熊躍軍，黃 爽，楊 育，劉 勇，劉蒙瑞，鄧 黠

（1.長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022；2.星漢時(shí)空科技（長(zhǎng)沙）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410003）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力、通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積越來(lái)越廣，電力輸電線(xiàn)路和通信線(xiàn)路中大量使用了鐵塔，如高壓輸電線(xiàn)鐵塔、通信基站鐵塔等。鐵塔在電力輸電線(xiàn)路與通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋中起到了重要作用［1］。但是，由于一些自然災(zāi)害（如雨雪、大風(fēng)等）以及煤礦開(kāi)采、工程施工、人為破壞等，塔體傾斜的情況時(shí)有發(fā)生。塔體傾斜經(jīng)常會(huì)造成輸電線(xiàn)路和通信網(wǎng)絡(luò)中斷，嚴(yán)重的將引起倒塌事件。這些都將對(duì)輸電網(wǎng)的安全運(yùn)行和通信網(wǎng)的正常工作造成極大威脅，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失［2］。因此對(duì)桿塔的實(shí)時(shí)傾斜形變監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

桿塔監(jiān)測(cè)目前還是以人工巡檢為主，無(wú)人機(jī)巡檢為輔。這些方法浪費(fèi)大量的人力，且基本上很難實(shí)現(xiàn)預(yù)警，只能做到事后報(bào)告，而且報(bào)告存在不及時(shí)的情況，給生產(chǎn)和生活造成較大的影響［3］?；诖诵枨?，本文提出了一種無(wú)人值守，并能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警功能的桿塔傾斜與形變監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于電力或者通信等桿塔的傾斜與形變監(jiān)測(cè)，基于北斗短報(bào)文、RTK以及一系列傳感器所獲取的桿塔的傾斜和形變等數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的預(yù)警和告警閾值時(shí)，立即向平臺(tái)發(fā)送預(yù)警和告警信息，以便及時(shí)響應(yīng)，進(jìn)行維護(hù)與維修。該設(shè)備主要依靠太陽(yáng)能板對(duì)內(nèi)部主電池充電，內(nèi)部主電池提供系統(tǒng)的工作用電，同時(shí)設(shè)備另外自帶備用電池應(yīng)對(duì)極端惡劣天氣下的供電問(wèn)題。產(chǎn)品的可靠性要達(dá)到戶(hù)外工業(yè)等級(jí)要求，并符合電力系統(tǒng)EMC測(cè)試要求，能持續(xù)穩(wěn)定和可靠地工作。

1 系統(tǒng)功能概述

北斗桿塔傾斜形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能供電，內(nèi)部集成了氣象傳感器、應(yīng)力傳感器、北斗RTK模塊和傾角傳感器等多種高精度傳感器，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整合、分析和上傳，在服務(wù)器端加以識(shí)別和判斷桿塔的狀態(tài)。該設(shè)備由微處理器通過(guò)傾斜檢測(cè)模塊獲取塔體傾斜數(shù)據(jù)，通過(guò)RTK定位模塊獲取塔體高精度定位信息，通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)模塊采集風(fēng)向、風(fēng)速和雨量等數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)力檢測(cè)模塊集中對(duì)塔體或者塔基受力變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取的各類(lèi)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在本地儲(chǔ)存模塊中，而關(guān)鍵數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)安全加密后通過(guò)4G或者北斗短報(bào)文方式上傳至服務(wù)器端，微處理器上傳的數(shù)據(jù)可以在云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)塔體傾斜預(yù)警，便于維修人員進(jìn)行預(yù)判和維修。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接框

2 硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)備主要是由RTK定位模塊、傾斜檢測(cè)模塊、氣象監(jiān)測(cè)模塊、應(yīng)力檢測(cè)模塊、移動(dòng)通信模塊以及太陽(yáng)能板等組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置信息、氣候環(huán)境、塔體形變與傾斜等數(shù)據(jù)的采集、整合、分析與上傳。由于該設(shè)備用于塔體，無(wú)法直接通過(guò)市電等進(jìn)行供電，因此在設(shè)計(jì)時(shí)便對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行低功耗處理，比如，選擇的處理器支持低功耗，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析等；在RTK定位模塊、傾斜檢測(cè)模塊、氣象監(jiān)測(cè)模塊、應(yīng)力檢測(cè)模塊和移動(dòng)通信模塊等不需要采集相應(yīng)數(shù)據(jù)的情況下，處理器需要對(duì)其進(jìn)行電源管理，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊較低功耗工作，從而實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。根據(jù)調(diào)查，鐵塔部分是高壓甚至超高壓傳輸電力線(xiàn)，輸電線(xiàn)周?chē)嬖趶?fù)雜的電磁環(huán)境，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，比如，處理器以及各個(gè)模塊在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種不同的發(fā)散電磁干擾，為了使電磁干擾在源頭上有所減小，采用多層印制板，并且配合適當(dāng)?shù)膶盈B結(jié)構(gòu)，在最大程度上減少電磁干擾的發(fā)散，同時(shí)搭配屏蔽盒使用，以使得該設(shè)備在較復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)不干擾外界環(huán)境。

主控是設(shè)備核心模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和上傳等，同時(shí)協(xié)調(diào)控制各模塊的數(shù)據(jù)采集、整合等工作，為此采用市面上大量使用的意法半導(dǎo)體公司低功耗處理器。該處理器開(kāi)發(fā)周期短、性能強(qiáng)、性?xún)r(jià)比較高、方便硬件裁剪，搭配RTK定位模塊、傾斜檢測(cè)模塊、氣象監(jiān)測(cè)模塊、應(yīng)力檢測(cè)模塊、本地存儲(chǔ)模塊、安全加密模塊、移動(dòng)通信模塊以及太陽(yáng)能板等以實(shí)現(xiàn)塔體數(shù)據(jù)采集與上傳［2］。

為了實(shí)現(xiàn)較高精度定位的需求，便于檢測(cè)與維修人員準(zhǔn)確定位相應(yīng)塔體的位置，本設(shè)備采用了RTK定位技術(shù)，同時(shí)為了降低開(kāi)發(fā)周期和難度，選擇了市面上較為常用的RTK定位模塊，該模塊通過(guò)串口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，處理器只需通過(guò)獲取RTK定位模塊的經(jīng)緯度以及高程數(shù)據(jù)，即可獲取塔體的地理位置信息。此外，該模塊支持BDS、GPS和GLONASS全球定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域信號(hào)覆蓋。

傾斜檢測(cè)模塊用于檢測(cè)塔體傾斜程度，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后采用了傾角傳感器，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度傾斜角度的采集，同時(shí)為了進(jìn)一步提高采集精度，該設(shè)計(jì)采用了雙軸傾角傳感器，且自帶溫度補(bǔ)償，使精度得到進(jìn)一步提升，采集精度達(dá)到0.01°，完全滿(mǎn)足測(cè)量的要求。

為了實(shí)現(xiàn)塔體傾斜無(wú)人監(jiān)測(cè)，處理器將各個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)4G模塊（移動(dòng)通信模塊）上傳到云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)真正無(wú)人監(jiān)測(cè)。4G信號(hào)在國(guó)內(nèi)廣泛覆蓋，且有較多的用戶(hù)，在短時(shí)間內(nèi)信號(hào)體制不會(huì)廢除，保障了較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)4G模塊的正常使用。本文采用的是移遠(yuǎn)的4G模塊EC20，在穩(wěn)定性和可靠性以及EMC方面經(jīng)受過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。

經(jīng)過(guò)實(shí)地考察得知，塔體所在地有時(shí)是陰天，為了使設(shè)備在無(wú)光照（即連續(xù)數(shù)天陰天），且蓄電池電量已經(jīng)用完的情況下仍能正常工作，在設(shè)備中加入了備用電池，使設(shè)備的續(xù)航能力進(jìn)一步提升。由于移動(dòng)通信模塊和北斗短報(bào)文模塊在發(fā)射的瞬間有較大的電流，這就要求電池有較大的放電能力，為此選擇一種可以重復(fù)充電的鋰電池，同時(shí)搭配相應(yīng)的電源管理模塊，使鋰電池有較長(zhǎng)的工作時(shí)間。

為應(yīng)對(duì)桿塔傾斜和形變帶來(lái)的受力變化，設(shè)計(jì)了應(yīng)力傳感器。應(yīng)力傳感器采用振弦式應(yīng)力傳感器，性能穩(wěn)定，可靠性好。固定在塔體或者塔基上的應(yīng)力傳感器在感應(yīng)到塔體有異常受力變化時(shí)，會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)的形變數(shù)據(jù)，云平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值變化曲線(xiàn)，維修人員根據(jù)此數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)判斷是否進(jìn)行實(shí)地觀察和維修［4］。

為了監(jiān)測(cè)塔體所在地的自然氣象數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)速、雨量、光照強(qiáng)度等自然信息，便于工作人員實(shí)時(shí)了解塔體周?chē)h(huán)境，在此設(shè)備中設(shè)計(jì)了氣象傳感器的應(yīng)用，處理器將氣象傳感器采集的氣象數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，給工作人員提供對(duì)塔體進(jìn)行維護(hù)、檢修、除冰等工作的依據(jù)。

本文考慮到設(shè)備安裝的部分地理位置特殊，比如在大山深處等沒(méi)有通信信號(hào)覆蓋的地方，在設(shè)計(jì)之初就考慮到在某一些地區(qū)可能搜索不到4G/3G/2G信號(hào)（地震災(zāi)害過(guò)后通信基站遭到破壞或者野外無(wú)人區(qū)、海洋等移動(dòng)信號(hào)未覆蓋的地區(qū)），設(shè)備采集到的信息無(wú)法通過(guò)移動(dòng)通信手段發(fā)送出去。北斗短報(bào)文是一種直接和衛(wèi)星通信的通信手段，基本是全覆蓋的，這樣將北斗短報(bào)文與該設(shè)備進(jìn)行融合，兩者通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)情況下的通信功能［5］。另外考慮到設(shè)備安裝的特殊位置，在4G模塊無(wú)法正常工作的情況下，檢修人員爬上鐵塔檢修設(shè)備不方便，且相關(guān)費(fèi)用較高。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)現(xiàn)在塔下故障信息讀取、判斷，方便檢修人員確定設(shè)備問(wèn)題，同時(shí)為后期軟件升級(jí)提供了方案。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求，桿塔傾斜監(jiān)測(cè)模組軟件采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是硬件驅(qū)動(dòng)層、功能模塊層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層。軟件總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

硬件驅(qū)動(dòng)層主要是對(duì)各個(gè)外設(shè)模塊硬件與主控MCU（微處理器）連接的接口進(jìn)行初始化，尤其是各種傳感器數(shù)據(jù)的獲取，方便功能模塊層實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)。

圖2 軟件總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

功能模塊層主要是對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行進(jìn)一步的功能封裝，通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的基本功能，為上層業(yè)務(wù)邏輯層提供相應(yīng)的APⅠ。

氣象傳感器組成包括光照度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、溫濕度傳感器。氣象傳感器統(tǒng)一采用RS485接口與MCU進(jìn)行通信。當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)氣象傳感器模塊的電源，等待數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉氣象傳感器模塊的電源，以此降低系統(tǒng)功耗。RTK模塊采用串口與MCU進(jìn)行通信，模塊在接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)RTK模塊的電源，等待模塊數(shù)據(jù)接收、解析及處理完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉該模塊的電源，以此降低系統(tǒng)功耗。EC20通信模塊采用串口與MCU進(jìn)行通信，當(dāng)EC20初始化時(shí)，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)該模塊的電源，等待EC20初始化和數(shù)據(jù)通信完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉該模塊的電源，來(lái)降低系統(tǒng)功耗。

業(yè)務(wù)邏輯層主要分為傳輸、采集、存儲(chǔ)、預(yù)警四個(gè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、上傳以及監(jiān)測(cè)，并及時(shí)提供預(yù)警信息，便于監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，進(jìn)行維修。

應(yīng)用層程序采用高時(shí)效性的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由主程序創(chuàng)建相關(guān)業(yè)務(wù)線(xiàn)程，通過(guò)線(xiàn)程調(diào)度器對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，在不丟失性能的情況下保證每個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。

鑒于該終端是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，本文采用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MQTT是一個(gè)由ⅠBM主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布、訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試

本文對(duì)主要傳感器RTK數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，RTK的結(jié)果數(shù)據(jù)（如下圖3、4、5、6）表明，設(shè)計(jì)最終能夠達(dá)到高精度的應(yīng)用，進(jìn)而可以用來(lái)監(jiān)測(cè)桿塔傾斜和形變，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，完全達(dá)到了厘米級(jí)的測(cè)量精度。

傾角傳感器通過(guò)計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，不同傾角測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出傾角傳感器精度在一定范圍內(nèi)接近0.01°的測(cè)量準(zhǔn)確度。同一傾角多次測(cè)量的穩(wěn)定度較好，數(shù)據(jù)如表2所示，試驗(yàn)設(shè)定的角度為5°，實(shí)際多次測(cè)量的平均值約為4.997 47°，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.003°。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，不管測(cè)量準(zhǔn)確度還是測(cè)量穩(wěn)定度都達(dá)到了較好的指標(biāo)。

圖3 單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)（東向）

圖4 單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)（北向）

圖5 RTK定位數(shù)據(jù)（東向）

圖6 RTK定位數(shù)據(jù)（北向）

表1 傾角傳感器準(zhǔn)確性計(jì)量檢測(cè)結(jié)果

表2 傾角傳感器穩(wěn)定性計(jì)量檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了北斗桿塔傾斜形變監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，多傳感器融合、多種通信機(jī)制、低功耗、數(shù)據(jù)安全機(jī)制、電力物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，將在電力桿塔、通信桿塔實(shí)時(shí)傾斜形變監(jiān)測(cè)中起到避免或減少桿塔傾倒造成損失和影響的作用，如果將其運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、房屋倒塌等方面，還會(huì)有更廣泛的應(yīng)用空間。