為系統(tǒng)設(shè)計了可靠的UPS電源，提供交直流兩套供電系統(tǒng)，保證報警系統(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，系統(tǒng)備用電源投入使用，來電后自動切換并為備用電源充電；使用備用電源供電時，電壓低于最小保護值即發(fā)出欠壓信號，可靠報警。

本項目的技術(shù)關(guān)鍵：

（1）GSM無線通信模塊TC35與單片機間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）系統(tǒng)不間斷供電電源的設(shè)計和鉛酸蓄電池欠壓識別。

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

（4）基于被動紅外檢測技術(shù)的“人體非正常接近報警”功能的實現(xiàn)。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

本項目選用的硬件平臺是基于芯片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）、I2C接口FRAM（鐵電存儲器）以及用于模擬檢測輸入的三個獨立按鍵等功能模塊。通過三個獨立按鍵檢測輸入的模擬信號，經(jīng)過處理器處理之后將結(jié)果發(fā)送到LCD顯示屏上，在此過程中經(jīng)歷鐵電存儲器的存儲，整個過程在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 程序運行流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果

基于AVR的GSM 無線智能變壓器綜合報警系統(tǒng)利用GSM短信息數(shù)據(jù)傳輸模式及語音功能平臺完成智能報警數(shù)據(jù)遠程傳輸及控制，主要用在電力系統(tǒng)的配電變壓器等供電設(shè)備，實現(xiàn)被保護設(shè)備防剪斷、防盜竊、防破壞、運行異常等綜合信息的報警和查詢。此外，本系統(tǒng)稍加改進后，可用于各種無線報警、控制裝置中。例如，可以將本裝置運用在電力節(jié)能方向，如通過該系統(tǒng)的語音、短信功能來控制路燈的開關(guān)。針對本系統(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，對變壓器油等需要測量溫度的地方進行溫度測量，并設(shè)置允許最高溫度值，超過設(shè)置溫度即通過LCD顯示屏顯示并報警。

（3）利用被動紅外檢測技術(shù)，實現(xiàn)“人體非正常接近報警”功能。

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

（5）可配備斷線、移位、震動等其他傳感器，對供電變壓器被破壞、搬動報警。

（6）可設(shè)六個短信息和二個語音撥號報警號碼，可使用普通手機人工接警，也可通過接警中心電腦自動接警，具有強大的聯(lián)網(wǎng)報警功能。

（7）可本地通過鍵盤或異地通過手機短信進行設(shè)置主機參數(shù)。

（8）可自設(shè)每天定時上報系統(tǒng)通訊狀態(tài)的時間。