李 永，李芙玲

(1.華北科技學院機電工程學院，北京東燕郊 065201;2.華北科技學院計算機工程學院，北京東燕郊 065201)

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)視頻監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 永1，李芙玲2

(1.華北科技學院機電工程學院，北京東燕郊 065201;2.華北科技學院計算機工程學院，北京東燕郊 065201)

為了對實現(xiàn)配電網(wǎng)的遠程實時監(jiān)控，提出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠程視頻監(jiān)控方案，并據(jù)此方案設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)圖像傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控終端和后臺服務(wù)器組成;監(jiān)控終端用于獲取配電網(wǎng)現(xiàn)場運行圖像等信息，后臺服務(wù)器用于實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示;監(jiān)控終端以ARM單片機為核心控制器，以具有串口功能的攝像頭模塊實現(xiàn)圖像的攝取，利用GPRS模塊實現(xiàn)了遠程聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸。在服務(wù)器端編寫了服務(wù)器程序，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、數(shù)據(jù)接收及圖像處理，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的遠程視頻監(jiān)控功能。

STM32F103單片機;GPRS;MG301;視頻監(jiān)測;JPEG文件;Visual Basic

Abstract：In order to realize remote real－time monitoring of distribution network，a remote video surveillance scheme based on GPRS network is proposed，and a video surveillance system based on this scheme is designed to realize image transmission.The system is composed of monitoring terminal and the server;the monitoring terminal is used for acquiring the distribution network operation information such as images，background server is used for receiving，monitoring data processing and display;monitoring terminal based on ARM MCU as the core controller，to achieve the image of the camera module with the serial port to uptake function，realizes the remote networking and data transmission using GPRS module.The server program is written on the server side to realize the network monitoring，data reception and image processing，and realize the remote video surveillance function of the distribution network.

Key words：STM32F103 MCU;GPRS;MG301;Video monitor;JPEG file;Visual Basic

0 引言

架空線路具有敷設(shè)方便，運行費用低的優(yōu)點，在我國的農(nóng)村城郊地區(qū)應(yīng)用廣泛。配電網(wǎng)目前主要以10kV架空線路為主，架空線路由于線路長，運行環(huán)境復(fù)雜，所以往往也是電力系統(tǒng)故障最多的環(huán)節(jié)。提高10kV架空線路的安全運行水平，對提高整個電力系統(tǒng)的運行安全性有著非常重要的意義。如果在配電網(wǎng)運行過程中實時采集配電網(wǎng)信息，并將信息傳送給工作人員，工作人員就能夠及時了解配電網(wǎng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，就能減少配電網(wǎng)故障的發(fā)生。我們研發(fā)了具有視頻功能的配電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，由于配電網(wǎng)監(jiān)控具有監(jiān)控點多、覆蓋面大，但對實時性要求不高的特點，所以選用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為信息通道［1］。

1 配電網(wǎng)視頻監(jiān)測系統(tǒng)

視頻監(jiān)測的實現(xiàn)方法是在監(jiān)測終端上配置一個攝像頭模塊，該模塊接收圖像信息并轉(zhuǎn)換為二進制文件，單片機讀取攝像頭模塊中包含圖像信息的二進制文件，重新打包處理并通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊(GPRS模塊)發(fā)到后臺監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心重新對二進制文件進行解碼顯示。

為實現(xiàn)配電網(wǎng)遠程視頻監(jiān)控，除了具有攝像功能的監(jiān)測終端外，還需配置后臺服務(wù)器，用戶通過服務(wù)器接收監(jiān)測終端發(fā)來視頻數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的處理、顯示、打印、存儲等功能;同時，用戶還可以通過服務(wù)器對監(jiān)測終端運行情況控制及維護。配電網(wǎng)視頻監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

圖1 配電網(wǎng)視頻監(jiān)測系統(tǒng)框圖

圖1中，虛線邊框部分是配電網(wǎng)視頻監(jiān)測終端，該終端以STM23F103單片機為核心控制器，外圍電路主要包括視頻輸入模塊模塊PCT01、電源模塊、GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊MG301、時鐘及復(fù)位電路模塊等。

視頻輸入模塊主要完成現(xiàn)場圖像的采集功能，在單片機控制下可以實時采集現(xiàn)場圖像，STM32F103單片機具有豐富的片內(nèi)資源，可以大大簡化監(jiān)測終端的外圍電路，提高終端的工作可靠性［2］，監(jiān)測終端利用 MG301模塊實現(xiàn) GPRS聯(lián)網(wǎng)。

后臺服務(wù)器運行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽軟件，接受監(jiān)測終端的網(wǎng)絡(luò)連接，并且對收到的圖像數(shù)據(jù)進行處理和圖像顯示。

2 圖像采集模塊設(shè)計

視頻監(jiān)測終端需要具有圖像攝取功能，必須選一個體積小巧、控制方便的攝像模塊，因此采用了Patul公司的PTC01型串口攝像頭模塊，該模塊采用5～9V直流電源供電，具有RSC232接口，可以通過串口命令實現(xiàn)拍攝控制及圖像文件讀取等所有功能。PTC01攝像頭配有發(fā)光二極管，在光線較暗的情況下能夠自動補光，以提高拍攝效果;該攝像頭還具有移動偵測功能，能夠自動捕捉環(huán)境的突然變化;圖像拍攝完成后生成標準的JPEG格式文件。

控制該攝像頭完成攝像工作的具體過程如下：［6］

(1)設(shè)置模塊串口波特率

攝像頭模塊默認波特率微38400bps，這個頻率對于一般的監(jiān)測終端略顯偏高，容易出現(xiàn)通信錯誤。需要計算機上利用串口調(diào)試軟件將模塊波特率設(shè)置為一個合適的值。

(2)控制攝像頭模塊電源

因為我們的視頻監(jiān)測終端安裝在電線桿上，取電功能受到限制，而攝像頭工作時耗電較大，特別是在開通紅外增光功能情況下會達到160mA，因此，為了節(jié)約電能，視頻監(jiān)測終端平時運行時關(guān)閉攝像頭電源，只有攝像前才接通攝像頭電源，照片文件讀取完成后再次關(guān)掉攝像頭電源。

(3)清空照片緩存、拍照

重新拍照前前需要清空照片緩存，才能正確完成新的拍攝流程。

拍照完成后，攝像頭會將拍攝到的圖像以JPEG視頻壓縮文件形式存儲在攝像頭內(nèi)存中，通過串口可以讀出照片文件。

(4)讀取照片文件

首先讀取照片文件長度，在按照字節(jié)讀取照片數(shù)據(jù)。

由于配電網(wǎng)視頻監(jiān)測終端的內(nèi)存有限，所以每次讀取的字節(jié)不可以太長，在我的設(shè)計中按照200字節(jié)一個段落把照片文件分成多個段落，每次讀取一個段落;監(jiān)測終端將讀出的照片數(shù)據(jù)再加上校驗碼形成發(fā)送報文，該報文發(fā)送完成后再讀下一個段落。

監(jiān)測終端對攝像頭模塊的控制操作是通過串口命令的形式完成的。

(5)監(jiān)測終端向服務(wù)器傳送照片數(shù)據(jù)

監(jiān)測終端完成攝像后，向服務(wù)器發(fā)送上傳請求，服務(wù)器收到請求后，向終端回應(yīng)允許上傳的命令;通過這種命令交互的形式實現(xiàn)照片數(shù)據(jù)的上傳。

(6)服務(wù)器對收到照片數(shù)據(jù)進行校驗存儲

服務(wù)器接收照片數(shù)據(jù)完成后，對數(shù)據(jù)長度及格式進行校驗，如果傳輸正確則從傳輸報文中取出照片數(shù)據(jù)，按照JPEG文件的格式存儲照片，以便工作人員查看。務(wù)器，因此需要具有遠程聯(lián)網(wǎng)功能。因為GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，信號穩(wěn)定，在監(jiān)測終端分散而需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大時，GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸是目前最佳的通信方式［3］，能夠?qū)崿F(xiàn)GPRS聯(lián)網(wǎng)通信的手機模塊很多，設(shè)計中選用華為公司生產(chǎn)的MG301型手機模塊，該模塊體積小巧、性能穩(wěn)定，適合于在野外的條件下使用。該模塊采用串口通信方式接受命令及傳輸數(shù)據(jù)。

MG301的I/O接口最高允許輸入電壓為3.15V，超出這個電壓會損壞模塊，因此在設(shè)計單片機與手機模塊的通信接口時，要注意電平的轉(zhuǎn)換，監(jiān)測終端中單片機與MG301模塊的接口設(shè)計如圖 2 所示：［4］

3 GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計

視頻監(jiān)測終端需要將圖像文件傳送到后臺服

圖2 單片機與MG301模塊串口連接原理圖

圖2中，PA1控制手機模塊開機，當手機模塊供電電壓穩(wěn)定250ms以后，PA1輸出高電平三極管Q1導通，TERM_ON管腳拉為低電平，TERM_ON管腳保持低電平1秒以上，則手機模塊就會開機。模塊開機后，單片機通過串口向模塊發(fā)送AT指令，控制手機模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、收發(fā)短信及撥打電話等功能。

單片機控制MG301手機模塊聯(lián)網(wǎng)的指令如下：［5］

設(shè)置連接模式：AT^SICS=0，conType，GPRS0

設(shè)置接入點名稱：AT^SICS=0，apn，cmnet

設(shè)置連接的服務(wù)類型：AT^SISS=0，srvType，Socket

設(shè)置服務(wù)器端的IP地址和端口號：AT^SISS=0，address，socktcp：//114.251.68.222：8700

打開Internet服務(wù)：AT^SISO=0

通過以上步驟，手機模塊就可以打開Internet服務(wù)，連接到 IP 地址為 114.251.68.222，監(jiān)聽端口為8700的服務(wù)器。一般情況下，手機模塊收到打開Internet服務(wù)的AT指令(AT^SISO=0)后半分鐘內(nèi)就可以聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)后模塊會返回”^SISW：0，1，1460”，表示聯(lián)網(wǎng)成功。

手機模塊聯(lián)網(wǎng)成功后，用AT^SISW指令可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，用AT^SISR讀取手機模塊收到的服務(wù)器返回的命令。

監(jiān)測終端控制GPRS模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)流程如圖3所示：

圖3 GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)流程

4 服務(wù)器端程序設(shè)計

配電網(wǎng)視頻監(jiān)測系統(tǒng)的后臺服務(wù)器用于接收終端上傳的現(xiàn)場照片，后臺服務(wù)器程序是用Visual Basic 6.0編寫的，通過 Socket控件監(jiān)聽8700端口。當終端聯(lián)網(wǎng)后，根據(jù)終端的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)及傳來的數(shù)據(jù)返回相應(yīng)的命令，控制終端上傳照片的流程。

服務(wù)器監(jiān)聽程序工作過程的簡要流程如下：

(1)開啟監(jiān)聽功能

實現(xiàn)監(jiān)聽代碼為：

WskServer.LocalPort=TextPORT.Text ’注釋：WskServer是socket控件名，TextPORT是存放端口的文本框

IfWskServer.State ＜＞ sckClosed Then

WskServer.Close ’如果原來沒關(guān)閉先進行關(guān)閉操作

End If

WskServer.Listen ‘開啟監(jiān)聽

(2)向監(jiān)測終端下發(fā)控制命令

服務(wù)器第一次收到終端發(fā)來的上傳請求時，向終端發(fā)送要求傳送照片文件的命令;終端上傳照片數(shù)據(jù)后，服務(wù)器程序根據(jù)照片段落號判斷文件傳輸是否正確，并將收到數(shù)據(jù)保存到數(shù)組中，然成后服務(wù)器向終端下發(fā)傳送下一個段落的指令。

(3)服務(wù)器將照片文件存儲到磁盤

服務(wù)器收到終端上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)段落序號先將照片長存到臨時數(shù)組中，當本照片文件接收完畢后，再將收到的數(shù)據(jù)按照JPEG文件格式存儲成照片文件。

服務(wù)器接收照片文件的程序流程如圖4所示：

圖4 服務(wù)器接收照片流程圖

服務(wù)器軟件可以根據(jù)用戶要求顯示特定的照片文件，本程序中顯示照片使用了Visual Basic 6.0的Picture控件。

Picture控件顯示照片文件的代碼是：

Picture1.Picture=LoadPicture(CommonDialog1.FileName)

Picture1是顯示照片控件的名稱，用LoadPicture方法加載要顯示的圖片文件，后邊括號中的變量是照片文件存儲的路徑及文件名。

服務(wù)器端程序界面如圖5所示：

該程序界面顯示了收到的照片和該照片的具體信息，圖5中顯示的是架空線路懸掛了3個指示器的照片，右邊框中顯示了該照片拍攝的時間和線桿的具體位置信息。

圖5 圖形接收程序界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計的配電網(wǎng)視頻監(jiān)系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)了10kV配電網(wǎng)的遠程監(jiān)測。監(jiān)控終端采用了高性能ARM單片機，實現(xiàn)了對現(xiàn)場圖像攝取、自動聯(lián)網(wǎng)和視頻的自動遠程傳輸，配電網(wǎng)工作人員在服務(wù)器端就可以了解整個配電網(wǎng)的現(xiàn)場圖像資料。通過對配電網(wǎng)現(xiàn)場圖像資料的實時獲取，工作人員可以更加全面地了解配電網(wǎng)運行狀態(tài);在正常運行時，可以及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，以減少配電網(wǎng)故障的發(fā)生概率;在發(fā)生線路故障時，通過現(xiàn)場圖像資料可以準確定位故障地點并確定故障原因，為縮短故障維修時間創(chuàng)造了條件;該系統(tǒng)應(yīng)用到配電系統(tǒng)可以提高配電網(wǎng)安全運行水平，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 陳康先，程興國，肖南峰.基于GPRS的視頻圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.南京信息工程大學學報(自然科學版)自然科學版，2011，3(1)：72－77.

［2］ 馮麗芳，孫俊，周俊華，等.基于ARM9的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.電力自動化設(shè)備 ，2006(10)：95－97.

［3］ 陳瑾，葉樺.基于Hi3512的3G視頻監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.東南大學學報(自然科學版)，2011(9)：116－119.

［4］ 華為 MG301 GSM LCC模塊硬件指南［EB/OL］.www.huawei.com，2014－06－20.

［5］ HUAWEI MG323－B GSM M2M模塊AT指令手冊［EB/OL］.www.huawei.com，2012－01－05.

［6］ PTC01/A 串口攝像頭使用說明書［EB/OL］.www.butal.com.cn，2014－09－20.

［7］ 李燕，樊明輝.基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端設(shè)計［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(1)：30－31.

［8］ 王溢琴，秦振吉，蘆彩林.基于嵌入式的智能家居之視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2014(11)：3623－3626.

Design and implementation of distribution video surveillance system based on GPRS network

LI Yong1，LI Fu－ling2
(1.Department of mechanical－ electrical engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China;2.Department of computer engineering ，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

TP277

A

1672－7169(2017)03－0079－05

2017－04－02

國家自然科學基金(61472137)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助(3142015022)，河北省物聯(lián)網(wǎng)工程中心重點研發(fā)計劃項目(16273904D)

李永(1972－)，男，河北徐水人，碩士，華北科技學院機電工程學院副教授，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。E－mail：liyong@ncist.edu.cn