李洋，王小峰，劉碩

大連醫(yī)科大學(xué)中山學(xué)院，遼寧大連，116085

0 引言

竊電是一種違法行為，不僅造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)竊電造成用電不安全極易引發(fā)火災(zāi)。竊電方法主要分為搭線法和改變接線法兩種，搭線法竊電較為明顯，如今更多地采用改變接線法來(lái)竊電，即通過(guò)改變電能表的接線方式造成電能表無(wú)法計(jì)量電能。這種竊電方式極其隱蔽也導(dǎo)致電力營(yíng)銷人員無(wú)法取證進(jìn)而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行處罰。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)改變接線法的竊電取證裝置。

1 竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)

竊電取證裝置總體設(shè)計(jì)要求其體積較小、便于部署和隱藏。因此設(shè)計(jì)中所有電路體積盡可能小。竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 竊電取證裝置總體結(jié)構(gòu)

控制器是竊電取證裝置的控制核心，通過(guò)竊電檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)竊電行為的檢測(cè)和取證。該裝置采用RS-485或者電力線載波通信讀取用戶電表數(shù)據(jù)，通過(guò)電能計(jì)量單元計(jì)量用戶真實(shí)用電數(shù)據(jù)，通過(guò)GPS單元獲取實(shí)時(shí)時(shí)間信息和坐標(biāo)信息以保證采集數(shù)據(jù)與電網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)間同步，采用4G無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

2 竊電檢測(cè)與取證單元設(shè)計(jì)

2.1 竊電檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方式

2.1.1 竊電檢測(cè)單元基本結(jié)構(gòu)

技術(shù)竊電主要通過(guò)改變電表箱接線方式實(shí)現(xiàn)電能表無(wú)法對(duì)電能計(jì)量。由于當(dāng)前的電表都是統(tǒng)一部署在電表箱內(nèi)部，所以首先需要開(kāi)啟電表箱，然后改變電能表接線，最后關(guān)閉電表箱。因此根據(jù)該行為將竊電檢測(cè)單元分為電表箱開(kāi)箱檢測(cè)、生物入侵檢測(cè)、圖像抓拍、圖像存儲(chǔ)四個(gè)單元。竊電檢測(cè)單元基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 竊電檢測(cè)單元功能結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 竊電檢測(cè)工作流程

竊電檢測(cè)工作流程以電表箱開(kāi)箱檢測(cè)作為觸發(fā)條件。首先判斷電表箱是否開(kāi)啟，如果電表箱開(kāi)啟，則進(jìn)入生物入侵檢測(cè)程序，檢測(cè)是否有人員進(jìn)入電表箱附近。因?yàn)殡姳硐涞拈_(kāi)啟也有可能是受外力作用，如強(qiáng)風(fēng)、生產(chǎn)建設(shè)施工碰撞等。若檢測(cè)到人員入侵，則開(kāi)啟攝像機(jī)進(jìn)行圖像抓拍，將抓拍的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴蠈颖O(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)抓拍的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)（如圖3所示）。

圖3 竊電行為抓拍功能邏輯控制圖

2.2 電表箱開(kāi)箱檢測(cè)

光電型接近開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單、部署使用最為方便、成本最低，可以更好地達(dá)到隱藏效果。接近開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與開(kāi)箱檢測(cè)電路圖如圖4所示。

圖4 接近開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與開(kāi)箱檢測(cè)電路圖

當(dāng)接近開(kāi)關(guān)供電并正常工作時(shí)，存在開(kāi)箱動(dòng)作，則信號(hào)線的電平輸出為高電平，因此控制器可以通過(guò)檢測(cè)該信號(hào)線的電平變化實(shí)現(xiàn)開(kāi)箱檢測(cè)。接近開(kāi)關(guān)的三條信號(hào)線接入J3接口，當(dāng)開(kāi)箱后黑色信號(hào)線電平由0V變?yōu)?2V，光耦內(nèi)部的LED二極管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)閉，則輸出的INT信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?/p>

2.3 生物入侵檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 基于熱釋電傳感器的生物入侵檢測(cè)

熱釋電紅外傳感器是利用溫度變化的特征來(lái)探測(cè)紅外線的輻射。當(dāng)有熱能源移動(dòng)到信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，其會(huì)輸出脈沖信號(hào)?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)判斷是否有生物入侵。其部署簡(jiǎn)單方便，脈沖信號(hào)檢測(cè)方式對(duì)控制器要求較低。

設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為RD-623的熱釋電紅外傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和較好的信噪比，可以滿足工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定工作的要求，且采用雙元補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可以有效抵抗外界環(huán)境干擾，采用金屬封裝形式，使得其有較好的電磁屏蔽效果，尤其是對(duì)變壓器工作環(huán)境下較強(qiáng)的電磁環(huán)境有很好的適用性。此外，傳感器選用的干涉濾光片截止深度高、抗白光能力強(qiáng)。

2.3.2 熱釋電紅外模塊設(shè)計(jì)

為了方便使用和部署，將熱釋電紅外傳感器單元設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊，通過(guò)接口線纜與控制單元相連。如此該模塊可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況隨意部署，方便使用。

熱釋電紅外模塊電路采用BISS0001芯片作為傳感器的信號(hào)處理芯片，該芯片內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲定時(shí)器、狀態(tài)控制器等，采用CMOS工藝，解調(diào)范圍寬，可以有效抑制干擾，保證穩(wěn)定工作。

2.4 圖像抓拍單元設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)攝像機(jī)采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通常也稱為IP camera。IP camera是目前使用最為廣泛的攝像機(jī)，廣泛用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域。其傳輸速率可以為100Mbps或1000Mbps，傳輸距離超過(guò)100m，在使用交換機(jī)進(jìn)行中繼后，傳輸距離更遠(yuǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的像素較高，可以達(dá)到400萬(wàn)、1300萬(wàn)甚至更高。

本設(shè)計(jì)中攝像機(jī)采用基于以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)奈⑿⌒蛿z像機(jī)以方便部署和隱藏。

3 電能計(jì)量與竊電識(shí)別單元設(shè)計(jì)

電能計(jì)量用于對(duì)比確認(rèn)。當(dāng)竊電后用戶原有電表的電能計(jì)量與實(shí)際用電量不符時(shí)，就可通過(guò)比較本電能計(jì)量采集數(shù)據(jù)與用戶電表的實(shí)際采集數(shù)據(jù)來(lái)判斷其是否存在竊電行為，即如果兩者有差值，則確定用戶竊電。電能計(jì)量單元采用RN8209芯片實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是針對(duì)改變接線的竊電識(shí)別功能來(lái)設(shè)計(jì)的，當(dāng)用戶改變零線和火線的接線方式時(shí)，芯片可以自動(dòng)識(shí)別。

電能計(jì)量與竊電識(shí)別單元包括控制器、RN8209D芯片和基本采集配置電路。其中控制器與RN8209D芯片之間采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口通信。芯片供電電壓為5V，同時(shí)需要配置3.57954MHz時(shí)鐘晶體，以為該芯片提供ADC檢測(cè)時(shí)鐘。

電壓采樣電路如圖5所示，電壓火線連接P1接口，同時(shí)需要串聯(lián)4個(gè)300kΩ的電阻后接入到RN8209D芯片的ADC1單元中。電流互感器接入上述P3接插件位置，普通居民用戶的互感器變比選擇2500∶1的比例。分流器采用接入圖中P5接口，零線接入P4接插件中。輸出信號(hào)接入RN8209D的8號(hào)和9號(hào)引腳。

圖5 電壓電流采集電路圖

4 其他各單元設(shè)計(jì)

4.1 電能表數(shù)據(jù)采集

電能表數(shù)據(jù)采集主要采集電能表的電能計(jì)量數(shù)據(jù)。將采集數(shù)據(jù)與上述電能計(jì)量單元相比較來(lái)判斷是否存在差值。目前電能表主要有RS-485電表和電力線載波電表，因此電能表數(shù)據(jù)采集主要是RS-485通信和電力線載波通信。

（1）電力線載波通信電路使用MI200E載波芯片實(shí)現(xiàn)電力線載波通信功能。該芯片與控制器通信采用SPI接口，供電電壓為3.3V。電路工作需要配置12MHz的時(shí)鐘晶體作為該芯片的時(shí)鐘基礎(chǔ)。

（2）RS-485通信電路選用HM3085芯片。HM3085性能較強(qiáng)，防靜電能力達(dá)到15kV，通信速率可達(dá)2.5Mbps。

4.2 供電管理

供電管理需要考慮電池供電和交流取電兩種供電方式。電池供電用于竊電時(shí)切斷總電源情形，而當(dāng)交流電存在時(shí)則采用交流取電方式。交流取電方式可以為電池充電。

4.2.1 供電切換電路

供電切換電路與交流電失電檢測(cè)電路如圖6所示。其中VCC_A/B/C為通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換后得到的電壓,VCC_BAT為電池供電電壓。MCU_CTRL為控制器控制引腳。

（1）當(dāng)接入交流電后，VCC_A/B/C上電，Q3導(dǎo)通，VCC_A/B/C流過(guò)二極管D1并經(jīng)過(guò)Q3流入后端電路VCC_DC_MCU；控制系統(tǒng)電路上電運(yùn)行。

（2）控制器控制MCU_CTRL為高電平，則MOS管Q2導(dǎo)通。此時(shí)同時(shí)有Q2和Q3兩條通路給VCC_DC_MCU供電；由于VCC_BAT電壓小于VCC_A/B/C，則供電源仍為VCC_A/B/C。

（3）當(dāng)VCC_A/B/C斷電，Q3斷開(kāi)，此時(shí)由電池VCC_BAT經(jīng)過(guò)二極管D2和Q2給VCC_DC_MCU供電；實(shí)現(xiàn)外部斷電時(shí)電池供電。

（4）電池充電：

當(dāng)外部供電VCC_A/B/C上電時(shí)，則VCC_A/B/C通過(guò)D1和R2給電池充電，其中R2為充電限流電阻；電池電壓VCC_BAT最大值可以達(dá)到VCC_A/B/C減去二極管D1壓降。

4.2.2 交流供電的失電檢測(cè)

光耦器件可實(shí)現(xiàn)高壓信號(hào)和低壓信號(hào)的隔離。當(dāng)線路上電壓消失時(shí)，輸出信號(hào)JDQ_TEST由低電平轉(zhuǎn)為高電平?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)該信號(hào)的高低電平狀態(tài)可以判斷配電網(wǎng)供電失電（如圖6所示）。

圖6 供電切換與交流供電失電檢測(cè)電路圖

4.3 GPS授時(shí)與定位實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用支持北斗定位的G1010X模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，該模塊通過(guò)UART接口與控制器通信。

該模塊同時(shí)支持GPS和北斗兩種模式，定位精度2m左右，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，可以在-40～85℃溫度條件下運(yùn)行,具有較高的接收靈敏度，因此能夠保證在惡劣氣象條件下的定位和授時(shí)功能。

4.4 4G通信單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)4G通信單元既要傳輸用戶電能信息，同時(shí)也要傳輸竊電抓拍的視頻數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)速率較大，其中視頻數(shù)據(jù)速率要求達(dá)到數(shù)十兆，因此對(duì)于4G通信速率要求較高。

4G模塊目前根據(jù)與控制器的接口不同有兩種方式，一種是基于UART透?jìng)鞯姆绞?，一種是基于以太網(wǎng)透?jìng)鞯姆绞??；赨ART接口的透?jìng)鳎ㄐ潘俾蕰?huì)受到UART通信接口速率的限制，因?yàn)閁ART通信速率最大為20Kbps，雖然4G無(wú)線通信的最大速率可以達(dá)到100Mbps，但是該模塊的最大通信速率也僅有20Kbps，而這一速率無(wú)法滿足視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

基于以太網(wǎng)轉(zhuǎn)4G的通信模塊與控制器端互聯(lián)的接口為以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)接口傳輸速率可以到100Mbps甚至更高，因此可以實(shí)現(xiàn)高清視頻信息的傳輸。

因此通過(guò)對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)中選用基于以太網(wǎng)透?jìng)鞯?G無(wú)線通信模塊。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用M400-B模塊，該模塊采用mini PCIE接口，尺寸僅有60mm*45mm，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)到4G之間的無(wú)線傳輸。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議接口接入該模塊，即可實(shí)現(xiàn)4G傳輸。M400-B模塊具有較高的集成度，滿足工業(yè)級(jí)運(yùn)行要求，適合各種工業(yè)場(chǎng)景的集成開(kāi)發(fā)。

4.5 控制器單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇基于cortex-M7內(nèi)核的STM32F746處理器，該處理器主頻達(dá)到216MHz，接口豐富，具有較高的處理能力，可以很好地滿足本系統(tǒng)應(yīng)用。

相較于其他中端產(chǎn)品，STM32F746處理器最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，只需要SDRAM芯片、QSPI FLASH芯片、復(fù)位管理、時(shí)鐘單元和基本供電即可。最小系統(tǒng)部分電路框圖如圖7所示。上電復(fù)位管理采用MAX811芯片，上電后輸出200ms復(fù)位脈沖，保證系統(tǒng)上電后可以穩(wěn)定工作。ARM控制器需要配置兩種時(shí)鐘，一種是RTC時(shí)鐘，采用32.76kHz時(shí)鐘晶體，保證在關(guān)機(jī)情況下，RTC時(shí)鐘仍可以運(yùn)行，主時(shí)鐘采用25MHz晶體，控制器在此基礎(chǔ)上進(jìn)行倍頻，通過(guò)配置時(shí)鐘寄存器使其得到216MHz的運(yùn)行主頻。

圖7 STM32F746處理器最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本裝置通過(guò)開(kāi)箱檢測(cè)、入侵檢測(cè)以及攝像頭視頻信息采集實(shí)現(xiàn)對(duì)竊電行為的取證，通過(guò)對(duì)比用戶電表用電量數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)電能計(jì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確認(rèn)用戶是否竊電，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠的竊電取證。