基于AVR的GSM无线智能变压器综合报警系统

一、项目概述

1.1 引言

本项目设计的基于AVR的GSM 无线智能变压器综合报警系统，其目的在于提供一种无线智能变压器综合报警系统，可以识别系统停电，杜绝误报的发生；可以测量变压器油温并在油温超温时报警；具有"人体非正常接近报警"功能；具备断电工作保护功能，当电源线被破坏或由于其它原因断电时，系统仍能继续工作；可以对电力变压器综合运行参数进行检测，并对故障运行状态（过流、过压、欠压等）进行预警（可选）。该装置可以用在电力系统和大型工业企业领域中，并且本系统稍加改进后，可用于各种无线报警、控制装置中。例如，可以将本装置运用在电力节能方向，如通过该系统的语音、短信功能来控制路灯的开关，实现路灯的防盗与节能。

1.2 项目背景/选题动机

在油田、矿山、农村以及其他地域分布辽阔的野外地区，输电线路和电力变压器因远离供电局而经常面临被盗的危险，加之这些设备长期配置在野外，无人值守，智能化水平不高，经常出现不稳定运行，但值班人员无法及时了解这些设备的异常运行情况。一旦输电线和电力变压器被盗或异常运行，将会造成很大的经济损失，给电力系统的稳定运行和油田、矿山等大型野外企业的安全生产造成极大的隐患。因此，无论是电力系统的安全运行还是大型工业企业的安全生产，客观上都需要这样一种智能产品，它能准确的检测变压器等电力设备的运行状况，一旦出现异常情况，及时精确的上报值班人员。

我们团队开发的基于AVR的GSM 无线智能变压器综合报警系统利用GSM短信息数据传输模式及语音功能平台完成智能报警数据远程传输及控制，主要用在电力系统的配电网电力线、变压器等供电设备和线路的防剪断、防盗窃、防破坏。主机采用全密封铝压铸外壳，防水性能好，具有功能实用、质量优良、工作稳定可靠等特点，适应野外各种环境使用，广泛应用于电力、石油、矿山等所有在户外工作的电力设备的安全保护，本机可独立使用，亦可与接警中心联网使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

图1 系统架构

当发生警情时主机启动警号90秒阻吓盗贼，同时系统会自动发短信息到负责人的手机上，短信息会显示报警内容；并且系统自动拨打设置好的值班人员电话，值班人员接听电话后，自动拨放报警录音，如果值班话机占线或因故障不能接通，系统会自动循环拨打下一个报警号码，直至值班人员接听后主机才停止拨号，如未接听，则系统自动循环三次拨打二组报警号码，然后主机才停止拨号。如果设置有报警控制中心，该中心的计算机上电子地图相应的报警点会不停闪烁，并显示报警的地点和类型，便于调度中心指挥附近的工作人员及时赶到报警点查看。

2.2 性能要求

◆ 通讯方式：工业级900/1800MHz GSM模块

◆报警方式：GSM中文短信及语音拨号

◆报警响应时间：≤8秒（GSM网络信号正常）

◆待机功耗：≤0.9W

◆警号音量：大于110分贝            

◆保险管最大容量：3A

◆防电磁干扰：IEC55022

◆绝缘等级：B级

◆防护等级：IP55

◆工作环境：温度－10℃～＋55℃   

湿度≤95% 无凝露

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

图2 系统硬件结构框图

图2为系统的硬件结构图，在设计的报警系统中，单片机及其外围电路通过数据线分别和无线键盘、温度检测传感器、报警检测传感器(可以感应装置是否振动、是否人体非正常接触)、现场警笛、GSM模块及其外围电路连接，GSM模块通过无线信号和GSM网络交换数据。UPS电源保证系统不间断工作。

具体工作原理：

信号检测：现场变压器安装各种探测器，如温度探头、震动探测器、断线探测器、防拆探测器等，如果出现异常，探测器发送信号给报警系统。同时输入的三相四线电压信息输入到报警系统后，经过专门设计的电压检测和分析电路，实时监测变压器的运行状态。

信号分析:各种探测器的信号输入报警系统之后，通过相应的电路处理之后，信号传入单片机，由单片机通过计算和分析，然后做出判断，判断信息是否准确可靠。

报警输出:单片机经过分析之后，确实为盗窃破坏行为，现场启动报警器发出警笛，恐吓盗贼，同时系统会自动发短信息及拨打设置好的各六组号码，短信息会显示报警内容。维护人员接听电话后，自动拨放录音并进入现场监听，如果主人话机占线或因故障不能接通，系统会自动循环拨打下一个报警号码，直至维护人员接听后主机才停止拨号，如未接听，则系统自动循环三次拨打二组报警号码，然后主机才停止拨号。

系统设置:用户可以通过键盘进行本地系统设置，也可以通过短信远程设置，设置时需要输入特定的超级管理员密码，同时管理员可以随时修改管理员密码。设置的内容包括接收报警信息的电话或手机，也可以设置系统上报状态信息的时间和方式。

信息查询:用户可以发送相应格式的短信来查询当前变压器的各种状态信息。

与现有技术相比，该作品的实质性技术特点及显著进步有：

（1）能识别系统停电，杜绝系统误报。本系统在解决此问题的依据为：当总调度台根据需要切断某一地区电源时，由于断路器是同轴开关，三相电源相继切断的时间差在0.1秒以内，可以视为同时切断。当有人企图盗窃变压器而切断变压器前端电线，或用石块打落三个跌落保险时，其三相电源全部被切断的时间差必然大于0.5秒。本系统就是判断这个时间差而断定变压器是否被盗，当总调度台切断某地区电源或电源单纯缺相时，系统会发出电源异常信号，而不会发出防盗报警信号。

（2）能完成变压器油温的测量和超温的报警。变压器油温是影响变压器寿命的主要因素，野外变压器不正常运行状态下，常常使油温升高，所以值班人员需要及时掌握油温情况，为此，我们设计了超温报警。温度传感器可以接由DS18B20制作的耐油不锈钢温度探头，根据不同的要求可以选择外置和内置，温度测量范围为-55℃～+125℃，完全能够满足对变压器油的温度测量，并且在油温超过设定温度时系统发出超温报警。

（3）利用被动红外检测技术，实现"人体非正常接近报警"功能。设计了被动红外检测系统，利用被动红外探头来探测人体发射的红外线，识别所谓"人体非正常接近"。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上面。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。

（4）为系统设计了可靠的UPS电源，提供交直流两套供电系统，保证报警系统供电的不间断，即交流电源线被破坏或由于其它原因断电时，系统备用电源投入使用，来电后自动切换并为备用电源充电；使用备用电源供电时，电压低于最小保护值即发出欠压信号，可靠报警。

本项目的技术关键：

（1）GSM无线通信模块TC35与单片机间的数据传输。

（2）系统不间断供电电源的设计和铅酸蓄电池欠压识别。

（3）语音录放模块与GSM通信模块功能的结合与抗干扰设计。

（4）基于被动红外检测技术的"人体非正常接近报警"功能的实现。

3.2 硬件平台选用及资源配置

本项目选用的硬件平台是基于芯片AT32UC3A0256的EVK1105开发板, 主要选用开发板的USB数据传输、AT32UC3A0256控制处理、SPI/并口接口LCD12864（带字库）、I2C接口FRAM（铁电存储器）以及用于模拟检测输入的三个独立按键等功能模块。通过三个独立按键检测输入的模拟信号，经过处理器处理之后将结果发送到LCD显示屏上，在此过程中经历铁电存储器的存储，整个过程在MCU的控制之中。

3.3系统软件架构

图3 软件系统的结构框架

3.4 系统软件流程

图4 程序运行流程图

3.5 系统预计实现结果

基于AVR的GSM 无线智能变压器综合报警系统利用GSM短信息数据传输模式及语音功能平台完成智能报警数据远程传输及控制，主要用在电力系统的配电变压器等供电设备，实现被保护设备防剪断、防盗窃、防破坏、运行异常等综合信息的报警和查询。此外，本系统稍加改进后，可用于各种无线报警、控制装置中。例如，可以将本装置运用在电力节能方向，如通过该系统的语音、短信功能来控制路灯的开关。针对本系统研发的UPS电源，为众多小功率仪器提供了不间断供电的解决方案。具体可以完成以下功能：

（1）GSM中文短信息报警，直观可靠，传输距离不受限制。

（2） 使用特制专用温度探头，对变压器油等需要测量温度的地方进行温度测量，并设置允许最高温度值，超过设置温度即通过LCD显示屏显示并报警。

（3）利用被动红外检测技术，实现"人体非正常接近报警"功能。

（4）系统有断电工作保护功能，当电源线被破坏或由于其它原因断电时，系统备用电源仍能继续工作，来电后会自动充电。

（5）可配备断线、移位、震动等其他传感器，对供电变压器被破坏、搬动报警。

（6）可设六个短信息和二个语音拨号报警号码，可使用普通手机人工接警，也可通过接警中心电脑自动接警，具有强大的联网报警功能。

（7）可本地通过键盘或异地通过手机短信进行设置主机参数。

（8）可自设每天定时上报系统通讯状态的时间。