摘要：該文提出了一種新型智能電力安全圍欄設(shè)計，以微控制器為核心，能設(shè)定不同安全防護等級，支持工作模式靈活切換；基于主從架構(gòu)，既可獨立工作，又可多圍欄協(xié)同工作。通過紅外檢測輔以射頻識別雙重檢測人員進出、現(xiàn)場聲光報警、LED狀態(tài)提示、語音播報、短信貓遠程警報信息發(fā)送等功能，可有效提升圍欄的防護安全性。

關(guān)鍵詞：微控制器；短信貓

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）26-0164-02

電力安全圍欄是電力公司施工/檢修等現(xiàn)場帶電作業(yè)必備的安全工器具之一，旨在提醒作業(yè)員在規(guī)定區(qū)域工作，防止無關(guān)人等擅入，能夠有效降低意外事故發(fā)生。傳統(tǒng)安全圍欄大都存在警示作用有限（以懸掛標示牌為主，缺乏聽覺視覺等多重感官警示）、被動防護等弊端。本文設(shè)計了一種智能型安全圍欄，以微控制器為控制核心，安裝LED顯示屏增強警示效果，圍欄入口安裝紅外傳感器和RFID識別裝置，雙重檢測，防止意外闖入或其他場地工業(yè)人員誤入。當異常闖入時進行聲光和語音警報，同時上報給控制器，可有效提高圍欄防護安全等級，有效保障人員安全。

1 整體架構(gòu)

為適應(yīng)各種規(guī)模的工作現(xiàn)場，整個系統(tǒng)采用主從架構(gòu)，由1個主圍欄控制器和N個從圍欄控制器組成。施工前，工作人員統(tǒng)一設(shè)置圍欄工作模式。正常工作時，主從圍欄保持通信，有意外闖入時，發(fā)生異常的圍欄進行聲光和語音報警，同時將信息上報。系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖1如下：

主控制器核心功能包括通過觸摸屏來設(shè)置工作模式和工作人員手機號碼；檢測從控制器是否異常，維護系統(tǒng)通信；接收從控制器上報的異常信息，發(fā)短信提醒工作人員。主控制器通過定時廣播一個“心跳檢測”數(shù)據(jù)幀來維護通信，“心跳檢測”幀廣播后，依次檢測從控制器的應(yīng)答信號，如果規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答，則單播再次確認信號兩次，若無應(yīng)答則上報異常給管理人員。從控制器主要實現(xiàn)兩個功能：一是根據(jù)主控制命令做出響應(yīng)如設(shè)置工作模式、心跳應(yīng)答等；二是檢測、處理與上報異常。

2 技術(shù)要點

2.1 通信控制

圍欄系統(tǒng)需支持多點同時觸發(fā)、高實時性等特點，因此通信采用控制器局域網(wǎng)絡(luò) CAN（Controller Area Network，CAN）總線，它是串行通信網(wǎng)絡(luò)，有效支持分布式/實時控制[1][2]，在理想條件下，通信距離可達10KM。CAN通信本身沒有主從之分，任何節(jié)點均可向任意其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀以廣播形式在總線上傳輸，每個節(jié)點根據(jù)幀標識符確認是否接收該報文，這種面向內(nèi)容的編址方案，方便靈活配置，實際應(yīng)用時可配置為一主多從、多主多從、多節(jié)點對等結(jié)構(gòu)。同時CAN自帶沖突檢測機制（CSMA-CD）、根據(jù)標識符自動仲裁機制、CRC檢驗等保障了通信的可靠性。

本系統(tǒng)配置為單主多從結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層采用自定義協(xié)議，充分利用標準數(shù)據(jù)幀11位標識符，通過標識符和接收掩碼機制，完成高效的接收過濾，其中ID10為主從模式位（0為主控制器發(fā)送控制命令，1為從控制器上報數(shù)據(jù)），ID9-5源控制器地址，ID4-0目的控制器地址[3]，控制器地址采用5位撥碼開關(guān)進行設(shè)定，數(shù)據(jù)傳輸時從控制器地址設(shè)置為0規(guī)定為廣播幀。主從節(jié)點采用相同的硬件電路設(shè)計，采用核心板加擴展板形式實現(xiàn)，各個模塊以接插件形式安裝，增強通用性和靈活性。

2.2 控制器選型與工作模式

系統(tǒng)采用內(nèi)嵌 CAN通信模塊、外設(shè)單元豐富、性能優(yōu)越的飛思卡爾公司MC9S08DZ60作為主控制芯片。

為了細化安全等級，圍欄設(shè)有常規(guī)維修、高壓試驗、夜間模式三種工作模式。高壓試驗對安全性要求較高，一旦有人接近則聲光警示，當非法闖入時，則持續(xù)聲光報警并語音高音播報從何處闖入，同時發(fā)送信息給現(xiàn)場管理人員； 常規(guī)維修模式下有人靠近時LED屏顯示警示語，并語音常音提醒，非法闖入時，語音高音警示人員從哪里闖入。夜間模式下LED屏一直處于顯示提醒狀態(tài)，防止夜間黑暗，有人誤入。

通過主圍欄觸摸屏可以批量設(shè)置從圍欄的工作模式，也可以單獨設(shè)置某從圍欄的工作模式。從圍欄工作于特定的工作模式下，根據(jù)現(xiàn)場情況上報信息。

2.3 RFID識別與紅外檢測

射頻識別RFID （Radio Frequency Identification，RFID），是一種通過射頻信號自動識別目標對象、非接觸式的自動識別技術(shù)，由標簽、閱讀器、天線組成，被廣泛應(yīng)用于物流、人員管理等系統(tǒng)中。闖入檢測采用紅外與RFID雙重檢測方式，當紅外對射傳感器檢測到有人闖入時，RFID自動識別人員身份同時記錄日志，有效防止非法闖入，同時避免多場地同時施工時工作人員錯入施工場地，進一步保障作業(yè)人員安全。為保證紅外感應(yīng)的準確性，防止錯過人員靠近警示，程序?qū)崿F(xiàn)時紅外信號的檢測判斷放在中斷中執(zhí)行。

設(shè)計中采用深圳市阿法迪科技有限公司的AFD-8200分體式四通道讀寫器進行RFID讀寫。該設(shè)備工作在902～928MHZ，有4個外接TNC天線接口，搭配12dbi線極化天線可實現(xiàn)穩(wěn)定讀取距離8-12M，支持多種用戶接口，系統(tǒng)采用RS232進行接口。

2.4 語音播報

語音播報采用可重復(fù)擦除燒寫的語音芯片WT588D，可通過Flash芯片存儲不同長度的語音，通過上位機軟件，可隨意組合語音。可使用三線串口進行播放控制（播放/停止/循環(huán)播放、音量調(diào)節(jié)等），控制播放不同地址字段的語音。

系統(tǒng)中語音播報分高音和常音播報，高壓試驗和人員非法闖入時皆為高音播報，其他情況常音播報。播報內(nèi)容有兩條，常規(guī)維修和夜間模式的警示語為“電力檢修，請勿入內(nèi)”；高壓試驗狀態(tài)為“高壓危險，請勿靠近”[4]。

2.5 LED 顯示

系統(tǒng)采用標示牌加LED燈光警示進行雙重視覺警示，LED采用F3.0點陣256*64雙色恒壓戶外顯示屏。白天當有人靠近觸發(fā)紅外感應(yīng)時，才會亮起，以節(jié)約用電。夜間狀態(tài)LED屏警示處于持續(xù)顯示狀態(tài)，防止夜間黑暗有人誤闖[4]。

2.6 短信提醒

當異常發(fā)生時需要通知管理人員及時處理，因此系統(tǒng)中實現(xiàn)了短信提醒功能。短信提醒通過一種能實現(xiàn)短信收發(fā)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備-短信貓實現(xiàn)（需要SIM卡支持）。設(shè)計選用華為公司的EM310模塊，它可方便進行遠程信息處理以及其它移動數(shù)據(jù)傳輸，模塊經(jīng)UART接口與主控芯片連接，通過AT指令進行控制，異常發(fā)生時短信貓發(fā)送短信到主控制器上提前設(shè)置好的管理人員手機上。

3 應(yīng)用效果與創(chuàng)新點

使用1個主圍欄和5個從圍欄，進行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：可以有效感應(yīng)到人員靠近并發(fā)出警告，使傳統(tǒng)圍欄的被動防護轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥鲃泳?；異常闖入時管理人員能在5s 內(nèi)收到報警短信，可有效處理異常事件；多圍欄協(xié)同工作，通信穩(wěn)定；LED 屏夜間警示效果明顯。

系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點：

（1） 針對不同規(guī)模的施工現(xiàn)場，主從圍欄可任意組合，易于擴展。

（2） 可根據(jù)場合，設(shè)定不同安全防護等級，可方便的通過觸摸屏調(diào)整和設(shè)定圍欄工作模塊，并制定不同的處理方式。

（3） RFID可記錄作業(yè)人員的進出信息，可方便確認作業(yè)人員就位情況。

（4） 短信提醒功能可及時通知管理人員，提高處理效率。

4 結(jié)論

本文闡述了安全圍欄的整體架構(gòu)、技術(shù)要點（通信控制、控制器選型與工作模式、RFID識別與紅外檢測、語音播報、LED 顯示、短信提醒等），論述了安全圍欄的應(yīng)用效果和創(chuàng)新點。有效改善了傳統(tǒng)圍欄防護被動、警示弱、異常檢測與處理滯后等弊端。設(shè)計采用獨特的一主多從圍欄體系，靈活性強，適用于不同規(guī)模的檢修場所。支持工作模式設(shè)定，可設(shè)置不同安全防護等級。為管理人員提供了異常短信提醒功能，方便異常處理。從整體效果來看，提高了電力施工的安全性。

參考文獻：

[1] 李科勇，冉蜀陽，史一.基于CAN總線的智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國測試技術(shù)，2008（2）.

[2] 孫鐵兵，鞠寧.CAN總線及其高層協(xié)議[J].微處理機，2006（1）.

[3] 王玉麗，王宜懷.基于CAN總線的智能電動密集架控制系統(tǒng)的研究[J].計算機應(yīng)用與軟件，2017（4）.

[4] 張懷軍，曹付民，彭梓元，周國鵬.智能型電力施工安全圍欄的設(shè)計與應(yīng)用[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報，2018（3）.

[通聯(lián)編輯：梁書]