CN106885949A - 基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统及方法，包括数据通信模块、中心控制模块、参数采集单元和数据库，数据通信模块包括光纤传输通道、蓝牙传输通道，中心控制模块包括单片机、心跳狗和复位狗，心跳狗和复位狗实现对光纤传输通道、蓝牙传输通道的信号检测、指令控制，当光纤传输通道正常工作时，心跳狗检测光纤通信心跳，一旦光纤信号中断时，心跳狗异常报警，单片机接收光纤传输通道异常指令后向蓝牙通信模块发送启动指令，蓝牙传输通道投入使用，心跳狗检测蓝牙通信心跳；当光纤传输通道恢复时，复位狗工作，解除蓝牙传输通道工作，光纤通信通道正常运行，自此实现光纤—蓝牙—光纤通信模式的动态切换。

Description

基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统及方法。

背景技术

随着我国电力工业的发展，电网的容量越来越大，输送的距离越来越远，输电线路的电压等级也在不断提高，高压架空输电线路和变电站(所)建设规模不断扩大。再加上经济开发及人口增长等社会因素的影响，新建的输变电工程逐渐向人口稠密区逼近已经成为大势所趋。近年来许多城市进行供电电力网的改扩建，变电站由城市郊区逐渐建到市区，高压架空输电线路在城市公众活动场所和居民区星罗棋布，变电站和输电线路可能产生的危害逐渐受到人们的关注。

目前，国家电网公司电网环境保护工作存在部分问题，一定程度上制约了输变电工程的可研、环评、核准、竣工验收的快速推进，并对工程建成后的环保、水保验收等方面产生了较大影响，主要体现在电磁环境参数监测的气候局限性、测量仪器种类繁多、测量任务复杂性及数据信息零散、报告生成困难、数据录入环境保护管理子系统困难。

随着电网建设步伐的不断加快、人们生活水平的不断提高，人们对电网环境保护提出了更高的要求，电网建设也不断受到环境保护方面问题的困扰。一方面，在全国各地不时发生因输电线路临近、跨越民房，变电站、换流站噪声扰民等电网环保问题引发投诉和纠纷。近几年电网环保信访事件数量不断上升，群众阻挠输变电工程施工的事件时有发生，这不仅给电网的建设带来困难，严重影响了电网的安全运行，也给输变电工程环保监管带来诸多问题和压力。另一方面，目前市场上已有的电磁测量仪器通常用于现场测量，无法进行长时间监测和数据存储，需要人工记录数据，操作不方便，且监测受气候条件制约性较大，很难实现多监测点数据同时监测和数据共享，无法与现有电网环保管理子系统形成数据的无缝对接，致使数据零散。

科学宣传输变电工程的电磁环境影响、公示输变电工程电磁环境参数水平、合理解释民众遇到的与输变电工程相关的困惑、实现广域全天候电磁环境参数的监测、和数据的智能化集成与应用，是解决问题的根本途径。

而现有的关于工频电磁场测量装置及其在线监测系统存在以下两方面的问题：

(1)传输通道单一：

当前的电磁环境数据传输通道多为以太网，传输通道单一，若网络出现问题，数据中心将无法查阅到检测数据，造成处理问题情况的延后。

(2)监测数据无法实现多维度应用

当前电磁环境数据监测软件，无法满足多样化数据展示的需求，展示方式过于单一；同时，对于数据的利用程度有限，在数据的查询、分析、价值挖掘以及开放性上，也需要深入研究，保证数据的有效利用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统及方法，本发明建立广域全态电磁环境智能监测系统，实现现场数据的存储、远程调阅等功能，向公众展示电磁环境实时数据，协助解决潜在电磁环境纠纷。同时由于国网环保管理子系统缺乏数据的有效支撑，迫切需要丰富的数据支撑，以提高系统的利用率和功能的有效发挥，本系统数据接入环境保护管理子系统，实现监测数据的统一化管理和应用，使输变电工程电磁环境管理便捷化、集成化，为国网环保管理子系统提供数据、信息和决策支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，包括数据通信模块、中心控制模块、参数采集单元和数据库，其中：所述参数采集单元至少包括工频电场传感器和工频磁场传感器，采集监测区域的电场和磁场信息，信息处理模块对采集的信息进行放大、滤波、交直流信号转换处理后传输给中心控制模块，所述中心控制模块对处理后的信号进行显示，并打包通过数据通信模块传输给数据库进行存储；

所述数据通信模块包括光纤传输通道、蓝牙传输通道，所述中心控制模块包括单片机、心跳狗和复位狗，心跳狗和复位狗实现对光纤传输通道、蓝牙传输通道的信号检测、指令控制，当光纤传输通道正常工作时，心跳狗检测光纤通信心跳，一旦光纤信号中断时，心跳狗异常报警，单片机接收光纤传输通道异常指令后向蓝牙通信模块发送启动指令，蓝牙传输通道投入使用，心跳狗检测蓝牙通信心跳；当光纤传输通道恢复时，复位狗工作，解除蓝牙传输通道工作，光纤通信通道正常运行，自此实现光纤—蓝牙—光纤通信模式的动态切换。

所述参数采集单元还包括噪声、温湿度传感器和气压传感器。

所述中心控制模块将工频电场模拟信号的有效值和工频磁场模拟信号的有效值进行模数转换分别生成对应的工频电场数字信号和工频磁场数字信号传输到光纤传输通道，光纤传输通道将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通过光纤传输给远端分析显示装置。

当光纤传输通道出现故障后，中心控制模块控制切换模块将光纤模块断开，并接通蓝牙传输通道，蓝牙传输通道将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通传输给远端分析显示装置。

所述数据通信模块将接收到的信号发送至数据处理与分析单元，实现信号的解析、脏数据剔除、校验，为数据实时展示单元提供可靠、实时的监测数据。

所述数据通信模块以光纤传输通道为主、蓝牙传输通道为冷备用。

所述工频电场传感器将电场探头制作到PCB印制电路板上，选择一对圆铜焊盘作为平行板，利用中间的环氧树脂作为绝缘材料，工频电场的信号处理电路包括依次相连的滤波电路、交直流转换电路、放大电路和AD转换电路，滤波电路滤除电场信号中的高频部分和低频部分，将工频信号保留，交直流转换电路将工频信号转换为直流信号，再利用放大电路和AD转换电路进行放大电路和AD转换。

所述工频磁场传感器包括三路采集电路，采集XYZ三个方向的磁场，工频磁场的信号处理电路包括依次相连的磁场复位置位电路、真有效值转换电路、放大电路和AD转换电路，所述磁场复位置位电路产生置位/复位脉冲作用在工频磁场传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上，并通过真有效值转换电路、放大电路和AD转换电路得到磁场有效值。

所述光纤传输通道包括依次相连的调制器、光驱动器、光源、光电检测器、放大器和解调器，输入信号注入调制器，调制器将信号进行电信号的调制处理，然后将调制处理后的信号驱动放大，转换成信号电流，以此驱动光源，完成电信号到光信号的转换，然后将此光信号耦合到光纤介质中；在接收端，光电检测器对光纤介质中的光信号检波，以此将光信号转换还原成电信号，然后再经过放大电路对信号传输过程中的损耗进行补偿，最后对信号进行解调输出，以此完成整个光纤传输系统的信号传输过程。

所述蓝牙传输通道采用分布式网络，网络中每个移动终端的地位平等，并独立进行分组转发的决策。

一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测方法，采集工频电场和磁场模拟信号，对信号进行放大、滤波和交直流信号转换，调理过的信号进行打包，读取光纤传输通道、蓝牙传输通道的状态，当光纤传输通道的信号中断时，向蓝牙传输通道发送启动指令，蓝牙通道投入使用，检测蓝牙通信心跳；当光纤传输通道恢复时，解除蓝牙传输通道的工作，光纤通信通道正常运行，自此实现光纤和蓝牙冗余信道的通信模式的动态切换；

当接收到监测数据后，将数据放入一个Byte数组中，判断数组的第一个字节是否为0XFA，如果不是0XFA，则不进行后续操作，如果接收首字节为0XFA，进行下一步流程CRC校验；若CRC校验正确，则接收数据与监测系统数据一致，进行下一步数据的解包，否则不进行后续操作，解包的数据通过拆分、计算、校准后更新到信息展示页面，实现数据的实时化展示。

本发明的有益效果为：

(1)电磁环境实时监测系统对网络传输要求较高，光纤通讯便于数据的快速、高效、可靠传输。它采用较大的数据包进行传输，所以FC对于视频、图像和海量数据的存储及传输极为理想，可实现实时高速无阻碍的数据传送。当光纤通道因不可抗力因素出现故障的条件下，蓝牙通信模块自动切入投入运行，采集到的数据将通过蓝牙进行传输，确保电磁环境数据可靠、稳定、实时的监测，保证数据的完整性；

(2)本发明易于与其他网络连接，在组网灵活、方便的同时，增加了现场设备的灵活性、可移动性、适应性和抗干扰性。同时，对于不便于布线的现场环境，也可以直接使用蓝牙通讯模块作为主通讯设备；

(3)本发明蓝牙分布式网络，可以无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策，其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。

(4)本发明采取的双通信通道动态切换的电磁环境实时监测系统及方法，以光纤通信通道为主、蓝牙通信通道为冷备用，保证数据传送的高效性、快速性、可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的切换通道原理示意图；

图3为本发明的数据流处理示意图；

图4为本发明的光纤传输系统基本组成示意图；

图5为本发明的电场强度探头等效电路图；

图6为本发明的工频电场放大电路图；

图7为本发明的置位复位电路图；

图8为本发明的置位、复位脉冲对磁薄膜的磁化效果图；

图9为本发明的可听噪声的测量电路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

针对本系统的网络区域范围广、网络层次类型多的特点，有必要对多环境多对象的组合通信技术进行研究，以优化数据流通效率，实现分布式组网。对本发明而言，所需研究的通信技术包括不同工作站之间的远距离有线传输通信、状态采集装置与接收装置之间的近距离无线传输通信。因此，对无线/有线混合数据通信传输模式进行研究。

如图4所示，该系统的原理是首先将输入信号注入传输系统，调制器将信号进行电信号的调制处理，然后将调制处理后的信号驱动放大，转换成信号电流，以此驱动光源(通常为激光器(LD)或者发光二极管(LED))，完成电信号到光信号的转换，然后将此光信号耦合到光纤介质中；在接收端，光电检测器对光纤介质中的光信号检波，以此将光信号转换还原成电信号，然后再经过放大电路对信号传输过程中的损耗进行补偿，最后对信号进行解调输出，以此完成整个光纤传输系统的信号传输过程。

常用的光纤模块的输入为RS-232接口，而单片机的UART的TX、RX为TTL电平，因此利用芯片MAX232完成RS-232标准串口的电平转换。

蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，其网络结构的拓扑结构有两种形式：微微网(piconet)和分布式网络(Scatternet)。蓝牙分布式网络是自组网(ad hocnetworks)的一种特例。其最大特点是可以无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策，其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。

基于以上特点，本发明采取的双通信通道动态切换的电磁环境实时监测系统及方法，以光纤通信通道为主、蓝牙通信通道为冷备用，保证数据传送的高效性、快速性、可靠性。本方法通过定义以太网通讯协议和蓝牙通讯协议的应用层进行优先级的定义与处理、优先权转换等技术来适应现场控制的各种要求。当中心控制模块将工频电场模拟信号的有效值和工频磁场模拟信号的有效值进行模数转换分别生成对应的工频电场数字信号和工频磁场数字信号传输到光纤通信模块，光纤通信模块将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通过光纤传输给远端分析显示装置；当光纤通信模块或所述光纤出现故障后，中心控制模块控制电控开关装置，将光纤模块断开，并接通蓝牙通信模块，蓝牙通信模块将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通传输给远端分析显示装置。此方法易于与其他网络连接，在组网灵活、方便的同时，增加了现场设备的灵活性、可移动性、适应性和抗干扰性。同时，对于不便于布线的现场环境，也可以直接使用蓝牙通讯模块作为主通讯设备。

每个双通信通道动态切换的广域全态电磁环境监测数据库系统由非磁性防水防感应支架固定，电源模块给传感器供电，传感器的信息输出接口与信号处理输入接口连接，工频电场的信号处理电路由置位复位电路、信号调理电路、AD转换电路组成，工频磁场的信号处理电路由滤波电路、真有效值转换电路、放大电路、AD转换电路组成，信号处理输出接口与中心控制模块输入连接，中心控制模块输出与光纤双向通信和蓝牙双向通信模块连接；

每个全天侯电磁环境监测系统由电源模块给光纤双向通信和蓝牙双向通信模块供电，展示系统侧数据通信模块输入接口与终端侧数据通信模块输出接口相连，展示系统侧数据通信模块输出接口与数据处理与分析模块连接，数据处理与分析模块与数据实时展示模块相连。

步骤1：双通信通道动态切换的全天侯电磁环境监测系统中电源模块包括DC/DC电源转换模块、12V锂电池、锂电池充电插头DC05、线性光电耦合器件PC817。工频电场传感器、中心控制模块、光纤双向通信模块和蓝牙双向通信模块由3.3V电压供电，工频磁场传感器、放大电路中的运算放大器、真有效值转换芯片、置位复位电路芯片、信号调理电路芯片、AD转换电路芯片、滤波电路芯片由±5V电压供电，3.3V和±5V电压由12V锂电池通过DC/DC电源转换模块转换得来，锂电池充电插头DC05实现220V市电向锂电池的充电，线性光电耦合器件PC817实现锂电池电量监测。双通信通道动态切换的全天候电磁环境监测系统中的电源模块为工频电场传感器、工频磁场传感器、信号处理单元、中心控制模块、数据通信模块供电。

步骤2：工频电场传感器和工频磁场传感器为双通信通道动态切换的全天候电磁环境监测系统的核心基础元件，实现工频电场和工频磁场的模拟信号采集。

步骤3：在信号处理单元接收到工频电场和工频磁场采集的模拟信号后，对信号进行放大、滤波、交直流信号转换等。

步骤4：中心控制模块中的单片机、心跳狗和复位狗组成。单片机通过对信号处理单元调理过的信号进行处理和打包，发送至电磁环境信息智能展示单元，数据通信模块心跳狗和复位狗实现对光纤双向通信和蓝牙双向通信模块的信号检测、指令控制，光纤通信模块和蓝牙通信模块通过开关装置连接。当光纤通信模块正常工作时，心跳狗检测光纤通信心跳，一旦光纤信号中断时，心跳狗异常报警，单片机接收光纤通道异常指令后向蓝牙通信模块发送启动指令，蓝牙通道投入使用，心跳狗检测蓝牙通信心跳；当光纤通道恢复时，复位狗工作，解除蓝牙通道工作，光纤通信通道正常运行，自此实现“光纤—蓝牙—光纤”通信模式的动态切换，整个过程中光纤通道和蓝牙通道的相互切换仅需要5s。

步骤5：双通信通道动态切换的全天候电磁环境监测系统和广域全态电磁环境数据库系统之间的相互通信，实现监测系统与展示单元的数据交互。

步骤6：电磁环境信息智能展示单元中的电源模块，为数据通信模块供电。

步骤7：数据通信模块将接收到的信号发送至数据处理与分析单元，实现信号的解析、脏数据剔除、校验，为数据实时展示单元提供可靠、实时的监测数据。

步骤8：通过数据实时展示单元，实现工频电场和工频磁场数据的动态化展示。

如图2所示是双通信通道动态切换的原理示意图，1为双通信通道动态切换的全天候电磁环境监测系统中的光纤通信模块，2为蓝牙通信模块，3为开关装置；4、5分别为广域全态电磁环境数据库系统的光纤通信模块和蓝牙通信模块。

在实际使用过程中，光纤通信模块和蓝牙通信模块通过开关装置3连接，31为常闭触点，32为常开触点，在光纤模块正常通信时，31合上，32断开；当检测到光纤通信模块发生故障时，31自动断开，将光纤通信模块与整个回路的通路切断，32自动合上取代光纤通信模块工作，保证整个系统监测数据通道畅通，维持自稳定运行。

如图3所示是数据通信流程，当接收到监测数据后，将数据放入一个Byte数组中，判断数组的第一个字节是否为0XFA，如果不是0XFA，则不进行后续操作，如果接收首字节为0XFA，进行下一步流程CRC校验；若CRC校验正确，则接收数据与监测系统数据一致，进行下一步数据的解包，否则不进行后续操作；解包的数据通过拆分、计算、校准后更新到信息展示页面，实现数据的实时化展示。

本系统对网络传输要求较高，光纤通讯便于数据的快速、高效、可靠传输。它采用较大的数据包进行传输，所以FC对于视频、图像和海量数据的存储及传输极为理想，可实现实时高速无阻碍的数据传送。当光纤通道因不可抗力因素出现故障的条件下，蓝牙通信模块自动切入投入运行，采集到的数据将通过蓝牙进行传输，确保电磁环境数据可靠、稳定、实时的监测，保证数据的完整性。

采用信号干扰措施：

(1)干扰源的处理：在控制模块中采用的低压继电器来驱动高压继电器的动作。因开合继电器线圈时会产生反电动势干扰，故在继电器线圈增加续流二极管和光电耦合杜绝电气干扰。在PCB布线时避免90°折线，减少高频噪声发射。

(2)切断干扰传播路径的处理电路中的各个组成部分均有自己的电源线路电路板布局时考虑了强、弱信号，数字、模拟信号的相对独立。用地线把数字区与模拟区隔离，并将数字地与模拟地分离，最后在一点接于电源地。在对晶振与单片机引脚布线时使其尽量靠近，低压继电器放在电路板边缘，以减小相互干扰。

全天候电磁环境监测系统采用集成化设计，可以对工频电场、工频磁场、噪声、温度、湿度和气压进行定点实时监测，可根据需要部署多个子系统组成分布式监测网络，具有数据存储和数据共享功能，可通过光纤或蓝牙通讯模块将监测信息实时发送至上位机或服务器，与主站进行实时通信，也可以满足雨雪寒暑等各种户外使用条件。

全天候电磁环境监测系统从微处理器、供电、电磁场测量、外形要求等角度分析，不仅对工频电场、工频磁场进行实时监测，更集成噪声、温度、湿度、气压等环境信息的监测，更避免工作人员携带监测环境信息的仪器设备，减少工作量。全天候电磁环境监测系统具有数据存储模块，储存空间大，可不间断地对实时监测数据进行储存。

工频电磁环境数据监测方法和监测布点要求。

监测点应选择在地势平坦、远离树木且没有其它电力线路、通信线路及广播线路的空地上。

监测仪器探头应架设在地面(或立足平面)1.5m高度处，也可根据需要在其它高度监测，并在监测报告中注明。

1)架空输电线路

断面监测路径应选择在以导线档距中央弧垂最低位置的横截面方向上；

2)地下输电电缆

断面监测路径是以地下输电电缆线路中心正上方的地面为起点，沿垂直于线路方向进行，监测点间距为1m，顺序测至电缆管廊两侧边缘各外延5m处为止。

3)变电站(开关站、串补站)

监测点应选择在无进出线或远离进出线(距离边导线地面投影不少于20m)的围墙外且距离围墙5m处布置。

4)建(构)筑物

在建(构)筑物外监测，应选择在建筑物靠近输变电工程的一侧，且距离建筑物不小于1m处布点。

监测点位包括电磁环境敏感目标、输电线路路径和站址。

敏感目标的布点方法以定点监测为主；对于无电磁环境敏感目标的输电线路，需对沿线电磁环境现状进行监测，尽量沿线路路径均匀布点，兼顾行政区及环境特征的代表性；站址的布点方法以围墙四周均匀布点监测为主，如新建站址附近无其他电磁设施，则布点可简化，视情况在围墙四周布点或仅在站址中心布点监测。

根据工业企业声源、周围噪声敏感建筑物的布局以及毗邻的区域类别，在工业企业厂界布设多个测点，其中包括距噪声敏感建筑物较近以及受被测声源影响大的位置。

一般情况下，测点选择在工业企业厂界外1m、高度1.2m以上、距任一反射面距离不小于1m的位置。

当厂界有围墙且周围有受影响的噪声敏感建筑物时，测点应选在厂界外1m、高于围墙0.5m以上的位置。

信号采集单元负责采集环境信息，包括温度、湿度、气压、电场、磁场以及噪声等信息。调理电路主要针对模拟信号，对信号进行放大、滤波、交直流信号转换等。微控制器负责对采集信息的汇总和处理，将采集到的数据按照通讯规约以数字信号进行发送。数据发送与接收模块负责通讯，将单片机的数字信号通过光纤或蓝牙无线通讯模块将数据传输给上位机，完成信号的传输工作。

电场、磁场、噪声传感器将变电站的相应的物理量强度信号转换成对应的电压信号，然后信号调理电路对电压信号进行滤波、交流放大、真有效值处理、直流二级放大，然后送入AD模块进行转换，对测得的数据进行分析处理；温湿度、气压为瑞士进口数字传感器芯片，控制器通过IIC通信与传感器进行通信连接，发送工作指令使对应传感器进行工作读取参数，测得数据之后直接存储在寄存器中，控制器就可以直接读取芯片内部寄存器数据从而获得温湿度、气压参数。控制器将得到的数据在芯片内部进行分析和运算，然后将数据通过光纤或蓝牙通道模块发出。

温湿度传感器和气压传感器会将采集到的数字量信号传送至单片机中，工频电、磁场和噪声信号采集模块会直接将采集到的模拟量传送至调理电路进行信号调理，调理之后传送到中心控制模块的单片机(可选用C8051F020单片机片)上进行采样。单片机通过无线或者有线数据通过模块将数据传输给上位机，上位机接受到数据后将数据更新显示。

(1)工频电场测量方法

工频电场测量系统硬件由工频电场传感器、置位复位电路、信号调理电路和AD转换电路组成。

电场传感器的输出比较大，通过一个外接电容C将工频电场的输出到合适的大小,也就是说工频电场的信号调理电路就不用像工频磁场处理电路一样在滤波前进行放大,因此工频电场的硬件测量系统由工频电场传感器、滤波电路、真有效值转换电路、放大电路、AD转换等。

目前大多数工频电场探头利用两个同样材料和大小薄膜铜模作为极板材料，然后通过强力胶将两块铜模固定在绝缘材料上或者直接固定在装置盒内部，在空气绝缘作用下，完成悬浮型电场探头设计。这种手工方式制作的探头，其个体之间可能存在较大误差，且固定铜模采用的是胶水，由于胶水不耐高温，在高温下可能造成铜模脱落或探头损坏，从而影响工频电场探头的使用效果。为了解决这种问题，本发明将电场探头制作到PCB(Printed circuit board)印制电路板上，选择一对圆铜焊盘作为平行板，利用中间的环氧树脂作为绝缘材料。

PCB板中间的绝缘材料为环氧树脂FR4，其介电常数是空气的4.2～4.7倍，取4.5倍。极板自身电容为，那么由平行板电容器的电容计算公式：

式中：

ε——环氧树脂的介电常数；

s——金属平行板面积；

k——系数；

d——平行板之间的距离。

焊盘组成的圆形平行极板半径为r＝40mm，则平行板铜模的面积S

S＝πr²＝3.14×0.02²＝0.001256m² (2-10)

工程中通常取：

ε＝ε₀ε_r (2-11)

其中——真空的电容率，在国际制的单位中，它的值为8.854187871×10^-12F/m，ε_r——平行板介质相对介电常数，这里取4.5。本系统中工频电场传感器探头平行极板自身电容C′为

在实际测量中，除了平行板间的固有电容C′外，在两个极板之间还需并联测量电容C_m。接入测量电容C_m后就能通过测量电容两端的电压来监测电场强度。整个探头完整的等效电路图如图5所示。

在本发明设计的全天候电磁环境监测系统中，选用C8051F020的片内AD芯片，其采样范围是0～2.43V，而设计的探头测量的最大电场强度为20kV/m，无法直接测量，必须降低平行板之间的电压，于是指定纳法级的测量电容，其远远大于探头的固有电容，因此可以近似的忽略探头的固有电容对测量电压U_m的影响。

经过理论计算和实际的试验，在传感器电路的外接电容C选用10nF，这样当传感器置于20kV的工频电场环境时输出1.414V交变电压。

1)滤波电路

工频电场需要滤除电场信号中的高频部分和低频部分，将工频信号保留，因此工频电场需要带通滤波电路，与工频磁场滤波电路基本相同。

2)交直流转换电路

由滤波电路输出的信号是50Hz的工频交变信号，因此需要将其转换为直流信号，在该电路中，采用的真有效值芯片与工频磁场真有效值电路相同均为ADI公司的AD736芯片。

3)放大电路

当20kV工频电场信号时，经过10nF外接电容C分压、滤波电路、真有效值芯片后输出直流信号大小为1V RMS，为配合STM32处理器片上最大AD采样电压2.43V，需将1V电压放大至2.43V，放大倍数为2.43，本放大电路采用的放大电路芯片和工频磁场第二级电路相同，只是将其电路中放大倍数改为2.43，工频电场放大电路及元器件参数设计如图6所示，和工频磁场电路信号调理电路一样，在OPA2277放大后有2kΩ的限流电阻和两个1N4147限压二极管。

(2)工频磁场测量方法

磁场采集模块电路原理如下：因磁场有XYZ三个方向，每个方向都有一路采集电路，取X方向的电路举例。工频磁场测量硬件电路由工频磁场传感器、置位复位电路、信号调理电路和AD转换电路等组成。

1)磁场复位置位电路

当传感器处在过强的磁场干扰时，磁阻传感器铁磁薄膜材料中的磁畴会出现随机排列的状态，从而导致其输出受到影响，导致传感器出现非永久性的失效；环境温度的变化也会使输出发生漂移，而置位复位SET/RESET电路可以消除此类影响，使磁阻传感器处于精度高、灵敏度高的工作状态。HONEYWELL公司的HMC1001和HMC1002芯片内部都自带置位/复位电流带，通过单片机STM32的I/O接口产生置位/复位脉冲作用在磁阻传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上。具体实现电路如图7所示，三路并行置位复位电路，CPU芯片STM32通过控制IO口产生置位复位信号S/R，实现同步产生置位/复位脉冲。

信号调理电路

各向异性磁阻传感器的信号调理电路是电磁信号采集十分重要的环节，调理电路的好坏直接影响输出信号精度，信号调理电路分为4个部分。第一部分为磁场信号的第一级放大电路，本电路将采集到的磁场信号进行放大；第二部分为带通滤波电路，作用为将放大过的信号进行滤波，筛选出所需要的工频段的信号，滤波电路需要认真设计并测试设计的效果。第三部分为信号交直流转换电路，本部分将前级电路输出的交流信号转换为直流信号；第四部分为第二级放大电路。

当传感器处在过强的磁场干扰时，磁阻传感器铁磁薄膜材料中的磁畴会出现随机排列的状态，从而导致其输出受到影响，导致传感器出现非永久性的失效；环境温度的变化也会使输出发生漂移，而置位复位SET/RESET电路可以消除此类影响，使磁阻传感器处于精度高、灵敏度高的工作状态。HONEYWELL公司的HMC1001和HMC1002芯片内部都自带置位/复位电流带，通过单片机C8051f020I/O口产生置位/复位脉冲作用在磁阻传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上。具体实现电路如图8所示，三路并行置位复位电路，CPU C8051f020通过控制IO口产生置位复位信号S/R，实现同步产生置位/复位脉冲。

信号真有效值转换AC/DC转换

带通滤波电路后需要对工频交变信号转换成直流信号，本信号处理电路中采用AD736作为真有效值转换芯片，AD736是精密真有效值转换器(True RMS-toDCConverter)，其特点是灵敏性好、准确度高、满量程为200mVRMS、转换速度快、频率性能好(频率工作范围为0～460kHz)、输出阻抗低、输入阻抗高(10¹²Ω)、电源范围为+2.8V～16.5V，-3.2V～-16.5V，且功耗低最大的电源工作电流为200mA，外部电路简单。

第二级信号放大电路

电磁信号经AD736真有效值芯片实现AC/DC转换后的信号很小，额定输出最大200mV RMS，需要对直流信号进一步放大，在本级放大电路中采用美国德州仪器(TI)公司的放精密放大器OPA2277UA双运放芯片，该芯片具有电压偏移小、温度漂移小、转换速率快、稳定可靠、功耗低等优点。

(3)可听噪声测量方法

本发明采用驻极体电容传声器来替代普通的电容传声器。驻极体电容传声器是在一般电容传声器背极板上喷涂一层薄而均匀的驻极体材料，在高温和高压下使之极化，让电荷永久性地存贮在驻极体材料之中，从而使得传声器的两极之间产生一个内电场，用来取代由外加极化电压所产生的电场。

环境噪声的测量一般为1.2m高度，考虑到全天候电磁环境监测系统监测高度在1.5m，两者在不同高度上，特别配置了外置可听噪声模块，并在探头处加装高密度防风罩，以适应于大风条件下测量。

驻极体传感器有源级输出和漏极输出两种电路接法，通常采用的都是漏极输出方式，该方式的传感器只有两根线引出，本系统就是采用的漏极输出方式，该漏极接法传感器的灵敏度比源级接法高，噪声电路设计如图9所示，驻极体源级接地，漏极经过R21、R11接至VA+，并经过电容CP11输出，输出信号后经过与电磁场信号调理电路类似的滤波电路、放大电路、真有效值转换电路进入STM32片上12位AD进行采样。

本发明采用地参考型全天候电磁环境监测系统，用于采集各处温度、湿度、气压、电场、磁场以及噪声等电磁环境信息，并通过光纤或蓝牙通信方式与主站进行实时通信。

全天候电磁环境监测系统采用集成化设计，信号采集单元负责采集环境信息，并将采集到的变电站相应的物理量强度信号转换成对应的电压信号，送入AD模块进行转换，然后对测得的数据进行分析处理。控制器将得到的数据在芯片内部进行分析和运算，然后将数据通过光纤或蓝牙模块发出。

由前面分析可知，我们需要在传感器的两端接入一个测量电容C_m，测量电容的容值是nf级别的，本发明中使用10nf测量电容进行测试工频电场值测量。采用10nf的独石电容并联到探头的两端，能够兼顾测量量程和测量高强度电场和低强度电场分辨率的情况。

为了获取输变电工程工频电场实时智能监测系统的校正曲线，采用拉格朗日插值法，得出插值多项式曲线。

设n次多项式曲线：

P_n(x)为n次多项式插值曲线，n+1为互不相同的插值点，它由n+1个系数a₀，a₁，a₂…a_n决定，若曲线P_n(X)通过给定平面上n+1个互不相同的插值点(x_i，f(x_i))(i＝0,1,2,…,n)，则：

P_n(x_i)＝f(x_i) (2-14)

将(x_i，f(x_i))(i＝0,1,2,…,n)，依次代入P_n(x)得到线性方程：

取标定值为x_i(i＝0,1,2,…,5)，标准值为f(x_i)，通过Matlab建模将6组数据代入线性方程求解得：

P₅(x)＝5×10^-13x⁵-6.4×10^-10x⁴+2.9×10^-7x³

-5.2×10^-5x²+0.025x-0.491 (2-16)

根据拉格朗日n次插值多项式公式误差：

电磁环境监测数据基于企业级关系型数据库构建，随着数据量的增长，影响数据查询效率的主要因素是全表扫描。为了规避全表扫描带来的数据查询效率低的问题，本发明监测数据库设计时，需对单张表的数据量和字段数进行控制。

(1)数据分区

针对监测数据库数据存储规模大的特点，监测数据先按照全天候电磁环境监测系统ID分表，再按时间范围分区，以此作为数据存储的基本规则，表名称结构为“T_全天候电磁环境监测系统ID_监测年份S季度”。

数据分区设计方便后台系统应用模块对监测数据库使用并行操作，以充分调数据库计算资源，加快数据检索和处理速度。此外，数据分区设计也减轻了数据库表的访问压力，通过按照时间与季度存取数据，可把单表记录数限制在百十万级以内，防止因监测数据膨胀导致的数据库存取性能急剧下降的问题出现。

(2)监测数据查询服务

监测数据查询服务核心功能主要包括：

1)输入参数处理

在进行监测数据历史查询时，会向监测数据查询服务的查询算法传递六个参数，包括层次类型，层次ID、查询起始和结束时间、页码和页数。

监测数据查询服务接收到输入参数后，根据层次的类型去确定目标层次，然后根据层次ID确定目标层次中的具体节点。根据确定的节点，通过无限递归的方式在数据库中取得所有归属于此节点的全天候电磁环境监测系统。

同时，监测数据查询服务会对查询的起始和结束时间所表示的时间区间进行季度化处理，将时间区间划分为由多个季度表示的季度集合。

在得到全天候电磁环境监测系统集合和季度集合后，监测数据查询服务将两者综合为全天候电磁环境监测系统-季度集合，此集合将被作为算法的最终输入参数使用。

2)获得数据条数集合

为了实现监测历史数据查询的分页功能，监测数据查询服务需要确定目标数据库表的数据条数，用以确定分页时需要抽取的数据库表。

为了节省与数据库频繁连接造成的资源浪费，降低请求-响应时间，采用在数据库端进行编程来实现获取数据条数的功能。通过编写相应的存储过程，只需传入全天候电磁环境监测系统数据-季度集合，数据库就会根据存储过程的算法，通过对全天候电磁环境监测系统数据-季度集合的各个参数对应的表的数据条数进行统计，对统计结果进行汇总后，即可返回所需各数据表的数据条数的集合。

3)数据分页算法

在数据分页算法中，监测数据查询服务会根据页码和页数确定需要查找的数据位置，然后根据数据表数据条数集合，通过一系列的数学算法，确定所需数据存在于哪些表中，最后从数据库的这些目标表中取出目标数据即可。

数据缓存

为了提高实时数据交互的效率，建立数据缓存，集中存储网省公司下所有全天候电磁环境监测系统最新的监测信息。数据缓存使用数据字典的设计方式，使用全天候电磁环境监测系统的ID，数据字典的值为标准监测基类。数据缓存的管理工作由数据缓存服务负责进行，使用文件锁保证并发和多线程访问。

当向数据缓存中添加和更新全天候电磁环境监测系统信息时，具体的监测类先经过装箱操作，系统访问实时监测信息时，根据数据字典的ID确定监测信息对应的监测类，然后经过拆箱操作，将监测基类还原为对应的具体的监测类。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：包括数据通信模块、中心控制模块、参数采集单元和数据库，其中：所述参数采集单元至少包括工频电场传感器和工频磁场传感器，采集监测区域的电场和磁场信息，信息处理模块对采集的信息进行放大、滤波、交直流信号转换处理后传输给中心控制模块，所述中心控制模块对处理后的信号进行显示，并打包通过数据通信模块传输给数据库进行存储；

所述数据通信模块包括光纤传输通道、蓝牙传输通道，所述中心控制模块包括单片机、心跳狗和复位狗，心跳狗和复位狗实现对光纤传输通道、蓝牙传输通道的信号检测、指令控制，当光纤传输通道正常工作时，心跳狗检测光纤通信心跳，一旦光纤信号中断时，心跳狗异常报警，单片机接收光纤传输通道异常指令后向蓝牙通信模块发送启动指令，蓝牙传输通道投入使用，心跳狗检测蓝牙通信心跳；当光纤传输通道恢复时，复位狗工作，解除蓝牙传输通道工作，光纤通信通道正常运行，自此实现光纤—蓝牙—光纤通信模式的动态切换。

2.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：

所述中心控制模块将工频电场模拟信号的有效值和工频磁场模拟信号的有效值进行模数转换分别生成对应的工频电场数字信号和工频磁场数字信号传输到光纤传输通道，光纤传输通道将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通过光纤传输给远端分析显示装置。

3.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：当光纤传输通道出现故障后，中心控制模块控制切换模块将光纤模块断开，并接通蓝牙传输通道，蓝牙传输通道将工频电场数字信号和工频磁场数字信号通传输给远端分析显示装置。

4.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述数据通信模块将接收到的信号发送至数据处理与分析单元，实现信号的解析、脏数据剔除、校验，为数据实时展示单元提供可靠、实时的监测数据。

5.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述数据通信模块以光纤传输通道为主、蓝牙传输通道为冷备用。

6.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述工频电场传感器将电场探头制作到PCB印制电路板上，选择一对圆铜焊盘作为平行板，利用中间的环氧树脂作为绝缘材料，工频电场的信号处理电路包括依次相连的滤波电路、交直流转换电路、放大电路和AD转换电路，滤波电路滤除电场信号中的高频部分和低频部分，将工频信号保留，交直流转换电路将工频信号转换为直流信号，再利用放大电路和AD转换电路进行放大电路和AD转换。

7.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述工频磁场传感器包括三路采集电路，采集XYZ三个方向的磁场，工频磁场的信号处理电路包括依次相连的磁场复位置位电路、真有效值转换电路、放大电路和AD转换电路，所述磁场复位置位电路产生置位/复位脉冲作用在工频磁场传感器的电流带上，大电流产生一个强大磁场，将随机排列的磁畴重新排列，校正到同一个方向上，并通过真有效值转换电路、放大电路和AD转换电路得到磁场有效值。

8.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述光纤传输通道包括依次相连的调制器、光驱动器、光源、光电检测器、放大器和解调器，输入信号注入调制器，调制器将信号进行电信号的调制处理，然后将调制处理后的信号驱动放大，转换成信号电流，以此驱动光源，完成电信号到光信号的转换，然后将此光信号耦合到光纤介质中；在接收端，光电检测器对光纤介质中的光信号检波，以此将光信号转换还原成电信号，然后再经过放大电路对信号传输过程中的损耗进行补偿，最后对信号进行解调输出，以此完成整个光纤传输系统的信号传输过程。

9.如权利要求1所述的一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测系统，其特征是：所述蓝牙传输通道采用分布式网络，网络中每个移动终端的地位平等，并独立进行分组转发的决策。

10.一种基于信道冗余的动态切换电磁环境实时监测方法，其特征是：采集工频电场和磁场模拟信号，对信号进行放大、滤波和交直流信号转换，调理过的信号进行打包，读取光纤传输通道、蓝牙传输通道的状态，当光纤传输通道的信号中断时，向蓝牙传输通道发送启动指令，蓝牙通道投入使用，检测蓝牙通信心跳；当光纤传输通道恢复时，解除蓝牙传输通道的工作，光纤通信通道正常运行，自此实现光纤和蓝牙冗余信道的通信模式的动态切换；

当接收到监测数据后，将数据放入一个Byte数组中，判断数组的第一个字节是否为0XFA，如果不是0XFA，则不进行后续操作，如果接收首字节为0XFA，进行下一步流程CRC校验；若CRC校验正确，则接收数据与监测系统数据一致，进行下一步数据的解包，否则不进行后续操作，解包的数据通过拆分、计算、校准后更新到信息展示页面，实现数据的实时化展示。