李 永，李芙玲

(1. 華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 永1，李芙玲2

(1. 華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

為了對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控方案，并據(jù)此方案設(shè)計(jì)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(tái)服務(wù)器組成；監(jiān)控終端用于獲取配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖像等信息，后臺(tái)服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收、處理和顯示；監(jiān)控終端以ARM單片機(jī)為核心控制器，以具有串口功能的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)圖像的攝取，利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸。在服務(wù)器端編寫(xiě)了服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)、數(shù)據(jù)接收及圖像處理，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。

STM32F103單片機(jī)；GPRS；MG301；視頻監(jiān)測(cè)；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.

Keywords: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(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)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(zhǎng)，運(yùn)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(yùn)行水平，對(duì)提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性有著非常重要的意義。如果在配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)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(shí)了解配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)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(cè)系統(tǒng)，由于配電網(wǎng)監(jiān)控具有監(jiān)控點(diǎn)多、覆蓋面大，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，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(cè)系統(tǒng)

視頻監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法是在監(jiān)測(cè)終端上配置一個(gè)攝像頭模塊，該模塊接收?qǐng)D像信息并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件，單片機(jī)讀取攝像頭模塊中包含圖像信息的二進(jìn)制文件，重新打包處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊(GPRS模塊)發(fā)到后臺(tái)監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心重新對(duì)二進(jìn)制文件進(jìn)行解碼顯示。

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，除了具有攝像功能的監(jiān)測(cè)終端外，還需配置后臺(tái)服務(wù)器，用戶通過(guò)服務(wù)器接收監(jiān)測(cè)終端發(fā)來(lái)視頻數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的處理、顯示、打印、存儲(chǔ)等功能；同時(shí)，用戶還可以通過(guò)服務(wù)器對(duì)監(jiān)測(cè)終端運(yùn)行情況控制及維護(hù)。配電網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

圖1 配電網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

圖1中，虛線邊框部分是配電網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)終端，該終端以STM23F103單片機(jī)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(shí)鐘及復(fù)位電路模塊等。

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

后臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)軟件，接受監(jiān)測(cè)終端的網(wǎng)絡(luò)連接，并且對(duì)收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖像顯示。

2 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)測(cè)終端需要具有圖像攝取功能，必須選一個(gè)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(guò)串口命令實(shí)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(dòng)補(bǔ)光，以提高拍攝效果；該攝像頭還具有移動(dòng)偵測(cè)功能，能夠自動(dòng)捕捉環(huán)境的突然變化；圖像拍攝完成后生成標(biāo)準(zhǔn)的JPEG格式文件。

控制該攝像頭完成攝像工作的具體過(guò)程如下：[6]

(1)設(shè)置模塊串口波特率

攝像頭模塊默認(rèn)波特率微38400bps，這個(gè)頻率對(duì)于一般的監(jiān)測(cè)終端略顯偏高，容易出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。需要計(jì)算機(jī)上利用串口調(diào)試軟件將模塊波特率設(shè)置為一個(gè)合適的值。

(2)控制攝像頭模塊電源

因?yàn)槲覀兊囊曨l監(jiān)測(cè)終端安裝在電線桿上，取電功能受到限制，而攝像頭工作時(shí)耗電較大，特別是在開(kāi)通紅外增光功能情況下會(huì)達(dá)到160mA，因此，為了節(jié)約電能，視頻監(jiān)測(cè)終端平時(shí)運(yùn)行時(shí)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(huì)將拍攝到的圖像以JPEG視頻壓縮文件形式存儲(chǔ)在攝像頭內(nèi)存中，通過(guò)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(zhǎng)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(cè)終端的內(nèi)存有限，所以每次讀取的字節(jié)不可以太長(zhǎng)，在我的設(shè)計(jì)中按照200字節(jié)一個(gè)段落把照片文件分成多個(gè)段落，每次讀取一個(gè)段落；監(jiān)測(cè)終端將讀出的照片數(shù)據(jù)再加上校驗(yàn)碼形成發(fā)送報(bào)文，該報(bào)文發(fā)送完成后再讀下一個(gè)段落。

監(jiān)測(cè)終端對(duì)攝像頭模塊的控制操作是通過(guò)串口命令的形式完成的。

(5)監(jiān)測(cè)終端向服務(wù)器傳送照片數(shù)據(jù)

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

(6)服務(wù)器對(duì)收到照片數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)存儲(chǔ)

服務(wù)器接收照片數(shù)據(jù)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及格式進(jìn)行校驗(yàn)，如果傳輸正確則從傳輸報(bào)文中取出照片數(shù)據(jù)，按照J(rèn)PEG文件的格式存儲(chǔ)照片，以便工作人員查看。

3 GPRS聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)測(cè)終端需要將圖像文件傳送到后臺(tái)服務(wù)器，因此需要具有遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)功能。因?yàn)镚PRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，信號(hào)穩(wěn)定，在監(jiān)測(cè)終端分散而需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大時(shí)，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(jī)模塊很多，設(shè)計(jì)中選用華為公司生產(chǎn)的MG301型手機(jī)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(gè)電壓會(huì)損壞模塊，因此在設(shè)計(jì)單片機(jī)與手機(jī)模塊的通信接口時(shí)，要注意電平的轉(zhuǎn)換，監(jiān)測(cè)終端中單片機(jī)與MG301模塊的接口設(shè)計(jì)如圖2所示：[4]

圖2 單片機(jī)與MG301模塊串口連接原理圖

圖2中，PA1控制手機(jī)模塊開(kāi)機(jī)，當(dāng)手機(jī)模塊供電電壓穩(wěn)定250ms以后，PA1輸出高電平三極管Q1導(dǎo)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(jī)模塊就會(huì)開(kāi)機(jī)。模塊開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)通過(guò)串口向模塊發(fā)送AT指令，控制手機(jī)模塊實(shí)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(jī)控制MG301手機(jī)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(diǎn)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(hào)：AT^SISS=0,address,socktcp://114.251.68.222:8700

打開(kāi)Internet服務(wù)：AT^ SISO=0

通過(guò)以上步驟，手機(jī)模塊就可以打開(kāi)Internet服務(wù)，連接到IP地址為114.251.68.222，監(jiān)聽(tīng)端口為8700的服務(wù)器。一般情況下，手機(jī)模塊收到打開(kāi)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(huì)返回” ^SISW: 0,1,1460”，表示聯(lián)網(wǎng)成功。

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

監(jiān)測(cè)終端控制GPRS模塊實(shí)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(jì)

配電網(wǎng)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)器用于接收終端上傳的現(xiàn)場(chǎng)照片，后臺(tái)服務(wù)器程序是用Visual Basic 6.0編寫(xiě)的，通過(guò)Socket控件監(jiān)聽(tīng)8700端口。當(dāng)終端聯(lián)網(wǎng)后，根據(jù)終端的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)及傳來(lái)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(tīng)程序工作過(guò)程的簡(jiǎn)要流程如下：

(1)開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)功能

實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)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(lái)沒(méi)關(guān)閉先進(jìn)行關(guān)閉操作 End If WskServer.Listen ‘開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)

(2)向監(jiān)測(cè)終端下發(fā)控制命令

服務(wù)器第一次收到終端發(fā)來(lái)的上傳請(qǐng)求時(shí)，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(hào)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(gè)段落的指令。

(3)服務(wù)器將照片文件存儲(chǔ)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(hào)先將照片長(zhǎng)存到臨時(shí)數(shù)組中，當(dāng)本照片文件接收完畢后，再將收到的數(shù)據(jù)按照J(rèn)PEG文件格式存儲(chǔ)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(hào)中的變量是照片文件存儲(chǔ)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(gè)指示器的照片，右邊框中顯示了該照片拍攝的時(shí)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)視頻監(jiān)系統(tǒng)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)了10kV配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。監(jiān)控終端采用了高性能ARM單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像攝取、自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)和視頻的自動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸，配電網(wǎng)工作人員在服務(wù)器端就可以了解整個(gè)配電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)圖像資料。通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)圖像資料的實(shí)時(shí)獲取，工作人員可以更加全面地了解配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；在正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圖像資料可以準(zhǔn)確定位故障地點(diǎn)并確定故障原因，為縮短故障維修時(shí)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(yùn)行水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 陳康先，程興國(guó)，肖南峰. 基于GPRS的視頻圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)自然科學(xué)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(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(cè)[EB/OL]. www.huawei.com，2012-01-05.

[6] PTC01/A串口攝像頭使用說(shuō)明書(shū)[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(jì)[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(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014(11)： 3623-3626.

DesignandimplementationofdistributionvideosurveillancesystembasedonGPRSnetwork

LI Yong1, LI Fu-ling2

(1.Departmentofmechanical-electricalengineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China;2.Departmentofcomputerengineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,065201,China)

TP277

A

1672-7169(2017)03-0079-05

2017-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(61472137)， 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015022),河北省物聯(lián)網(wǎng)工程中心重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(16273904D)

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