基于GSM的电缆入侵探测器的研究设计

基于GSM的电缆入侵探测器的研究设计

张少轩，吕坐君

摘 要：随着轨道交通建设的发展，铁路电力线路逐年增长，经常发生电缆被盗现象。通过对常用报警装置进行分析，设计研究出一种适用于电力电缆的入侵探测器。该探测器采用电力电缆的钢铠作为传输媒介，电缆进行有无电压检测，报警信息通过GSM传输至手机或PC终端，解决长距离通信带来的问题，具有多点位同时使用、自动拨号、独立报警的功能，同时具备扩展接口，有效实现对电缆集中放置点的防护。

关键词：电缆入侵探测器；箱变；钢铠；报警

0 引言

随着轨道交通建设的发展，铁路电力线路具有线路长、地形复杂、多桥隧及沿线环境复杂等特点，施工过程中电力电缆被偷盗的现象时有发生，给施工单位带来不必要的损失，增加了施工成本。传统的看护方式为人员巡逻或采用传统报警装置进行预警，存在夜间人员巡逻不及时，施工过程中没有固定的电源，传统报警装置无法满足长距离通信，看护效率低且误报率较高等问题，达不到理想的看护效果。

目前市场上报警装置种类较多，多以家庭及固定办公场所应用为主，没有专门针对电缆防盗的报警装置。传统报警装置防护范围有限，无法实现长距离有遮挡障碍物的防护；技术方面以超声波、主动式红外发射/接收等技术为基础，但其功能较为单一，开关设防和遥控设防不兼容，现场报警与无线报警不兼容，且误报率较高。

针对上述问题，设计研发基于GSM的电缆入侵探测器，设置SIM卡以解决长距离通信带来的问题，增加电源模块为装置供电，由MCU判断是否发出报警信号，当报警信号确认后，通过GPRS模块将报警信号发送至手机或PC终端，对施工过程中的电缆起到安全预警及防护作用。

1 常用入侵探测器

1.1 点型入侵探测器

点型探测器的警戒范围往往针对某一特定的点，如开关入侵探测器或震动探测器，前者通常由开关传感器与相关电路组成，应用场合多为门、窗等特定场合；后者利用传感器，将震动信号转为电信号，并进行增益放大，传送至报警单元。

竹编工艺流程的首要步骤是对竹子进行严格的筛选。不同的地域和气候，会孕育出不同类型的竹子，不同种类的竹材有不同的特点。在选料中应注意3个方面：首先，选择生长在背面阴山的竹子，一般竹龄以3年生为好，1年生的竹子材质太嫩，4年生以上的竹子质地变脆易断；其次，竹秆通直，节间长，头尾粗细相差不大；最后，采伐应避开春分至芒种这段时间，此期竹子含糖分较多，容易生虫[1]。

1.2 直线入侵探测器

常用的直线报警探测器多为主动红外入侵探测器、激光探测器。探测器发出一串红外光或激光，经反射或直接射到接收器上，如中间任意处被遮断，接收机接收信号发生变化，经放大、处理后，发出报警信号。

主动红外探测器体积较小、重量轻、便于隐蔽，且寿命长，价格低，多用于安全技术防范工程中。激光探测器采用脉冲调制，抗干扰能力强，稳定性好，一般不会出现因机器本身原因的误报警。

1.3 空间入侵探测器

空间入侵探测器的警戒范围通常为一个空间，典型空间入侵探测器包括声入侵探测器和次声探测器。

当被探测物体遭到破坏（如打碎玻璃、锯断电缆）时发出固有声响的装置为声发生报警器。利用声传感器将声音信号转为电信号，经带通放大器使需要监控的某一频带的声音信号获得更大的增益，再经过处理，控制发出报警信号。

中国特色社会主义进入新时代，怎样为实现中国梦的生动实践放飞理想、在不懈的奋斗中书写人生华章？确实是一个应该深刻思考的课题。国家有前途，民族有希望，奋斗也必将大有作为。脚踏实地，志存高远，有勇有谋，敢当大任于斯也，勇做时代弄潮儿，必定能创造奇迹，写下人生辉煌壮丽的篇章。

（1）个人追忆法。把过去的自己当成一个分析的对象，追忆以往的情绪情感和行为，去识别当时这个情景自己是如何认知如何反应的，产生了什么样的情绪情感体验，是否合适，应该如何反应更合适。对自己过往的感受加以识别和分析。这需要办公室工作人员养成经常回头看的自我反思的习惯。

次声探测器将接收到的低频次声转为低频电信号，低通滤波器滤去高频、中频信号，仅放大次声信号，经处理后发出报警信号。次声探测器通常只用于室内空间的防范。

乳腺不是人类活动的重要器官,但是对女性来说非常重要,原位乳腺癌对患者的生命有威胁,扩散后会对其他器官造成影响,引起病变[3]。乳腺癌细胞丧失正常细胞特性就会变得松散,脱落,分散到全身,引起器官衰竭。尽早发现和治疗至关重要。乳腺癌临床发病机制并不清楚,为了预防乳腺癌本文有如下建议:①保持良好的生活方式,心情舒畅;②坚持体育锻炼,维持身体健康;③定期进行乳腺检查,尽量避免雌激素药物;④建立良好的饮食结构,避免暴饮暴食,以清淡适量为主。

2 基于GSM的电缆入侵探测器方案设计

2.1 总体设计

基于市场上常见探测器的特点，结合施工现场实际情况，研制一种专门针对电力电缆进行防护的探测器。与其他探测器不同的是该探测器安装于箱式变电站或车站环网柜，采用电力电缆的钢铠作为传输媒介。

首先将三相四线制或三相三线制的高压电缆接入到入侵探测器对应的端口上，然后启动入侵探测器的检测功能，便可自动完成相线的通断检测。检测结果及报警信号通过卫星或GPRS模块以拨打电话和发送短信方式发送至手机或PC终端。此外，在高压电缆系统正常工作时，该入侵探测器还具有实时监测相线通断的功能，其监测结果也可以通过卫星或GPRS模块以拨打电话和发送短信方式发送至手机或PC终端。

电缆入侵探测器主要由电源模块、电池管理模块、人机交互模块、信号采集处理模块、开关量IO模块、中央处理器模块、通信模块以及声光报警模块等功能模块组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.2 处理器设计

设计采用基于ARM内核的STM32F405 32位处理器，其架构如图2所示。

图2 STM32F405处理器系统架构

STM32F405内置高速嵌入式存储器（闪存高达1M字节）、高达4k字节的备份SRAM、广泛的增强型I/O和连接到2个外围设备的范围APB总线及32位多AHB总线矩阵。

STM32F405提供3个12位ADC，2个DAC，1个低通RTC，12个通用16位定时器，包括2个用于电机控制的PWM定时器，2个通用的32位定时器，1个真正的随机数发生器RNG，同时还具有先进的标准化通信接口，以及时钟、FM24LC16存储电路等。

2.3 电池管理设计

电池管理设计原理如图3所示。采用LTC4051对电池进行充电管理，图3中V4为用于系统电源和电池供电切换的开关。

我还是不太明白，二叔解释说，今年他家的葡萄挂果率非常高，有的枝条上甚至挂了四五串，那时心里还暗自高兴，挂得多好啊，产量跟着也就上去了。葡萄果粒长到一半大的时候，要进行疏果了，但二叔手拿剪刀不知该从哪儿下手，这一颗，挺好；那一粒，也不错。最终，他家的疏果成了象征性的工作。

CELLS引脚：用于设置电池的总数，CHEM引脚用于设置电池的类型或电压。

DVCC：数字系统的电源引脚，主要是为I2C总线供电，和单片机的电源一致，保证与单片机通信时逻辑电平一致。

SCL：I2C串行端口的时钟输入引脚，SDA为I2C串行端口的数据输入输出引脚。

SMBALERT：异常信号输出指示引脚，当4015检测到一种或多种异常情况时输出低电平，无异常则输出高电平。

UVCLFB：欠压电流抑制反馈引脚，当输入电压低于门限值时，限制充电的最大电流，当电压低于某一个限值时，关断充电。

治疗期间，对两组患者的病情和血糖水平变化进行密切观察，积极预防相关并发症。给予患者饮食干预，提醒患者每餐定时定量，以少食多餐为基本原则，除三餐外，每天睡前和上下午加三次餐，对于机体容易吸收的单糖类物质要提醒孕妇严格控制，如蜂蜜、砂糖、葡萄糖、蔗糖等，鼓励孕妇多食用一些纤维含量高的食物。帮助患者制定运动计划，鼓励其适当参与运动锻炼，但需要注意对运动的强度、频率、时间予以控制，且不能在空腹状态下运动。

VC：电流阈值接地补偿点，由电流控制误差补偿放大器输入。

瞭望台是森林防火工作的第一线，王宝生和他的同事两个人需要24小时不间断的瞭望，尤其是冬春时节持续干旱和夜里起大风的极端天气，风大的时候，炉子的烟根本抽不出去，会被大风压下来，满屋都是烟。王宝生索性就不生火取暖了，而是裹着大衣里三层，外三层的整夜瞭望。

RT：通过外部连接一个电阻用于设置LTC4015的开关频率，即将外部输入电压转为电池充电电压的电源开关频率，是控制V5V6的互补开关频率。

NTC：热敏电阻的输入端，用于检测电池温度。

NTCBIAS：温度电阻偏置电压输出引脚，输出1.2 V，用于NTC测量。

阿强正惊呆时，大刘说：“阿强，这些东西都是还给你的，我们小区要配物业公司，但你不愿掏钱，我们大伙儿就商量了这个办法来刺激刺激你。”

EQ：等效模式，主要是用于铅酸电池，其他情况接地。

建筑木模板组件中的木枋、对拉螺杆、环形紧箍、“山”形压接件和锁紧螺母一同构成了对直筒结构的胶合面板起紧固作用的紧固组件。在进行混凝土浇筑，荷载力传递给胶合面板，胶合面板再将荷载力均匀地传递给对拉螺栓的2个对称锁紧端，使得紧固组件整体受力合理，从而提升承载力。

CSPM5：用于提供4015芯片内部系统的工作电源，外部接电容用于稳压和滤波。

首先进行自然边坡上对工程区或建筑物具有潜在危害的地质体进行普查，如图1所示。危岩体是边坡内被多组不连续结构面切割分离，稳定性差、可能以滑移、坠落或倾倒等形式失稳的地质体，是自然边坡最主要的危险源。危岩体调查工作是通过地质人员现场勘探、三维激光扫描、陆地摄影测量、航测和遥感等技术手段，查明危岩体的相关特性参数、空间形态、物质组成和结构，并界定危岩体边界范围。

CCREFM，CCREFP：库仑计的参考电阻接入引脚，用于库仑计计算电池电量的参考。

图3 电池管理设计原理

2.4 GSM通信模块设计

该模块采用工业级SIM800芯片，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。SIM800支持四频传输，即可全球使用，相对于老版本的SIM900A实现了升级。

模块支持RS232和TTL接口控制，可以方便地通过电脑或单片机实现GSM/GPRS功能，同时模块采用了电源防反接保护措施，有效提高了模块的可靠性。原理如图4所示。

图4 GSM通信原理图设计

该模块采用3.9 V供电，RXD接口与TXD接口为数据的接收与发送端，SPK为主通道听筒正负极，MIC为麦克风接口。MY1680-12P为语音使用模块，支持Mp3、WAV格式双解码。模块内置FLASH存储芯片，1～16 M可选，同时也可外接U盘或USB数据线连接电脑更换FLASH的音频文件。SPK为外接无源喇叭引脚，DACR与DACL为左右声道信号输出引脚，ADKEY通过电阻值实现多种按键功能选择。

MY1680-12P内置标准UART异步串口接口，为3.3V TTL电平接口，可通过MAX3226芯片转为RS232电平或通过USB转TTL模块与PC通信进行调试。图5为USB转TTL模块与MY1680的连接图。

图5 USB转TTL与MY1680连接图

3 实验验证

成都至川主寺段铁路位于四川省境内，起于成都铁路局青白江站，经茂县到川主寺，其中敷设高压干线电缆线路679 km，选取最先敷设电缆的安县段D2K68+820—D2K82+900区间箱变作为安装点，将电缆钢铠耦合电压经电压互感器降压所得电压值与箱式变电站变压器低压端输出同时作为检测电缆有无带电的判断依据，通过PMOS管与三极管组成的切换电路启动探测器进行正常工作。图6、图7为实验连接示意图与现场安装图。

图6 实验连接示意图

图7 现场安装示意图

实验选取箱式变电站作为装置安装点，连接贯通线电缆钢铠至装置的输入端，贯通线另外一端钢铠采用短接方式连接。

当回路畅通时，探测器正常工作。采用将终端钢铠断开或短路接地模拟断路故障，终端均可收到防区报警信息（图8），验证了该探测器的有效性。

图8 手机终端报警信息

4 结语

本文在对电缆入侵探测器的信号处理器、电池管理、GSM通信模块进行理论分析基础上，进行原理分析、原理图设计及程序编写，并进行了现场应用测试。该入侵探测器报警时自动发出短信或语音告知警情的事发地点编号，面板上LED显示屏显示报警方位，各运行指示灯提示装置的运行情况及各通道的工作状态，应用效果稳定、可靠、安全，操控人性化，功能实用，可在铁路电缆保护方面进行推广应用。

参考文献：

[1] 王红华，文化锋，武晴涛，等. L型阵列探测器合成功率研究与设计[J]. 强激光与粒子束，2018，30（12）：9-14.

[2] 张峻乾. 基于四象限探测器的激光告警系统研究[D]. 南京理工大学，2018.

[3] 田广，徐庆安，杨宇，等. 不同偏压下红外探测器噪声测试系统的设计[J]. 红外与激光工程，2018，48（3）：0304001.

[4] 郑信国. 电力系统故障线路的定位研究[J]. 集成电路应用，2018，35（12）：119-121.

Abstract: Along with the rapid development of urban mass transit, and the rapid increment of railway power transmission lines, the electric power cable thefts occurred frequently. By analyzing of conventional alarm devices, design and development of an intrusion detector adaptable for electric power cables are achieved. The intrusion detector adopts the steel tape armour shield of electric power cable as the transmission media to carry out the test to confirm whether there is voltage on the cable or not, the alarm information is transmitted to the mobile phone or PC terminal via GSM, it solves the problems produced by the long distance communication, and has functions of simultaneous use of multiple-point, automatic dialing and independent alarming as well as extended interface, and it is able to realize the protection of locations where the cables are laid concentrically.

Key words: Cable intrusion detector; container substation; steel tape armour; alarm

中图分类号：TP277

文献标识码：B

文章编号：1007-936X(2019)04-0077-04

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.04.022

收稿日期：2019-01-07

作者简介：张少轩，吕坐君.中铁电气化局集团有限公司西安电务工程分公司，工程师。