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1、 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题题 目目:基于基于 STM32STM32 的路灯电缆防盗报警系统设计的路灯电缆防盗报警系统设计 研研 究究 生生 张海斌 专专 业业 电子与通信工程 指导教师指导教师 周继军 教授 完成日期完成日期 2012 年 12 月 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在
2、文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年 月 日 指导教师签名：日期：年 月 日 杭州电子科技大学硕士学
3、位论文杭州电子科技大学硕士学位论文 基于基于 STM32STM32 的路灯电缆防盗报警系统设计的路灯电缆防盗报警系统设计 研研 究究 生：生：张 海 斌 指导教师：指导教师：周 继 军 教 授 2012 年 12 月 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Design of Cable Anti-Theft Alarm System for the Street light based on STM32 Candidate:Zhang Haibin Spervisor:Prof
4、.Zhou Jijun December，2012杭州电子科技大学硕士论文 I 摘 要 伴随着现代社会城市化进程的推进，道路照明管理问题日益突出，尤其是以铜为主要传输介质的路灯电缆被盗案件层出不穷。而目前以电力载波方案为主流的传统路灯电缆防盗方案，由于传输距离近，抗干扰能力差，末端设备在关灯期间需要提供电源才能正常工作等原因，得不到广泛的应用。针对目前电缆防盗的现状和现阶段传统方案的不足，本文提出了一种新型的基于 STM32的路灯电缆防盗报警系统设计方案，并对该方案进行了实施。本系统弥补了传统方法中寿命短，稳定性差等缺点，并采用了先进的 3G 模块实现远程控制，使得产品更具有市场竞争力。本系统
5、设计主要分为现场检测设备和控制中心服务器软件两大部分，两者通过 3G 模块实现信息的传输。现场检测设备由末端发射器和前端接收器两部分组成。白天关灯期间，前端接收器发送 50V 的交流信号给末端，末端设备运作，反馈脉冲信号给前端接收器，接收器通过接收脉冲信号来判断电缆完整性；晚上开灯期间，接收器通过采样电流值来判断电缆是否完整，末端和前端都附有电压判断电路，以此切换工作状态。控制中心服务器软件不仅显示支路信息，还能远程设置现场检测设备的功能参数，将报警信息存储到数据库以便查阅。与传统的电力载波方案相比较，本文设计不受电缆是否带电影响，末端无需加装任何形式的电源模块，适用于白炽灯、高压钠灯、LED
6、 灯等不同性质的负载，传输距离可以达到 10km，不容易受杂波信号干扰，稳定性好。通过控制中心服务器和 3G 模块的应用，管理人员可以进行远程操作，无需现场更改设置，在一定程度上降低了成本，提高了工作效率。关键词：电缆防盗，STM32，3G 模块，电力载波 杭州电子科技大学硕士论文 II ABSTRACT Along with the advance of modern social urbanizition,the management issues of street light have become increasingly prominent,especially the theft
7、s of street light cable with copper as the primary transmission medium are emerged in endlessly.However,the Power Line Carrier program as the mainstream of the traditional solution for the theft of street light cable at present,since the short distance of transmission,the weak anti-interference abil
8、ity and it needs to provide power to the terminal equipment to make it in normal work during the lights are turn off and other reasons,this program is not widely used.In view of the present status of cable security and the deficiencies of the traditional program at the present,the paper puts forward
9、 a new design of cable anti-theft alarm system for the street light which based on STM32,and make it come true.The design of the system make up for the conventional method of short life,poor stablility and so on disadvantages,the 3G module in advance is used to bring about remote control,which led t
10、he product to be more competitive in the market.The design of system is divided into two parts,the field detection device and the server software of control center,the transmission between them is through by the 3G Module.The field detection device equipment by the termial emitter and the front-end
11、receiver.During the daytime when the lights are turn off,the front-end receiver sends a 50V AC signal to the terminal,and make it to work.The termial emitter send a feedback pulse to the front-end receiver then the receiver determine the integrity of the cable by this sigal.During the night when the
12、 lights are turn on,the front-end receiver judge cable is whether or not complete through sampling the current value.There are voltage judgement circuit to switch working states both in the termial emitter and the front-end receiver.The server software of control center is not only display the branc
13、h information,but also be able to set the function parameters of field detection device,make the alarm information stored in the database in order to check.Compared with the traditional solution Power Line Carrier,the design in this paper is from the impact whether the cable is charged or not,there
14、is no need to install any forms of power supply module at the end,it is applied to the different properties of the incandescent,high-pressure sodium lamps and LED lights,the distance of transmission is be able to reach 10km,it has good stability and isnt susceptible affected by the noise signal.Mana
15、gers are be able to do the remote operation without change settings in field but through the server of the control center and the application of 3G Module,which reduce the cost and improve the work efficiency.杭州电子科技大学硕士论文 III Keywords:cable anti-theft,STM32,3G Module,Power Line Carrier 杭州电子科技大学硕士论文
16、IV 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 路灯电缆防盗报警系统的现状.2 1.2.1 电力载波法.3 1.2.2 漏电流检测法.3 1.2.3 电缆末端安装通讯设备检测法.4 1.3 路灯电缆防盗报警系统的发展趋势.4 1.4 本文研究的主要内容.4 第 2 章 路灯电缆防盗报警系统的总体设计方案.6 2.1 系统的需求分析.6 2.2 系统的方案选择.6 2.2.1 阻抗测量法.6 2.2.2 谐振频率检测法.9 2.2.3 本文的设计方案.11 2.3.系统架构.12 2.3.1 硬件架构.12 2.3.2 软件架构.14 2.4 本
17、章小结.15 第 3 章 硬件电路设计.16 3.1 前端接收器.16 3.1.1 STM32 电路.17 3.1.2 施密特触发器电路.21 3.1.3 电源模块电路.23 3.1.4 存储模块电路.24 3.1.5 3G 模块电路.25 3.1.6 矩阵键盘与显示电路.26 3.1.7 继电器电路.27 3.1.8 互感器电路.29 3.1.9 时钟电路.29 杭州电子科技大学硕士论文 V 3.1.10 交流信号产生电路.30 3.2 末端发射器.32 3.2.1 脉冲信号发射电路.33 3.2.2 电压判断电路.34 3.3 本章小结.34 第 4 章 系统软件设计.35 4.1 STM
18、32 开发调试环境介绍.35 4.2 前端接收器软件的开发.36 4.2.1 STM32 的主程序设计.36 4.2.2 存储器程序设计.40 4.2.3 3G 模块程序设计.41 4.2.4 矩阵键盘和显示程序设计.46 4.3 末端发射器软件的开发.48 4.4 控制中心服务器软件的开发.48 4.5 本章小结.52 第 5 章 系统功能测试.53 第 6 章 总结与展望.58 致 谢.59 参考文献.60 附录.63 杭州电子科技大学硕士论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 经济的快速发展，使得各种金属资源供不应求，近年来，随着国际大宗商品价格的持续走高，在经济利益的驱使下，导致以铜
19、为主要传输介质的路灯电缆被盗案件频频发生。同时，伴随着现代社会城市化进程的推进，道路照明范围越来越广，与之而来的道路照明管理问题也日益突出，尤其是路灯电缆被盗案件层出不穷。这些案件不仅造成了国家财产的重大损失，也对道路上运行的车辆产生了严重的交通隐患，造成难以估量的直接或间接经济损失1。如图 1.1 是 2000 年以来沪期铜的走势图，也间接反映了国际铜价的走势，尽管 2008 年由于美国的“次贷危机”引发了国际金属价格的一波强烈下跌，但整体走势上，国际铜价还是在持续走高。随着“欧债危机”的转危为安，国际经济的日益复苏，各国的工业化进程和基础设施建设也会如火如荼的展开，届时，对于铜等各种金属的
20、需求也会逐年增加，以金银铜等为代表的国际大宗商品价格还会持续走高，由此衍生出的经济利益不容小觑。图 1.1 2000-2012 年沪期铜走势图 现阶段，我国城市化进程不断加速，2010 年国家统计局数字显示，我国的城镇人口已经接近 50%，而且年均提升 1.4 个百分点，预计到 2030 年末，我国的城市化率将达到 70%。而随着城市化水平的提高和城镇人口的快速增长，城市道路照明范围也越来越大。中研普华数据显示，2010 年，我国路灯总盏数约为 2700 万盏，每年新增路灯数量约为 15%20%，即 400万540 万盏。以杭州市为例，2011 年，杭州大致有 13 万 8 千多盏路灯，其中路
21、灯电缆长约300 万米，主城区亮灯率接近 100%，这在为人们夜晚出行带来方便的同时，也在一定程度上增加了路灯照明管理难度，让不法分子有机可乘。杭州电子科技大学硕士论文 2 有色金属的价格上涨，城市规模的日益扩大，流动人口的急剧增加，使得电缆被盗情况加速恶化。数据显示，2005 年我国发生电缆被盗案件 5.3 万起，造成直接经济损失 4.3 亿元；2006 年发生 19 万起，造成直接经济损失 13.5 万元；2007 年，我国三电（电力、电信、广播电视设施）因电缆被盗造成的经济损失超过 10 亿元。而在杭州，2004 年至 2010 年期间，路灯电缆被盗约 63 万米，直接损失高达 2000
22、 余万元2，国家财产遭受了巨大损失。除了直接经济损失外，路灯电缆被盗还会对道路上运行的车辆产生安全隐患，影响行人的夜晚出行，给城市安全带来极大的危害。随着杭州成为我国智慧城市的建设点城市之一，智慧交通的概念也开始深入人心，智能化的交通设施设备，包括智能交通信号灯的控制、路灯的远程智慧调光、各种交通设施的智能监控都将成为智能交通建设的一部分。可见，及时有效的对道路电缆进行保护迫在眉睫。当然，本文并不是第一个发现这个问的人，应对方法也早就存在，但由于路灯有其特殊性：白天不带电，晚上通电；路灯电缆随时会被盗，要求实行全天候 24 小时监控；以高压钠灯为负载的电路上并联了几十微法的补偿电容；高压钠灯在
23、寿命终结时存在“自熄”现象，会导致电流不稳定；某些路灯电缆埋在地下，长期工作后受雨水、潮湿影响导致漏电；照明设备自身故障导致局部灯灭，从而影响电流变化，所以难以根据电流来分析是电缆被盗还是路灯自身故障3。基于上述原因，路灯电缆防盗的方法并不多，传统的路灯电缆防盗方案主要有三种：1.专职人员巡逻防盗 即派专业值守人员对经常发生电缆被盗的地段进行巡逻，以起到警示的作用。但这种方法只能确保短距离，一定范围内的电缆安全，随着现在照明范围越来越广，许多偏远，人迹罕见的地区往往缺乏管理，这些地方因此成为电缆被盗案件的高发地区。而且这种方法需要消耗很大的人力，财力，却收效甚微，所以逐渐被现代社会所淘汰。2)
24、地下铺设 这种方法是将路灯电缆套上保护用的硬塑管或者穿在混泥土管中埋藏于地下，由于其具有良好的隐蔽性和保护性4，所以可以起到一定的防盗作用。但埋设地下电缆施工量很大，成本也较高，对于以后的检查维修会带来很大的不便，所以适用范围不广。3)电子技术防盗 此方法是在路灯电缆上或者路灯电缆末端安装电子监控仪器，当电缆被盗时，系统设备会及时发出报警信号并通知路灯管理所及相关人员，采取措施制止犯罪行为，从而保障照明系统的正常运行以及国家财产的安全。相比较前两种防盗方法，电子技术明显有其得天独厚的优势，成本相对较低，而安全性能高，不需要耗费大量的时间和精力，一定程度上提高了工作效率。基于这些优点，电子技术电
25、缆防盗得到了广泛的应用。1.2 路灯电缆防盗报警系统的现状 根据不同的设计原理，传统的电子技术防盗方法又分为以下几种：电力载波法、漏电流杭州电子科技大学硕士论文 3 检测法、电缆末端安装通讯设备检测法等。每种方法都有各自的优点，但都不能满足所有的适用条件，所以目前尚未有非常成熟和可靠的检测方法5能大范围推广。下面就这几种检测方法分别做详细介绍。1.2.1 电力载波法 众所周知，电力载波法是行业内使用最广泛的方法，这主要是由于电力载波扩频的芯片抗干扰能力有了显著的改善，同时在其他行业比如远程小区抄表等领域内有了成功的应用范例。当晚上路灯亮时，采用电力载波法进行集中单元与末端的通讯，若通讯正常，则
26、代表电缆正常；若通讯无法连接，则认为电缆被盗从而报警。这种方法有其可行性，原因是因为路灯线路很多都是专用的变压器，电缆线路比较干净，杂波信号少，便于电力载波通讯。而且无需架构新的电力通讯线，在原有的电力线上既可实现信号的传输，这在一定程度上降低了成本，对于一些特定线路也起到了比较好的效果。但经过不断的试验，我们发现这种方法在许多线路中都不能使用，具体有以下的局限性：1)不适用于公共变压器的路灯线路。由于工业供电和居民用电都在其中，会使得线路上的杂波信号比较强，当杂波信号强于载波信号时，就会有虚警的产生；2)不适用于长距离线路（通常电力载波的有效距离只有 500 米）。有些路段由于本身的距离比较
27、长（通常大于 1km），而且负载高压钠灯的数量也比较多，以至于补偿电容数量相应增多，而电容会大量吸收中频（100kHz300kHz）的载波信号，从而使得电力载波通讯受到干扰。3)不适用于关灯期间的防盗报警。末端安装有电力载波通讯模块，需要提供电源才能运行工作，所以一般在末端都会加装锂电池以保证在白天关灯期间设备能正常运作。但是由于锂电池寿命有限，一般仅为充放电的 300 次，如果按照一天一次充放电计算最多只能维持10 个月左右，届时维护成本、维护工作量和虚警数量将是业主难以接受的问题6。1.2.2 漏电流检测法 这种方法采用检测漏电流的方式来进行监测，主要原理是将一段道路的三相四线电缆一起穿过
28、互感器，检测时，其正常值应该为一特定的初始值（即初始漏电值）。与此同时在该道路末端认为其火线与地之间产生漏电，系统检测到的值应该超过原先的初始值。如果检测值恢复正常，即变为原先的初始漏电值，系统判定电缆被盗。这种方法依据其原理是具有可行性的，但是实际应用情况往往并非如此，具体局限性如下：1)首先，难以确定漏电流的初始值。这主要是由于路灯线路的老化或者是铺设线路时存在损伤，线路的漏电状况或多或少都会存在，而且根据天气情况的不同（潮湿或干燥），漏电流值还会有不同的变化，也有可能在安装时候是正常的，但时间久而久之之后，发生了漏电情况，所以这个特定初始值很难确定，出现的大部分情况是在安装初期报警很多，
29、等到调高了漏电流初始值之后，电缆发生被盗时却又不报警；2)其次，存在一定的安全隐患。采用这种方法会使末端灯杆存在漏电现象，一旦发生杭州电子科技大学硕士论文 4 安全事故将得不偿失。若将末端电缆完全封闭则会给将来的维护造成不便，也不适用7；3)不能实现白天断电情况下的防盗报警。1.2.3 电缆末端安装通讯设备检测法 这种方法采用在灯杆末端加装通讯设备，由路灯线路供电通过无线通信与主站进行通讯连接。其报警方式也分为主动型和被动型两种，主动型需要加装电池，一旦末端断电则认为电缆被盗，立刻向主站报警。而被动型则由主站不断巡回检测，如果多次巡检都检测不到信号（因为断电末端设备无法正常工作），则认为电缆被
30、盗。这是一种相对而言比较可靠的方式，报警的误报率也比较低，而且能根据编码地址进行准确定位。但是经过实践发现也存在着一定的局限性：1)该方案只能在线路有电的情况下才能运作，实现报警，做不到全天候 24 小时监控；2)对于前期投入成本和安装难度都比较大，其中包括：路灯末端都必须接入无线通信设备、天线的安装问题、避雷措施等等8。1.3 路灯电缆防盗报警系统的发展趋势 技术革命的不断创新，信息技术的不断发展，融合了传感网络、移动通信的智慧城市是继数字城市之后信息化城市发展的高级形态，而智慧交通更是其中不可或缺的重要组成部分。路灯电缆防盗报警系统作为其中的一部分，应该朝着智能化、全面化、节能化的方向发展
31、。未来的路灯电缆防盗报警系统不仅能及时的反馈报警信号，还能准确定位被盗位置，以 3D立体地图的形式展现，而且应该基于多种原理相结合的设计方法，尽可能的减少虚警的发生。除了远程短信、语音报警之外，未来还可以添加视频信息传输，利用 4G 网络搭建的物联网信息平台来实现更精确的连接和定位。当然，未来的路灯电缆防盗报警系统应该越来越趋向于理想化，例如：1)关灯期间的电缆防盗报警系统要求末端为无需任何形式的电源；2)关灯期间的电缆防盗报警系统应该与线路状态（即线路长度、负载类型）无关；3)开灯期间的电缆防盗报警系统应该与供电方式无关（即变压器供电或者公共用电供电）；4)末端装置和前端控制箱装置应该具备防
32、雷击、防浪涌等保护措施；5)电缆防盗报警系统应该有必要的冗余手段，以防止虚警的发生；6)尽可能采用控制箱前端设备控制多路的统一告警方式，即多条电路统一由一个主控设备与控制中心联系9，以保证信息的统一性并降低投入成本。1.4 本文研究的主要内容 本文通过对传统的路灯电缆防盗报警系统设计方法进行研究，综合分析了基于不同原理设计方法的优缺点，提出了一种新型的基于 STM32 的路灯电缆防盗报警系统设计方案。具体研究内容主要分为两大部分，现场检测设备和控制中心的服务器软件，两者通过 3G 模块来实现信息的传递。现场检测设备由末端的发射器和前端的接收器两部分组成。杭州电子科技大学硕士论文 5 末端发射器
33、部分：主要功能是实现每隔 10S 发射一个脉冲信号给前端的接收器；电压判断电路，自动判断 50V 和 220V 的输入电压，并切换工作状态。前端接收器部分：通过 AC-AC 变换脉宽斩波调试技术10，实现一个 50V 交流信号的输出；能实现最高 24 路信号的巡检，通过 4*4 矩阵键盘可以自由设定巡检路数；利用 3G 模块来实现报警和远程功能设置；液晶显示模块可以显示各支路状态和查阅报警信息，继电器电路则主要控制最多 24 路电缆支路的导通与关断。控制中心的服务器软件：通过 3G 模块与现场检测设备进行数据的传输；人机互动界面能显示监控电缆支路的状态以及被盗信息；添加和更改报警信息设置并存储
34、；远程设置现场检测设备的功能参数并进行控制。本文设计与现在主流的电力载波方案相比较，主要有以下优点：1)不受电缆是否带电影响、电缆长度可以达到 10km，也不受负载性质影响，而电力载波法针对具有补偿电容的高压钠灯时束手无策，传输距离也达不到要求；2)与供电状态无关，不管是变压器供电还是供用电，都不受影响，而电力载波法则需要相对干净的电路，容易受杂波干扰；3)电缆末端无需电池供电，而电力载波法末端需要安装电池，寿命有限，后期维护成本会很高；4)成本低，相对于电力载波法每条支路末端都需要安装载波模块，本文设计则采用前端统一控制，降低了成本；5)通过控制中心的服务器软件便可重新设置，无需进行现场更改
35、，一定程度上降低了维护费用，提高了工作效率。杭州电子科技大学硕士论文 6 第 2 章 路灯电缆防盗报警系统的总体设计方案 本章主要内容是对路灯电缆防盗报警系统进行系统的需求分析，通过分析寻找新设计方案，并对设计的原理和可行性进行具体分析，比较每个设计方案的优缺点，提出一种在现阶段优于电力载波方案的设计,并对本文设计的系统架构进行了简要叙述。2.1 系统的需求分析 鉴于路灯照明的特殊性（白天不供电，晚上通电），而路灯电缆防盗报警系统则需要进行全天候 24 小时的检测，这是系统设计时的一个难点问题；针对不同的路灯负载（卤素灯、高压钠灯、LED 路灯），路灯结构有所不同，尤其是高压钠灯，每个光源上都
36、会并联上几十微法的补偿电容，这在设计过程中也要重点考虑到；如果检测内容涉及到电流，就应该考虑到高压钠灯终结时存在“自熄现象”，这将会导致电流不确定；部分路灯电缆埋藏在地下，也存在漏电现象；照明设备自身发生故障时，会导致局部灯灭，电流变化很大，这对于系统要分辨是由于电缆被盗还是由于自身设备故障所引起的事故时存在很大的难度。路灯电缆防盗报警系统主要功能是实现全天候 24 小时检测，尤其是在白天不通电的情况下，确保监控的准确性、实时性、稳定性是本设计的重点。最好的方案设计是在不管电缆通电与否的情况下，白天晚上所测量的参数相同。以此为出发点，我们所找到的参数是阻抗和补偿电容，而根据 LC 谐振定律11
37、，电容的计算又可以转化为频率的计算，这就为设计带来了方便。当然，我们也可以采用双模式检测，白天测量并联在线路上的假负载，也可以检测阻抗，甚至可以发送低压直流信号或者脉冲信号，晚上则测量工作电流，或者测量 50Hz 的交流电流信号，也可以利用低频脉冲频率调制信号来实施检测12。双模式检测可以较好的实现白天和晚上路灯工作的两种不同状态，从而使得检测对象更具有针对性，但如何更好的把握两种状态模式的自动切换13也是设计的难点。2.2 系统的方案选择 通过系统的需求分析，我们可以选择阻抗测量法、谐振频率检测法、脉冲信号检测法等方案，下面我们就这 3 种方法分别详细说明，并比较各自的优缺点。2.2.1 阻
38、抗测量法 阻抗的概念，不单单是指电路中的电阻，简单的说，阻抗是指电阻加上电抗；具体的说，阻抗是指电阻、容抗和感抗在向量上的和14。我们平常所熟悉的是电阻，是指在直流电的世界里对电流起阻碍的作用的物质。而在交流电的领域里面，除了电阻会阻碍电流外，电容和电感也会阻碍电流的运动，我们称之为电抗。电容的电抗称作电容抗，电感的则是电感抗，他们的单位和电阻一样，也是欧姆。电抗的大小与交流电的频率有关，在不同的频率条件下测量阻抗，会得到不同的阻抗值15，感抗和频率大小成正比，而容抗则成反比，也就是说，杭州电子科技大学硕士论文 7 频率越高感抗越大而容抗越小，频率越低感抗越低而容抗越大。除此之外，容抗和感抗的
39、相位角，也影响着阻抗的大小，所以才会有阻抗是电阻和电抗在向量上之和这么一说。传统的测量阻抗的方法也分为很多种，这里我们选取加载直流电压和交流采样相结合的阻抗测量法16，采用这种方法能通过模糊逻辑17来判断阻抗以及电流的特性，并能根据设定的保护值，通过对电缆电流的动态分析对比数据，实施报警。对于道路照明来说，其负荷相对稳定，而当电缆被破坏时，其负载阻抗必定会发生变化，通过对比设定的阻抗值，我们就可以据此判断电缆是否被盗。负载阻抗通过交流采样算法来实现，采用傅里叶变换18来处理。由于我们只需仅仅计算线路阻抗，所以可以采用解微分方程的算法来实现。首先，假设被测线路的分布电容可以忽略，从防盗装置的安装
40、处到被盗位置可以用电阻和电感串联电容表示，则下述微分方程成立，即：11diuRiLdt （2.1）式中：1R和1L分别为被盗位置至防盗装置安装处的正序电阻和电感，u、i 分别为防盗装置安装处的电压和电流。在（2.1）的公式中，u、i 和didt都是可以现场测量和计算的值，其中未知数是1R和1L，计算时，分别在两个不同的时刻（1t和2t）测量 u、i 和didt的值，就可以得到如下两个独立的线性方程：11 111uR iL D （2.2）21 212uR iL D （2.3）其中：1D和2D分别表示测量时刻1t和2t的didt。联立方程组，可解得1L和1R分别为：122 112112u iu i
41、Li Di D （2.4）211212112u Du DRi Di D （2.5）而在计算处理时，最直接的方法是选取1t和2t为 2 个相邻采样间隔的中间值，可以近似为：11nnsiiDT （2.6）212nnsiiDT （2.7）杭州电子科技大学硕士论文 8 其中电流、电压为相邻采样的平均值，即：112nniii （2.8）1222nniii （2.9）112nnuuu （2.10）1222nnuuu （2.11）阻抗测量原理如上所述，而且通过这种方法还可以具体定位电缆被盗位置。其系统框图如下：处理器电源模块5位开关量输入485总线网络SPI16位继电器输出GPRS DTU显示模块数据采集模
42、块载波模块 图 2.1 阻抗测量法系统框图 该系统主要由主控制芯片、信号采集电路、电源电路、继电器电路等几部分组成，其中主控制芯片主要负责数据的收、处理和发送，以及远程通信。信号采集电路则负责电缆防盗数据的采集，以及对采集到的数据进行简单处理等。电源电路主要负责各单元的系统供电。具体设计原理如下：1)计算前一日正常工作的电流均值，并且将上电时间1T到断电时间2T的间隔作为每天的均值，设为电流基准值I；2)上电时间1T到断电时间2T之间的实时数据记为i，将i分为 4 等分，分别为：1i、2i、3i、4i，分别代表电流的大小：零、负小、负中、负大；3)同理可得，阻抗 R 的大小也分为 4 等分，分
43、别为：1R、2R、3R、4R，分别代表阻抗的大小：正大、正中、正小、零；4)输出电压U则可分为 4 个等级，分别为：1U、2U、3U、4U，分别代表输出电压：正常、微小跌落、明显跌落、巨大跌落，与之相对应的报警信号分别为保持不变、观察、报警延时启动、报警；5)模糊规则制定则如下：杭州电子科技大学硕士论文 9 表 2.1 模糊规则输出表 U R R1 R2 R3 R4 I i1 U3 U2 U1 U1 i2 U3 U2 U2 U1 i3 U4 U3 U2 U2 i4 U4 U4 U3 U2 这种基于阻抗检测的电缆防盗报警系统，能有效克服高频载波易受干扰的缺点，提高了检测的可靠性，但由于末端设备需
44、要供电电池，对末端设备的寿命问题有待验证，考虑到将来的维护更换，在一定程度上又增加了成本。2.2.2 谐振频率检测法 基于高压钠灯的结构原理，我们又寻找到了一种新的路灯电缆防盗方法，谐振频率法。这种方法与路灯是否通电无关，而且能准确定位电缆被盗位置，末端也无需安装任何形式的电源，具有一定的应用前景。C0L电子触发器高压钠灯 图 2.2 高压钠灯原理结构图 图 2.2 是高压钠灯的原理结构图，其中0C为路灯补偿电容，L为镇流器电感。如果在高压钠灯两端加载低于50V的电压时，电子触发器两端所生成的电压不足以使得高压钠灯点亮，高压钠灯处于断路状态。检测可知，此时电子触发器可以等效为一个大阻抗电容。电
45、子触发器和镇流器的电感串联后再与补偿电容并联，电子触发器和镇流器两者的阻抗都可以忽略不计，由此可得，在不通电的情况下，高压钠灯可以用补偿电容来等效，所以电路图可以转化为图 2.3（a）。C1C2C3Cn.K CK（a）等效电路 （b）简化电路 图 2.3 高压钠灯路灯支路电路 补偿电容0C一般为几十微法，在路灯装置内部的铭牌上都有标示，由于同一线路上连接的 高 压 钠 灯 和 镇 流 器 型 号 都 相 同，其 所 对 应 的 等 效 电 容 阻 抗 值 也 相 同，因 此杭州电子科技大学硕士论文 10 1230.nCCCCC，所以电路又可以简化为图 2.3（b），此时路灯支路的总电容为0Cn
46、C，其中n为这一支路中高压钠灯的数量。CLRKIU 图 2.4 电容电流谐振原理 如图 2.4 所示，在路灯简化图中再串联一个可调电抗器L和一个定值电阻R19，其中I为变频电流信号，U为返回电压信号，K 为检测开关，测量时，I向电路中注入恒流变频信号，返回电压信号U。当U和I的相位相同时，被测电路的电容和电感将产生串联谐振，此时的谐振频率记为0，则有：001LC （2.12）由（2.12）公式变换可得，被测电路的高压钠灯数量n为：2001nLC （2.13）由公式（2.13）可计算出现阶段线路上的高压钠灯数量，将此数据与实际的安装数量相比较，若相等，则证明电缆正常；若不相等，则认定为电缆被盗。
47、但实际情况中，也有可能是由于电容损坏或者线路断路故障所引起的两者路灯数量不相等，所以我们得排除由这些原因所产生的误警。在实际设计过程中，路灯供电系统采用的是三相四线制供电，变压器的每条出线都会连接一条母线，而母线上的所有路灯均采用并联连接，所以可以采用对三相路灯实施巡检，并对检测的路灯数量进行比较来排除虚警。前面所叙述的由于电容损坏和线路断路所引起的误警均为单项故障，所以当其中一相出现检测数量不正确的时候，我们应该根据剩下的两相路灯检测结果进行判断，如果剩下两相正常，则判断为单相故障，发出维修警报；如果剩下两相检测结果和前一相相同，则判断为电缆被盗，因为在电缆被盗时，整条三相四线的电缆是同时被
48、盗的。当需要定位具体被盗位置时，依据公式（2.13）计算出n的值，可得，电缆被盗点就在第n和第1n个路灯之间。对于其中的可调电感L的选取，考虑到滤波电路响应频率大小受到限制和计数器位数的有限，设计时要将谐振频率控制在一定范围内。将式（2.13）转化为式（2.14），01nC L （2.14）可知，频率仅仅与高压钠灯数量n的取值有关，当出现高压钠灯电缆被盗情况时，n的值会杭州电子科技大学硕士论文 11 变小，而谐振频率则会变大，此时，可适当增大可调电感的大小使得谐振频率减低到可控制的范围之内。综上所述，这种检测方法是以电容电感谐振检测为基础，通过检测路灯线路的谐振频率来计算出电路中路灯的数量，从
49、而判断路灯电缆的完整性并对发生电缆被盗事故的位置进行具体定位。这种方法可以不受变压器类型的影响，不受线路长度的影响，稳定性好。但只能应用于以高压钠灯为负载的线路，对于不同负载，例如 LED 路灯等，就存在着一定的局限性。而 LED 路灯将来会成为主流趋势，所以考虑到将来的应用前景，此方法并不适用。2.2.3 本文的设计方案 在比较了阻抗测量法、谐振频率检测法的优缺点之后，本文提出了一种新的基于 STM32的路灯电缆防盗报警系统设计，脉冲信号检测法，该设计能实现全天候 24 小时检测，白天通过检测脉冲信号，晚上则通过检测电流信号来判断电缆的完整性；经过现场的观测和数据的统计，将电缆路数设置为 2
50、4 路巡检具有最高的性价比，并且本文的设计可以自由设定巡检路数，提高了产品的灵活性；通过 3G 模块来实施报警以及远程功能的设置，便于信息的及时传递与更新；通过液晶屏幕来显示各个支路状态以及被盗信息，简洁直观；设置信息存储功能，包括被盗信息，功能设置信息，方便查阅。本文设计与传统的路灯电缆防盗方案相比，更符合理想的路灯电缆防盗报警系统设计：关灯期间电缆末端无需添加任何形式的电源设备；本文设计与线路状态（即线长、灯型）无关；在开灯期间，与供电状态无关（即变压器供电方式还是公共用电供电方式）；采取了必要的冗余手段，以防止虚警的发生；投入成本低但适用范围广泛、稳定性能高。表 2.2 本系统方案与其他