2024年6月11日发(作者：登雅韶)

基于图像处理的输电线路巡检系统设计

发布时间：2021-09-07T03:28:55.140Z 来源：《福光技术》2021年10期 作者： 王浩港

[导读] 本文的硬件设计是将图像处理技术和无人机技术结合起来，实现对输电线更好的检测。

国网山西省电力公司浑源县供电公司 山西浑源 037400

摘要：无人机在巡检过程中，无人机携带的CCD 摄像头会采集到大量的输电线的图像，再通过故障检测模块输电线中的断股故障

提取识别出来并将输电线状态信息通过基站传回终端。基于图像处理的输电线巡检系统不仅能提高对输电线巡检效率和故障检测精度而且

也克服人工巡检 所面临的种种困难，提高了工作人员进行输电线巡检的安全性和检测的准确性。

关键词：图像处理；输电线路；巡检系统；设计

1输电线路巡检管理工作的现状

电力线路是我国电力系统的重要组成部分，电路线路的工作状况对电力系统的供电能力具有重要的影响，因此要建立电力巡检管理系

统以确保电力线路和附属设备能够正常工作，一旦发生故障要立即进 行处理。目前，我国输电线路的巡检管理工作还处于初级发展阶段，

输电线路巡检的效率较低，与发达国家的相关技术水平存在较大的差 异，因此要加快信息化技术在输电线路巡检管理工作中的普及速度。

核心策略就是发展基于信息化技术的智能巡检管理系统来解决传统巡检工作中的漏检、错检问题，确保电力线路能够稳定运行

2基于图像处理的输电线路巡检系统设计

2.1系统设计方案

本文的硬件设计是将图像处理技术和无人机技术结合起来，实现对输电线更好的检测。通过无人机搭载 CDD 摄像头和 DSP 处理器，

无人机飞到输电线附近进行拍摄，然后对输电线图像中的输电线进行 提取并对断股故障进行识别，最后经过 GPRS 网络将输电线是否出现

断股的状态信息，传递给控制中心。断股故障检测端是通过图像传感 器对输电线进行图像采集，再将 CCD 摄像头采集的输电线图像信息

输入到处理器中，处理器对输电线进行定位并对检测断股故障出现与 否，如果有断股出现则通过 GPRS 模块将断股信息传递给控制中心，

工作人员可以根据断股信息进一步确认断股情况，并根据提供的断股 位置进行抢修。基于图像处理的输电线巡检系统包括图像采集和断股

检测模块、无线通信模块和服务器管理端。1）输电线图像采集。无 人机飞行时会产生抖动，会影响 CCD 摄像头采集到的图像质量。因

此，需要选择抗震性能好的 CCD 摄像头。此外，对 CCD 摄像头有重量轻、性能稳定、功耗小和寿命长等要求。2）断股故障检测模块。

整个系统的核心部分是断股故障检测模块，断股故障检测模块先对图 像传感器采集到的图像进行断股识别，再利用 GPRS 通信模块向控制

中心发生信号。断股检测模块采用 TMS320DM8127Davinci 处理器， TMS320DM8127Davinci 处理器在传统的 ARM+DSP 的架构上加入了

Cortex-M3 子系统。其中Cortex-M3 子系统包括成像子系统和高清视频图像处理器两个部分，为视频编解码提供硬件加速功能。DM8127 采

用的低功耗的浮点型TMS320C674xDSP，处理速度高达 456MHz，满足本系统的图像处理要求。3）无线通信模块。无线通信技术有

WIFI、蓝牙、GPRS 和 ZIGBEE，由于本系统需要在野外工作且无人机与控制中心距离较远，因此采用 GPRS 通信技术而不使用其他通信方

式。GPRS 通信方式能够远距离通信、实时性和高速传输图像信息的优点， 可以满足本系统的对输电线图像数据传输要求。4）服务器管理

端。其 主要用于监控无人机的运行状况，并对无人机发送控制指令，命令断 股检测终端执行相应的工作；根据上报的信息，检测到断股故

障时就 报告给工作人员。

2.2巡检系统的硬件设计

根据上述系统架构可行性分析，本文设计的基于图像处理的输电线巡检系统按功能分为对高压输电线进行图像采集的图像采集模块、

对采集到的输电线图像进行编码的视频编码模块、对输电线进行提取 并对断股进行识别的断股处理模块、负责对系统进行控制的控制模块

和负责整个系统进行通信的通信模块五个部分。

2.2.1断股故障检测模块的硬件设计

断股故障检测模块由图像传感器、TMS320DM8127Davinci 处理器、GPRS 和一些外围电路组成。TMS320DM8127Davinci 处理器是一

款高集成、可编成的高性能处理器，能够满足系统的控制和图像处理 功能需要。硬件系统将 TI 的高性能异构多核 SoC 片 TMS320DM8127

作为主芯片。与传统的单核 DSP 及 DSP+ARM 异构多核结构的芯片相比较，TMS320DM8127 芯片内部集成了多种类型处理器，包含有主

频1GHz 的 ARMCortex-A8 处理器， 主频 700MHz 的 C674x 浮点 DSP， 图像处理子系统（ISS）、主频为 600MHz 高清视频影像协处理器

(HDVICP) 以及 Cortex-M3 核负责的高清视频处理子系统 (HDVPSS)。TMS320DM8127 芯片拥有丰富的内部功能资源，能够为断股检测模块

提供足够的功能支持。其中 ARMCortex-A8 处理器是芯片系统的控制核心，也是摄像头的大脑。Cortex-A8 是一种多任务，宽流水，低

功耗的处理器，采用了 ARMv7 架构。Thum-2 技术的使用，使得芯片性能更高，功耗更低；同时 NEON 信号处理扩展集的应用加速多媒体

和信号处理算法（如视频编码/ 解码、图像处理技术等）。集成的 C674x 浮点型 DSP，主频可以达到 1.0GHz，拥有 32KB 的 L1P 缓存、

32KBL1D 缓存和 256KBL2 缓存。ARM 和 DSP 可以直接相互访问片内存储器。共享 DDR 和 AEMIF。所以 ARM 只需传递需要处理的数据

地址指针给 DSP，而无需大块的数据搬移。本文系统所选用的 DDR3SDRAM 为Hynix 公司的 H5TQ2G63BFR，其容量为 2Gb，数据位宽为

16bit。处理器平台两个 DDR 控制器分别扩展 2 片 DDR3SDRAM，连接信号包括数据信号、地址信号、时钟信号、控制信号、片选信号、

复位信号 等，实现 32 位宽、容量 4Gb 的内存。Flash 存储器主要有 Nor Flash 和NAND Flash 两种类。两者的区别主要是：NOR Flash 的地

址、数据引脚是单独的，而 NAND Flash 是复用地址、数据引脚；Nor Flash 由于其读取方便 ( 地址、数据引脚分开 )，程序可直接在 Flash

中运行，可以保存引导程序，而NAND Flash 由于其地址、数据引脚是复用的，读取方式复杂，不能直接运行软件程序；NOR Flash 的写入

速度较慢，而 NAND Flash 的写入速度相对快；NAND Flash 性价比比 NOR Flash 高。本课题采用的是 NAND Flash。TMS320DM8127 芯片

的通用存储器控制接口 GPMC 能够使主芯片和 NAND Flash 芯片无缝连接。

2.2.2图像采集和编码模块的硬件设计

由于无人机飞行过程中会受到外力的影响，在拍摄输电线时产生抖动，将影响到采集图像的质量，因此需要采用抗震性能好的图像传

感。 为减小无人机的负担，CCD 摄像头需要拥有性能稳定、体积小、重量轻、功耗小的特点。本设计的视频解码是通过 TVP5150 视频解

码芯片来实现解码功能的，它功耗低，可以对 NTSC/SECAM/PAL 等多种格式的视频进行解码，功能多，性能好满足本设计的要求。CCD

摄像头给 DSP 传递的视频信号是模拟信号，将会由 TVP5150 视频解码芯片进行解码转换成 BT.656 视频数据流，再传到 DM8127 芯片的视

频端口以便其进行处理。视频端口再把输电线视频信息数据解码成YUV 格式的视频图像进行保持。最后，ARM 和DSP 再对视频端口储存

的视频数据进行处理。BT.656 视频数据传输到 DM8127 芯片的视频端口时，Video-M3 处理器核就会对视频数据进行再编码。Video-M3 处

理器核负责图像采集和图像格式转换的工作。Video-M3 处理器核是由成像子系统（ISS）和高清视频处理子系统（HDVPSS）组成的。其中

成像子系统与 CCD 摄像头直接相连，用来处理图像传感器传输过来的视频数据，成像子系统包括对图像尺寸进行缩放的模块，可以支持图

片从 1/16x 到 8x 的尺寸大小调节。在本系统中，HDVPSS 主要负责将采集到的RAW 格式图像直接转换成 YUV 格式图像。

2.2.3无线通信模块的硬件设计

由于本文设计的系统需要在野外工作，进行长距离通信，因此本系统选用接入广泛、可实时在线的 GPRS 通信技术。本系统选择 SIM

Com 公司出售的产品 SIM9000 通信模块来进行信息传输，GPRS 模块通过串口与 TMS320DM8127 连接，以执行终端上的上行和下行是数

据传输功能，运用 SOCKET 通信方式。

3结束语

本文给出了基于图像处理的输电线路巡检系统硬件设计。主要对基于图像处理的输电线路巡检系统中的各个模块的硬件设计进行介

绍。 介绍了基于图像处理的输电线路巡检系统各个模块硬件设计包括、基于 CCD 摄像头的图像采集 模块、视频编码模块、断股检测模块

以及GPRS 通信模块的主要功能和硬件设计，以及它们之间交互的原理。

参考文献

[1]梁介众 , 张孝祖 , 张霖嘉 . 智能巡检管理系统在输电线路运维中的应用分析[J]. 电子元器件与信息技术,2020,4(1):103-104.

[2]郭文诚 , 崔昊杨 , 马宏伟 , 霍思佳 , 葛晨航 . 基于改进 Radon 变换法的电力设备倾斜像校正研究[J]. 物联网技术,2019,9(04):63-66.

2024年6月11日发(作者：登雅韶)

基于图像处理的输电线路巡检系统设计

发布时间：2021-09-07T03:28:55.140Z 来源：《福光技术》2021年10期 作者： 王浩港

[导读] 本文的硬件设计是将图像处理技术和无人机技术结合起来，实现对输电线更好的检测。

国网山西省电力公司浑源县供电公司 山西浑源 037400

摘要：无人机在巡检过程中，无人机携带的CCD 摄像头会采集到大量的输电线的图像，再通过故障检测模块输电线中的断股故障

提取识别出来并将输电线状态信息通过基站传回终端。基于图像处理的输电线巡检系统不仅能提高对输电线巡检效率和故障检测精度而且

也克服人工巡检 所面临的种种困难，提高了工作人员进行输电线巡检的安全性和检测的准确性。

关键词：图像处理；输电线路；巡检系统；设计

1输电线路巡检管理工作的现状

电力线路是我国电力系统的重要组成部分，电路线路的工作状况对电力系统的供电能力具有重要的影响，因此要建立电力巡检管理系

统以确保电力线路和附属设备能够正常工作，一旦发生故障要立即进 行处理。目前，我国输电线路的巡检管理工作还处于初级发展阶段，

输电线路巡检的效率较低，与发达国家的相关技术水平存在较大的差 异，因此要加快信息化技术在输电线路巡检管理工作中的普及速度。

核心策略就是发展基于信息化技术的智能巡检管理系统来解决传统巡检工作中的漏检、错检问题，确保电力线路能够稳定运行

2基于图像处理的输电线路巡检系统设计

2.1系统设计方案

本文的硬件设计是将图像处理技术和无人机技术结合起来，实现对输电线更好的检测。通过无人机搭载 CDD 摄像头和 DSP 处理器，

无人机飞到输电线附近进行拍摄，然后对输电线图像中的输电线进行 提取并对断股故障进行识别，最后经过 GPRS 网络将输电线是否出现

断股的状态信息，传递给控制中心。断股故障检测端是通过图像传感 器对输电线进行图像采集，再将 CCD 摄像头采集的输电线图像信息

输入到处理器中，处理器对输电线进行定位并对检测断股故障出现与 否，如果有断股出现则通过 GPRS 模块将断股信息传递给控制中心，

工作人员可以根据断股信息进一步确认断股情况，并根据提供的断股 位置进行抢修。基于图像处理的输电线巡检系统包括图像采集和断股

检测模块、无线通信模块和服务器管理端。1）输电线图像采集。无 人机飞行时会产生抖动，会影响 CCD 摄像头采集到的图像质量。因

此，需要选择抗震性能好的 CCD 摄像头。此外，对 CCD 摄像头有重量轻、性能稳定、功耗小和寿命长等要求。2）断股故障检测模块。

整个系统的核心部分是断股故障检测模块，断股故障检测模块先对图 像传感器采集到的图像进行断股识别，再利用 GPRS 通信模块向控制

中心发生信号。断股检测模块采用 TMS320DM8127Davinci 处理器， TMS320DM8127Davinci 处理器在传统的 ARM+DSP 的架构上加入了

Cortex-M3 子系统。其中Cortex-M3 子系统包括成像子系统和高清视频图像处理器两个部分，为视频编解码提供硬件加速功能。DM8127 采

用的低功耗的浮点型TMS320C674xDSP，处理速度高达 456MHz，满足本系统的图像处理要求。3）无线通信模块。无线通信技术有

WIFI、蓝牙、GPRS 和 ZIGBEE，由于本系统需要在野外工作且无人机与控制中心距离较远，因此采用 GPRS 通信技术而不使用其他通信方

式。GPRS 通信方式能够远距离通信、实时性和高速传输图像信息的优点， 可以满足本系统的对输电线图像数据传输要求。4）服务器管理

端。其 主要用于监控无人机的运行状况，并对无人机发送控制指令，命令断 股检测终端执行相应的工作；根据上报的信息，检测到断股故

障时就 报告给工作人员。

2.2巡检系统的硬件设计

根据上述系统架构可行性分析，本文设计的基于图像处理的输电线巡检系统按功能分为对高压输电线进行图像采集的图像采集模块、

对采集到的输电线图像进行编码的视频编码模块、对输电线进行提取 并对断股进行识别的断股处理模块、负责对系统进行控制的控制模块

和负责整个系统进行通信的通信模块五个部分。

2.2.1断股故障检测模块的硬件设计

断股故障检测模块由图像传感器、TMS320DM8127Davinci 处理器、GPRS 和一些外围电路组成。TMS320DM8127Davinci 处理器是一

款高集成、可编成的高性能处理器，能够满足系统的控制和图像处理 功能需要。硬件系统将 TI 的高性能异构多核 SoC 片 TMS320DM8127

作为主芯片。与传统的单核 DSP 及 DSP+ARM 异构多核结构的芯片相比较，TMS320DM8127 芯片内部集成了多种类型处理器，包含有主

频1GHz 的 ARMCortex-A8 处理器， 主频 700MHz 的 C674x 浮点 DSP， 图像处理子系统（ISS）、主频为 600MHz 高清视频影像协处理器

(HDVICP) 以及 Cortex-M3 核负责的高清视频处理子系统 (HDVPSS)。TMS320DM8127 芯片拥有丰富的内部功能资源，能够为断股检测模块

提供足够的功能支持。其中 ARMCortex-A8 处理器是芯片系统的控制核心，也是摄像头的大脑。Cortex-A8 是一种多任务，宽流水，低

功耗的处理器，采用了 ARMv7 架构。Thum-2 技术的使用，使得芯片性能更高，功耗更低；同时 NEON 信号处理扩展集的应用加速多媒体

和信号处理算法（如视频编码/ 解码、图像处理技术等）。集成的 C674x 浮点型 DSP，主频可以达到 1.0GHz，拥有 32KB 的 L1P 缓存、

32KBL1D 缓存和 256KBL2 缓存。ARM 和 DSP 可以直接相互访问片内存储器。共享 DDR 和 AEMIF。所以 ARM 只需传递需要处理的数据

地址指针给 DSP，而无需大块的数据搬移。本文系统所选用的 DDR3SDRAM 为Hynix 公司的 H5TQ2G63BFR，其容量为 2Gb，数据位宽为

16bit。处理器平台两个 DDR 控制器分别扩展 2 片 DDR3SDRAM，连接信号包括数据信号、地址信号、时钟信号、控制信号、片选信号、

复位信号 等，实现 32 位宽、容量 4Gb 的内存。Flash 存储器主要有 Nor Flash 和NAND Flash 两种类。两者的区别主要是：NOR Flash 的地

址、数据引脚是单独的，而 NAND Flash 是复用地址、数据引脚；Nor Flash 由于其读取方便 ( 地址、数据引脚分开 )，程序可直接在 Flash

中运行，可以保存引导程序，而NAND Flash 由于其地址、数据引脚是复用的，读取方式复杂，不能直接运行软件程序；NOR Flash 的写入

速度较慢，而 NAND Flash 的写入速度相对快；NAND Flash 性价比比 NOR Flash 高。本课题采用的是 NAND Flash。TMS320DM8127 芯片

的通用存储器控制接口 GPMC 能够使主芯片和 NAND Flash 芯片无缝连接。

2.2.2图像采集和编码模块的硬件设计

由于无人机飞行过程中会受到外力的影响，在拍摄输电线时产生抖动，将影响到采集图像的质量，因此需要采用抗震性能好的图像传

感。 为减小无人机的负担，CCD 摄像头需要拥有性能稳定、体积小、重量轻、功耗小的特点。本设计的视频解码是通过 TVP5150 视频解

码芯片来实现解码功能的，它功耗低，可以对 NTSC/SECAM/PAL 等多种格式的视频进行解码，功能多，性能好满足本设计的要求。CCD

摄像头给 DSP 传递的视频信号是模拟信号，将会由 TVP5150 视频解码芯片进行解码转换成 BT.656 视频数据流，再传到 DM8127 芯片的视

频端口以便其进行处理。视频端口再把输电线视频信息数据解码成YUV 格式的视频图像进行保持。最后，ARM 和DSP 再对视频端口储存

的视频数据进行处理。BT.656 视频数据传输到 DM8127 芯片的视频端口时，Video-M3 处理器核就会对视频数据进行再编码。Video-M3 处

理器核负责图像采集和图像格式转换的工作。Video-M3 处理器核是由成像子系统（ISS）和高清视频处理子系统（HDVPSS）组成的。其中

成像子系统与 CCD 摄像头直接相连，用来处理图像传感器传输过来的视频数据，成像子系统包括对图像尺寸进行缩放的模块，可以支持图

片从 1/16x 到 8x 的尺寸大小调节。在本系统中，HDVPSS 主要负责将采集到的RAW 格式图像直接转换成 YUV 格式图像。

2.2.3无线通信模块的硬件设计

由于本文设计的系统需要在野外工作，进行长距离通信，因此本系统选用接入广泛、可实时在线的 GPRS 通信技术。本系统选择 SIM

Com 公司出售的产品 SIM9000 通信模块来进行信息传输，GPRS 模块通过串口与 TMS320DM8127 连接，以执行终端上的上行和下行是数

据传输功能，运用 SOCKET 通信方式。

3结束语

本文给出了基于图像处理的输电线路巡检系统硬件设计。主要对基于图像处理的输电线路巡检系统中的各个模块的硬件设计进行介

绍。 介绍了基于图像处理的输电线路巡检系统各个模块硬件设计包括、基于 CCD 摄像头的图像采集 模块、视频编码模块、断股检测模块

以及GPRS 通信模块的主要功能和硬件设计，以及它们之间交互的原理。

参考文献

[1]梁介众 , 张孝祖 , 张霖嘉 . 智能巡检管理系统在输电线路运维中的应用分析[J]. 电子元器件与信息技术,2020,4(1):103-104.

[2]郭文诚 , 崔昊杨 , 马宏伟 , 霍思佳 , 葛晨航 . 基于改进 Radon 变换法的电力设备倾斜像校正研究[J]. 物联网技术,2019,9(04):63-66.