CN102710028B - 一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，包括与电缆连接的主控单元和反馈单元；主控单元包括电源模块、处理器、脉冲解调器、抗干扰脉冲积分器、载波脉冲接收器、能量脉冲发生器和调制发送器；反馈单元包括能量脉冲接收器、载波脉冲发送器、整流滤波器、充电电容组、充放电控制模块、载频调制发生模块和数据编码发生模块。本发明的反馈单元采用无源结构，工作能源取至主控单元的能量脉冲信号而不需要外接任何电源，同时反馈单元采用充放电控制模块对充电电容组充放电控制，在电路低功耗环境下能定时发出超强功率的载波脉冲信号，从而保证足够高的信噪比。

Description

一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统
技术领域
本发明属于电缆防盗技术领域，具体涉及一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统。
背景技术
随着国民经济的繁荣发展，城市现代化的步伐越来越快，带动了市政建设的快速发展，相应的作为城市形象重要因素之一的道路照明建设也得到了前所未有的大发展。城市照明、景观照明不仅使城市亮起来、美起来，更为经济繁荣、社会安定、丰富群众的夜生活做出了极大贡献。但是随着城市的发展，城市照明设施的安全问题也变得越来越突出，偷盗现象屡禁不绝，管理的难度越来越大。照明设备及照明电缆的频繁被盗，不仅造成了巨大的经济损失、影响城市交通，同时还给社会带来一系列的治安问题。据统计，一个中等规模的城市，每年路灯系统由于电缆被盗所造成的直接经济损失就达几百万，甚至上千万元人民币。因此，城市照明电缆防盗监控显得日益重要，照明电缆监控系统的完善及其先进性也就成为市政建设和城市风貌和对外橱窗的有效保证。
目前电缆防盗检测方式主要有：测漏电流方式、测工作电流方式、测末端工作电压方式、测直流阻抗方式、电力载波通讯方式等几种。测漏电流方式是一种人为漏电的检测方式，存在一定安全隐患；测工作电流方式和测末端工作电压方式只适用于路灯通电情况下，而且受气候和电压波动的影响较大，可靠性有限；测直流阻抗方式适用于电缆线路断电情况，在末端加装一个可变的或固定的直流阻抗，这种方式的测量需要在电缆相间提供一个12V的直流电源，如果电缆线路本身阻抗很低如小于500欧姆则电缆线路直流损耗及干扰会较大，使得测量精度及可靠性将大大降低。
传统型电力载波通讯方式主要应用在电缆通电情况下，电缆上存在各种强干扰如剧烈打火等，使通讯载波主信号的衰减很大，远距离传输时接收到的载波信号幅度小质量差，甚至接收不到载波信号，从而使中继级数增多或发码功率加大，整体通讯可靠性较低。
实际应用中，电力载波通讯方式主要有两种实现方案：一种方案是与测直流阻抗方式组合检测；当电缆上没有动力交流电时，在电缆相间提供一个12V的直流电源，利用测电缆相间的阻抗变化来判断电缆的通断；当电缆上有动力交流电时，利用电力载波通讯方式，判断在电缆上是否通讯正常来检测电缆的通断。该产品通断电切换两种测量方式，结构复杂，故障及误报率也较大；另一种方案是在通讯末端加装电池组方案，当电缆上有动力交流电时，利用电力载波通讯方式，判断在电缆上是否通讯正常来检测电缆的通断；当电缆上没有动力交流电时，由电池组供电完成电力载波通讯检测；但电池供电时发码的载波脉冲信号功率低，使线路信噪比较小造成误报的可能性更大，另外电池维护成本高体积也偏大。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，利用无源载波通讯实现全天候不间断的监控，载波信号强度大，系统功耗低。
一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，包括：主控单元以及通过电缆与主控单元相连的反馈单元；所述的电缆的电源端连接有供电设备，从电源端开始电缆上依次连有n个负载，n为大于1的自然数；
所述的主控单元包括电源模块以及均与电源模块相连的处理器、脉冲解调器、载波脉冲接收器、能量脉冲发生器和调制发送器；电源模块、载波脉冲接收器和调制发送器均与电缆相连，能量脉冲发生器与调制发送器相连，脉冲解调器与载波脉冲接收器和处理器相连；其中：
所述的电源模块用于给主控单元中的各功能器件提供直流工作电压；
所述的能量脉冲发生器用于产生能量脉冲信号；
所述的调制发送器用于将所述的能量脉冲信号调制放大后输送至电缆上；
所述的载波脉冲接收器用于从电缆上接收反馈单元发送的载波脉冲信号；
所述的脉冲解调器用于从载波脉冲接收器接收到的载波脉冲信号中提取出反馈信息；
所述的处理器用于根据脉冲解调器提取出的反馈信息进行判断监控。
所述的反馈单元包括均与电缆相连的能量脉冲接收器和载波脉冲发送器、与能量脉冲接收器相连的整流滤波器、与整流滤波器相连的充电电容组、与充电电容组相连的充放电控制模块、与载波脉冲发送器相连的载频调制发生模块、与载频调制发生模块相连的数据编码发生模块；充电电容组与载波脉冲发送器相连；其中：
所述的能量脉冲接收器用于从电缆上接收能量脉冲信号；
所述的整流滤波器用于对能量脉冲接收器接收到的能量脉冲信号进行整流滤波，从而输出直流电；
所述的充电电容组用于存储所述的直流电；
所述的充放电控制模块用于向所述的充电电容组提供充电控制信号和放电控制信号，以控制充电电容组充放电；
所述的数据编码发生模块用于产生反馈信息；
所述的载频调制发生模块用于将数据编码发生模块产生的反馈信息加载到给定的载波上，从而产生载波脉冲信号；
所述的载波脉冲发送器用于利用充电电容组存储的直流电将所述的载波脉冲信号放大后输送至电缆上。
所述的能量脉冲信号的频率为5～50KHz，载波脉冲信号的频率为80～400KHz。
优选地，所述的充放电控制模块采用基于分时能量叠加的控制策略；在电路低功耗环境下能定时发出超强功率的载波脉冲信号。
优选地，所述的主控单元连接于电源端与第一负载之间的电缆上且设置于靠近电源端的一侧；所述的反馈单元连接于第n-1负载与第n负载之间的电缆上且设置于靠近第n负载的一侧；使得系统的监控覆盖面能够达到整条电缆的长度。
优选地，所述的反馈单元为多个，且多个反馈单元分别通过多条电缆与主控单元相连；使得系统能够实现对多条电缆的防盗监控。
优选地，所述的电源模块由AC-DC自适应模组电源和蓄电池组成；其中，AC-DC自适应模组电源的输入端与电缆相连，输出端产生直流工作电压，充放电端与所述的蓄电池相连；AC-DC自适应模组电源自动判断电缆上是否有交流电，若有，则将交流电转换成直流电用以为主控单元内其他功能器件提供直流工作电压，同时对蓄电池进行充电直至蓄电池充满电；若电缆上无交流电，则其通过控制蓄电池放电为主控单元内其他功能器件提供直流工作电压；使得系统能够全天候不间断的实施监控。
优选地，所述的处理器连接有GSM协议模块和网络接口；当处理器根据反馈信息判断出存在有电缆被盗，处理器会通过手机短信和网络通信的方式实施报警，使得用户能够在第一时间就能得知电缆被盗并采取相应措施。
优选地，所述的脉冲解调器通过抗干扰脉冲积分器与处理器相连，所述的抗干扰脉冲积分器用于滤除从脉冲解调器提取出的反馈信息中掺杂的噪声；故能够有效消除抑制反馈信息在电缆传输过程中所掺杂的噪声干扰，提高处理器的判断准确性。
优选地，所述的充电电容组由八个充电单元和一个放电电路组成；其中：八个充电单元依次级联而成，第一充电单元的正极与放电电路的输入端相连，放电电路的输出端为充电电容组的正极，第八充电单元的负极为充电电容组的负极。
所述的充电单元由三个电阻、两个NMOS管、一个PMOS管和一个充电电容组成；其中：PMOS管P1的源极与电阻R1的一端相连并接收整流滤波器输出的直流电，PMOS管P1的阱电极和漏极与充电电容C的一端相连并为充电单元的正极，PMOS管P1的栅极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻R1的另一端与NMOS管N1的漏极相连，NMOS管N1的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N1的栅极与NMOS管N2的栅极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接收充放电控制模块提供的充电控制信号，NMOS管N2的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N2的漏极与充电电容C的另一端相连并为充电单元的负极。
所述的放电电路由三个电阻、一个NMOS管和一个PMOS管组成；其中：PMOS管P2的源极与电阻R4的一端相连并为放电电路的输入端，PMOS管P2的阱电极和漏极相连并为放电电路的输出端，PMOS管P2的栅极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R4的另一端与NMOS管N3的漏极相连，NMOS管N3的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N3的栅极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接收充放电控制模块提供的放电控制信号。
该优选技术方案采用充电单元级联的方式，可以在低功耗的环境下提供强功率的载波输送。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明电缆防盗末端的反馈单元采用无源结构，工作能源取自主控单元的能量脉冲信号而不需要外接任何电源。
(2)本发明电缆防盗末端的反馈单元采用充放电控制模块对充电电容组充放电控制，在电路低功耗环境下能定时发出超强功率的载波脉冲信号，从而保证足够高的信噪比。
(3)本发明电缆防盗的主控单元采用自适应模组电源，不管电缆上是否有交流电，能量脉冲信号始终循环发至电力电缆上，从而保证了反馈单元不间断的工作电源，真正做到全天候不间断监控。
(4)本发明电缆防盗的主控单元采用抗干扰脉冲积分器，从根本上滤除了电缆上各种超强干扰尖脉冲的影响，哪怕是电缆负载上有一个钻机岩洞作业剧烈打火时也能稳定接收信号。
附图说明
图1为本发明监控系统的结构示意图。
图2为电源模块的结构示意图。
图3为充电电容组的结构示意图。
图4为充电单元的结构示意图。
图5为放电电路的结构示意图。
图6为主控单元的工作流程示意图。
图7为反馈单元的工作流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。
一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，包括：一个主控单元和九个反馈单元，九个反馈单元分别通过九条电缆与主控单元相连，九条电缆的电源端均连接同一供电设备；以其中一条电缆为例，该电缆上从电源端开始依次连有26个路灯，主控单元连接于电源端与第一路灯之间的电缆上且设置于靠近电源端的一侧；反馈单元连接于第25路灯与第26负载之间的电缆上且设置于靠近第26路灯的一侧；该电缆上主控单元和反馈单元的结构如图1所示：
主控单元包括电源模块以及均与电源模块相连的处理器、脉冲解调器、抗干扰脉冲积分器、载波脉冲接收器、能量脉冲发生器和调制发送器；电源模块、载波脉冲接收器和调制发送器均与电缆相连，能量脉冲发生器与调制发送器相连，脉冲解调器与载波脉冲接收器和抗干扰脉冲积分器相连，抗干扰脉冲积分器与处理器相连；其中：
电源模块用于给主控单元中的各功能器件提供直流工作电压；如图2所示，其由AC-DC自适应模组电源和蓄电池组成；其中，AC-DC自适应模组电源的输入端与电缆相连，输出端产生直流工作电压VCC，充放电端与蓄电池相连；AC-DC自适应模组电源自动判断电缆上是否有交流电，若有，则将交流电转换成直流电用以为主控单元内其他功能器件提供直流工作电压VCC，同时对蓄电池进行充电直至蓄电池充满电；若电缆上无交流电，则其通过控制蓄电池放电为主控单元内其他功能器件提供直流工作电压VCC；使得系统能够全天候不间断的实施监控。本实施方式中，AC-DC自适应模组电源采用型号为AC220TD0524DC(方大智控)的产品。
能量脉冲发生器用于产生能量脉冲信号；
调制发送器用于将能量脉冲信号调制放大后输送至电缆上；本实施方式中调制发送器采用型号为FONDUN2245I(方大智控)的产品。
载波脉冲接收器用于从电缆上接收反馈单元发送的载波脉冲信号；本实施方式中载波脉冲接收器采用型号为HGP-5072PR(杭州华光)的产品。
脉冲解调器用于从载波脉冲接收器接收到的载波脉冲信号中提取出反馈信息；抗干扰脉冲积分器用于滤除从脉冲解调器提取出的反馈信息中掺杂的噪声；本实施方式中，能量脉冲发生器、脉冲解调器和抗干扰脉冲积分器均通过FPGA编程实现。
处理器用于根据去噪后的反馈信息进行判断监控；本实施方式中，处理器连接有GSM协议模块和网络接口，处理器采用型号为EP1C6的FPGA(Altera公司)，GSM协议模块采用型号WAVECOM-GR64(深圳天时佳)的产品，网络接口采用RJ-45接口；当处理器根据反馈信息判断出存在有电缆被盗，处理器会通过手机短信和网络通信的方式实施报警，使得附近的执法人员能够第一时间将偷盗者抓获。
反馈单元包括均与电缆相连的能量脉冲接收器和载波脉冲发送器、与能量脉冲接收器相连的整流滤波器、与整流滤波器相连的充电电容组、与充电电容组相连的充放电控制模块、与载波脉冲发送器相连的载频调制发生模块、与载频调制发生模块相连的数据编码发生模块；充电电容组与载波脉冲发送器相连；
其中：
能量脉冲接收器用于从电缆上接收能量脉冲信号；本实施方式中能量脉冲接收器采用型号为FONDUN2480U(方大智控)的产品。
整流滤波器用于对能量脉冲接收器接收到的能量脉冲信号进行整流滤波，从而输出直流电；本实施方式中整流滤波器采用型号为KBPC3502(方大智控)的产品。
充电电容组用于存储直流电；如图3所示，其由八个充电单元和一个放电电路组成；其中：八个充电单元依次级联而成，第一充电单元的正极与放电电路的输入端相连，放电电路的输出端为充电电容组的正极，第八充电单元的负极为充电电容组的负极。
如图4所示，充电单元由三个电阻、两个NMOS管、一个PMOS管和一个充电电容组成；其中：PMOS管P1的源极与电阻R1的一端相连并接收整流滤波器输出的直流电，PMOS管P1的阱电极和漏极与充电电容C的一端相连并为充电单元的正极，PMOS管P1的栅极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻R1的另一端与NMOS管N1的漏极相连，NMOS管N1的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N1的栅极与NMOS管N2的栅极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接收充放电控制模块提供的充电控制信号，NMOS管N2的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N2的漏极与充电电容C的另一端相连并为充电单元的负极。本实施方式中充电电容的额定参数为25V/1000μF。
如图5所示，放电电路由三个电阻、一个NMOS管和一个PMOS管组成；其中：PMOS管P2的源极与电阻R4的一端相连并为放电电路的输入端，PMOS管P2的阱电极和漏极相连并为放电电路的输出端，PMOS管P2的栅极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R4的另一端与NMOS管N3的漏极相连，NMOS管N3的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N3的栅极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接收充放电控制模块提供的放电控制信号。
充放电控制模块用于向充电电容组提供充电控制信号和放电控制信号，以控制充电电容组充放电；本实施方式中，充放电控制模块由单片机内程序实现，单片机通过I/O口共8个引脚输出充电控制信号分别控制8个充电单元依次充电，当每个电容充电都达到要求后，单片机通过I/O口的另一引脚输出放电控制信号，控制放电电路使充电电容组8个充电单元的能量叠加后的统一放电。8个充电单元通过负极与正极连接而级联而成，放电时8个充电单元形成串联形式，通过8个充电电容能量叠加提高输出电压。单片机控制某一充电单元充电，引脚输出的充电控制信号为高电平，MOS管P1、N1和N2均饱和导通，充电电容C的负极通过N2接地，整流滤波器输出的直流电通过MOS管P1连接到充电电容C的正极，对充电电容C进行充电。充电完成后，使充电控制信号为低电平，MOS管P1、N1和N2进入截止状态，充电电容C内的电量保持。由充电控制信号的脉宽控制充电电量，单片机根据电缆的传输距离以及电缆上的通讯负载情况通过自适应地调整充电控制信号的脉宽，控制每个电容的充电时间。
数据编码发生模块用于产生反馈信息；载频调制发生模块用于将数据编码发生模块产生的反馈信息加载到给定的载波上，从而产生载波脉冲信号；本实施方式中，充放电控制模块、数据编码发生模块和载频调制发生模块通过一单片机编程实现，单片机由整流滤波器输出的直流供电。
载波脉冲发送器用于利用充电电容组存储的直流电将载波脉冲信号放大后输送至电缆上；本实施方式中载波脉冲发送器采用型号为HGP-Y4950-494-7(杭州华光)的产品。
本实施方式的工作原理如图6和图7所示，主控单元内自适应模组电源检测电缆上是否有动力交流电，如有动力交流电则自适应模组电源对蓄电池进行充电，并且自适应模组电源提供稳定工作电压给主控单元其他功能器件，如检测电缆上没有动力交流电，则自动切换至蓄电池供电。在主控单元正常供电情况下，能量脉冲发生器循环产生能量脉冲信号，调制发送器对能量脉冲信号调制放大后输送至电缆相间。
电缆末端反馈单元内的能量脉冲接收器接收电缆相间的能量脉冲信号，整流滤波器对能量脉冲信号整流处理后产生直流电，该直流电由充放电控制模块控制分别给充电电容组内每个充电单元进行充电。充放电控制模块检测到充电电容组内每个充电单元都充电完成后，反馈单元立即进行一次反馈信息的强功率载波传输：数据编码发生模块生成反馈信息(即一关于电缆地址的固定数据编码)，载频调制发生模块将该反馈信息加载至一固定的载波上以完成载频调制处理；使充放电控制模块控制充电电容组向载波脉冲发生器放电，使载波脉冲发生器将载频调制发生模块产生的载波脉冲信号放大并进行一次强功率的载波输出，输送到电缆相间上。此时充放电控制模块检测载波脉冲发生器是否已经完成一次载波输出，如已经发送一次，则循环对充电电容组电容充电。当检测到发送未完成，则等待发送完成后循环对充电电容组充电。
在主控单元中的载波脉冲接收器接收强功率载波脉冲信号，载波脉冲信号经脉冲解调器解调、抗干扰脉冲积分器滤波去噪后得到原始的反馈信息，并传输至处理器中。处理器则重复定时接收反馈信息，并对反馈信息解码分析，当按时接收到的反馈信息且与反馈单元发送的数据一致，则认为电缆未被盗取；当处理器在规定时间内未能接收到反馈信息，或者在规定时间内接收到的反馈信息与反馈单元发送的数据不一致，则认为电缆已经被盗。然后，处理器通过GSM协议模块发送信息给用户，通知用户电缆被盗，或者通过网络接口发送远程信息给用户的监控设备。

Claims (7)

1.一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，包括：主控单元以及通过电缆与主控单元相连的反馈单元；其特征在于：
所述的主控单元包括：
电源模块，用于给主控单元中的各功能器件提供直流工作电压；
能量脉冲发生器，用于产生能量脉冲信号；
调制发送器，用于将所述的能量脉冲信号调制放大后输送至电缆上；
载波脉冲接收器，用于从电缆上接收反馈单元发送的载波脉冲信号；
脉冲解调器，用于从载波脉冲接收器接收到的载波脉冲信号中提取出反馈信息；
处理器，用于根据脉冲解调器提取出的反馈信息进行判断监控；
所述的反馈单元包括：
能量脉冲接收器，用于从电缆上接收能量脉冲信号；
整流滤波器，用于对能量脉冲接收器接收到的能量脉冲信号进行整流滤波，从而输出直流电；
充电电容组，用于存储所述的直流电；
充放电控制模块，用于向所述的充电电容组提供充电控制信号和放电控制信号，以控制充电电容组充放电；
数据编码发生模块，用于产生反馈信息；
载频调制发生模块，用于将数据编码发生模块产生的反馈信息加载到给定的载波上，从而产生载波脉冲信号；
载波脉冲发送器，用于利用充电电容组存储的直流电将所述的载波脉冲信号放大后输送至电缆上；
所述的电缆的电源端连接有供电设备，从电源端开始电缆上依次连有n个负载，n为大于1的自然数；所述的主控单元连接于电源端与第一负载之间的电缆上且设置于靠近电源端的一侧；所述的反馈单元连接于第n-1负载与第n负载之间的电缆上且设置于靠近第n负载的一侧；
所述的充电电容组由八个充电单元和一个放电电路组成；其中：八个充电单元依次级联而成，第一充电单元的正极与放电电路的输入端相连，放电电路的输出端为充电电容组的正极，第八充电单元的负极为充电电容组的负极；
所述的充电单元由三个电阻、两个NMOS管、一个PMOS管和一个充电电容组成；其中：PMOS管P1的源极与电阻R1的一端相连并接收整流滤波器输出的直流电，PMOS管P1的阱电极和漏极与充电电容C的一端相连并为充电单元的正极，PMOS管P1的栅极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻R1的另一端与NMOS管N1的漏极相连，NMOS管N1的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N1的栅极与NMOS管N2的栅极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接收充放电控制模块提供的充电控制信号，NMOS管N2的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N2的漏极与充电电容C的另一端相连并为充电单元的负极；
所述的放电电路由三个电阻、一个NMOS管和一个PMOS管组成；其中：PMOS管P2的源极与电阻R4的一端相连并为放电电路的输入端，PMOS管P2的阱电极和漏极相连并为放电电路的输出端，PMOS管P2的栅极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电阻R4的另一端与NMOS管N3的漏极相连，NMOS管N3的源极和阱电极相连并接地，NMOS管N3的栅极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接收充放电控制模块提供的放电控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的反馈单元为多个，且多个反馈单元分别通过多条电缆与主控单元相连。
3.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的电源模块由AC-DC自适应模组电源和蓄电池组成；其中，AC-DC自适应模组电源的输入端与电缆相连，输出端产生直流工作电压，充放电端与所述的蓄电池相连。
4.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的处理器连接有GSM协议模块和网络接口。
5.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的脉冲解调器通过抗干扰脉冲积分器与处理器相连，所述的抗干扰脉冲积分器用于滤除从脉冲解调器提取出的反馈信息中掺杂的噪声。
6.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的能量脉冲信号的频率为5～50KHz，载波脉冲信号的频率为80～400KHz。
7.根据权利要求1所述的基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统，其特征在于：所述的充放电控制模块采用基于分时能量叠加的控制策略。
CN201210200469.0A 2012-06-18 2012-06-18 一种基于无源载波通讯的电缆防盗监控系统 Active CN102710028B (zh)

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