(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225127)

陳澤宇,陳舒涵,楊欽榕,陳萬培

0 引言

電力行業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,基于電力物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器被用于監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)維安全。 電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品可以全天候、全方面監(jiān)控輸電線路狀態(tài),具有不可替代性。 桿塔傾斜度監(jiān)測(cè)傳感器是電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桿塔傾斜度,防止因桿塔傾倒而出現(xiàn)安全事故。

楊洪磊等[1]提出使用對(duì)中心波長(zhǎng)變化敏感的光纖傳感技術(shù)來測(cè)量桿塔傾斜度,然而由于光纖傳感技術(shù)設(shè)備的昂貴很難普遍使用。 王榆夫等[2]指出可以使用無人機(jī)航拍提取桿塔的中軸線與地面法線之間的夾角來確定桿塔的傾斜度,航拍無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)在惡劣復(fù)雜的環(huán)境中無法使用。 穆曉辰等[3]提出可以使用北斗與GPS 雙系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)桿塔的滑移狀態(tài),提前報(bào)告防止安全事故發(fā)生,然而在一些地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生地段由于安裝條件的限制無法安裝。 筆者認(rèn)為可以使用鉛錘法、經(jīng)緯儀測(cè)量以及激光雷達(dá)測(cè)量,但這些方式不僅需要人工測(cè)量,無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而且檢測(cè)設(shè)備昂貴且高功耗,難以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的推廣與應(yīng)用[4-5]。

針對(duì)以上問題,本文提出了一種基于慣性傳感器的低功耗桿塔傾斜度測(cè)量設(shè)備,其特點(diǎn)有:(1)體積小巧,便于安裝,電池供電方便維護(hù);(2)采用遠(yuǎn)距離通信協(xié)議LoRa 傳輸數(shù)據(jù),并在硬件與軟件上滿足低功耗要求;(3)對(duì)加速度計(jì)采集到的原始數(shù)據(jù)先低通濾波去除高頻部分,再使用改進(jìn)型滑動(dòng)平均值濾波計(jì)算較高精確度的綜合傾斜度。

1 輸電桿塔傾斜度測(cè)量推演算法

確定桿塔傾斜度,可以避免輸電桿塔因局部環(huán)境或者外力因素而導(dǎo)致倒塔斷線造成的安全隱患。

如圖1 所示,OX 為順線方向,OY 為垂直導(dǎo)線方向(橫線方向),OZ 為垂直方向,即可建立一個(gè)三維笛卡爾坐標(biāo)系。 OB 在平面YOZ、平面XOZ、平面XOY 上的投影分別為OA、OC、OB′,OD 為測(cè)量點(diǎn)距離地面的高度,OD 與OC 的夾角θ1稱為順線傾斜角,OD 與OA 的夾角θ2稱為橫向傾斜角,OD 與OB 的夾角θ3稱為綜合傾斜角。 可以得到以下幾種幾何關(guān)系。

圖1 桿塔傾斜度測(cè)量模型

式(6)中的Gx為順線傾斜度,式(7)中的Gy為橫向傾斜度式(8)中的Gz為綜合傾斜度。

2 傾角計(jì)算與改進(jìn)型滑動(dòng)平均值濾波

2.1 傾角計(jì)算

檢測(cè)物體傾角的傳感器一般有兩種,陀螺儀與加速度計(jì)。 陀螺儀可以檢測(cè)物體的角速度,再將角速度積分便可以得到傾角,該方式雖然簡(jiǎn)單,但誤差也會(huì)隨著積分次數(shù)的增加而不斷累積。 加速度計(jì)則是通過重力矢量及其在加速度計(jì)軸上的投影來確定物體傾角。本文中使用的是3 軸MEMS 傾角傳感器村田SCL3300。

如圖2 所示,假設(shè)傳感器的X 軸與水平面xOy 之間的夾角稱為俯仰角α,Y 軸與xOy 之間的夾角稱為滾轉(zhuǎn)角β,Z 軸與重力加速度g 方向夾角為γ。

圖2 三軸加速度計(jì)傾角計(jì)算模型

由于3 個(gè)軸的讀數(shù)ax,ay,az為重力加速度在3 個(gè)軸上的投影,因此可得:

再根據(jù)平行四邊形法則可得:

從而得到:

在理想的狀態(tài)下,加速度計(jì)的精度直接決定傾角測(cè)量的精度,而重力加速度是影響加速度計(jì)精度的唯一因素。 但桿塔上的情況復(fù)雜,會(huì)因風(fēng)力等因素影響而在加速度計(jì)測(cè)量的信號(hào)上疊加干擾信號(hào),因此,需要對(duì)原始加速度信號(hào)進(jìn)行處理,使用低通濾波去除信號(hào)中的高頻噪聲。 然后再使用改進(jìn)型的滑動(dòng)平均值濾波進(jìn)行綜合傾斜度的計(jì)算。

2.2 改進(jìn)型滑動(dòng)平均值濾波

雖然加速度計(jì)的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波去除高頻噪聲,但依舊會(huì)有原理性導(dǎo)致的誤差需要去除或降低,從而得到更接近于真實(shí)值的數(shù)據(jù)。 當(dāng)前處理數(shù)據(jù)的常用方法一般有限幅平均濾波、卡爾曼濾波等,但這類算法比較復(fù)雜,比如卡爾曼濾波的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),占用大量CPU 資源,不適用于低功耗、低成本的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。 考慮到效率問題,本文使用實(shí)時(shí)性較好的滑動(dòng)平均濾波,雖然數(shù)據(jù)經(jīng)過滑動(dòng)濾波后可以去除干擾,可以穩(wěn)定平滑,但該濾波方式需要占用RAM 的資源,同時(shí)無法處理突變的數(shù)據(jù)。 因此,本文對(duì)滑動(dòng)平滑濾波進(jìn)行了改進(jìn):(1)直接使用一個(gè)變量保存所有數(shù)據(jù)的累加和,再用累加和除以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)得到濾波后的平均值;(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行限制,即設(shè)定閾值,超過閾值時(shí)立即更新平均值。 經(jīng)過改進(jìn)的滑動(dòng)平均值濾波器兼顧了實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性,流程如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)型滑動(dòng)平均值濾波算法流程

3 桿塔傾斜測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

桿塔傾斜測(cè)量設(shè)備需要上傳的數(shù)據(jù)量較少,因此數(shù)據(jù)傳輸速率可以較低。 工程上常用的無線通信協(xié)議有NB-IoT,ZigBee,LoRa 等。 Zigbee 傳輸距離短而且芯片價(jià)格較貴,NB-IoT 傳輸距離遠(yuǎn)但需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的支持,LoRa 既可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,又可以使用免費(fèi)的頻段,因此桿塔傾斜測(cè)試設(shè)備使用LoRa 進(jìn)行報(bào)文傳輸,具體流程如圖4 所示。

圖4 LoRa 協(xié)議下桿塔傾斜系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

傾斜測(cè)量設(shè)備采用的加網(wǎng)方式為OTAA(空中激活方式),設(shè)備加網(wǎng)后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)通過4G 將數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)器。

3.2 硬件單元設(shè)計(jì)

基于LoRa 的桿塔傾斜測(cè)量設(shè)備如圖5 所示,傾斜度傳感器使用STM32L051C6T6 芯片、SX1280 以及SCL3300 傾斜傳感器。 STM32L051C6T6 是一款低功耗芯片,內(nèi)核為Corte-M3,在復(fù)雜環(huán)境下可正常工作,時(shí)間信號(hào)由32.768 kHz 的外部晶振提供,ADC 口監(jiān)測(cè)電池電壓。 通信使用Semtech 公司低功耗收發(fā)一體的LoRa 模塊SX1280,可在2.4 GHz 下達(dá)到2 km 的遠(yuǎn)距離通信,抗干擾能力強(qiáng),接收靈敏度可達(dá)-132 dBm,傾斜度測(cè)量傳感器使用的是SCL3300,精度可以達(dá)到±0.5°,因此其通信距離、精度、功耗等方面均滿足設(shè)計(jì)需要。 LoRa 協(xié)議中對(duì)終端節(jié)點(diǎn)分類,本傳感器為Class A,也是功耗最低的。

圖5 基于LoRa 的桿塔傾斜測(cè)量設(shè)備

式(12)、式(13)、式(14)分別計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率、接收靈敏度、傳輸距離,SF為擴(kuò)頻因子、BW為信道帶寬、CR為編碼率、Pt為發(fā)射功率、L0 為介質(zhì)損耗,f為中心頻率。 經(jīng)過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)后,為滿足低功耗需求,選擇的SF為8,BW為125 kHz,CR為4/5,此時(shí)的傳輸距離測(cè)得為1.4 km 左右。

3.3 軟件單元設(shè)計(jì)

3.3.1 桿塔傾斜度報(bào)文設(shè)計(jì)

報(bào)文設(shè)計(jì)如表1 所示,LoRa 使用的是OTAA 加網(wǎng)方式,因此報(bào)文中有DevEUI,APPEUI,APPKey 3 個(gè)參數(shù),其中DevEUI 為測(cè)量設(shè)備唯一ID,除此以外還包括綜合傾斜度,順線傾斜度,橫向傾斜度,以及用于監(jiān)測(cè)傳感器電池狀態(tài)的電池電壓。

表1 ZigBee 桿塔傾斜系統(tǒng)報(bào)文

3.3.2 傳感器、網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器

LoRa 通信協(xié)議下設(shè)備、網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互如圖6 所示。 設(shè)備發(fā)出的加網(wǎng)命令通過網(wǎng)關(guān)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(NS),NS 確認(rèn)后在加網(wǎng)回復(fù)時(shí)分配網(wǎng)絡(luò)地址,雙方使用AppKey 與加網(wǎng)回復(fù)信息計(jì)算出NwkSKey 與AppSKey 對(duì)數(shù)據(jù)加密、解密與校驗(yàn),傳感器可以請(qǐng)求加網(wǎng)3 次。 傳感器加網(wǎng)后將加密的采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)至服務(wù)器。 服務(wù)器收到加密報(bào)文后,會(huì)使用NwkSKey與AppSKey 對(duì)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)與解密,解密后的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到本地方便用戶后臺(tái)查詢。

圖6 傳感器、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器交互

設(shè)備使用電池供電,因此不僅要在硬件選材設(shè)計(jì)上達(dá)到低功耗的要求,還需要在軟件設(shè)計(jì)上滿足低功耗需要。 對(duì)于桿塔這類傾斜變化緩慢的物體,并不需要測(cè)量設(shè)備不間斷監(jiān)測(cè),基于此,桿塔傾斜設(shè)備可以每間隔一定的時(shí)間進(jìn)行采樣與數(shù)據(jù)處理,這種方式不僅可以降低功耗,而且可以定時(shí)與服務(wù)器取得通信,以防設(shè)備出現(xiàn)故障而掉線,可以隨時(shí)檢修。 當(dāng)設(shè)備采樣、數(shù)據(jù)處理與發(fā)送完成后,單片機(jī)沒有計(jì)算任務(wù),此時(shí)可以將設(shè)備設(shè)置為睡眠狀態(tài),降低功耗。 因此,可以使用定時(shí)中斷模式,通過定時(shí)器,定時(shí)喚醒設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算、通信等任務(wù)。 為防止設(shè)備睡眠期間傾角發(fā)生變化,允許傾角傳感器在檢測(cè)到角度變化時(shí)通過中斷引腳向單片機(jī)發(fā)送信號(hào),將設(shè)備從睡眠中喚醒,所以在設(shè)備睡眠之前需要單片機(jī)開啟外部中斷串口。

通過以上操作基本可以在硬件與軟件兩個(gè)層面滿足設(shè)備低功耗的要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為測(cè)試桿塔傾斜設(shè)備的功耗情況與傾角測(cè)量準(zhǔn)確度,本文設(shè)置了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

傾角測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法如下:首先將兩個(gè)桿塔傾斜設(shè)備固定在同一鐵桿上,其中一個(gè)數(shù)據(jù)無濾波處理,接著使用鉛垂線確定垂直線,之后以鐵桿與地面接觸點(diǎn)為圓心慢慢旋轉(zhuǎn)鐵桿。 假設(shè)鐵桿安全傾角為0 ～45°,每旋轉(zhuǎn)5°對(duì)傾角進(jìn)行一次測(cè)量,同時(shí)輕微晃動(dòng)鐵桿模擬風(fēng)中桿塔微微晃動(dòng)的情況,實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 有無濾波處理的傾角數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)據(jù)有濾波處理的設(shè)備測(cè)量的傾角相對(duì)于沒有濾波處理的設(shè)備誤差要小,相對(duì)精度控制在1.0%左右,滿足桿塔傾斜監(jiān)測(cè)的需求。

功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下:將本設(shè)備定時(shí)喚醒時(shí)間設(shè)置為10 分鐘,以ZigBee 協(xié)議的桿塔傾斜設(shè)備作對(duì)比,使用電流表監(jiān)測(cè)兩設(shè)備在睡眠狀態(tài)與工作狀態(tài)下的電流大小,結(jié)果如表3 所示。

表3 中,在同樣的工作電壓下,LoRa 設(shè)備的功耗微大于ZigBee 設(shè)備,這是由于LoRa 模塊需要通過STM32芯片驅(qū)動(dòng),但 LoRa 設(shè)備的傳輸距離與穿透能力卻是ZigBee 設(shè)備不能相比的。 此時(shí)可以計(jì)算LoRa 設(shè)備的傳輸速率:

表3 兩種協(xié)議下傳感器各項(xiàng)數(shù)據(jù)比較

而ZigBee 設(shè)備的傳輸速率可以達(dá)到250 kbps,可以看出LoRa 通過犧牲傳輸速率來達(dá)到遠(yuǎn)距離通信,所以LoRa 的速率越快,傳輸距離反而會(huì)縮短。 表3 中LoRa 的發(fā)射功率為ZigBee 的兩倍,功耗也差不多為兩倍。 并且桿塔上干擾多,ZigBee 傳輸距離急劇縮短,存在較多丟包現(xiàn)象,LoRa 表現(xiàn)比較穩(wěn)定,丟包率極低,采用2 500 mah 電池ZigBee 理論能工作12 年,LoRa 能工作8 年,均能滿足國(guó)網(wǎng)要求,綜合考慮穩(wěn)定性及工作年限后,LoRa 設(shè)備更適用于輸電線路桿塔傾角測(cè)量。

5 結(jié)語

本文從低功耗和精確測(cè)量角度兩方面出發(fā),設(shè)計(jì)桿塔傾斜監(jiān)測(cè)設(shè)備。 為滿足設(shè)備低功耗的需求,在硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)都做了處理。 軟件設(shè)計(jì)不僅設(shè)置了定時(shí)喚醒工作模式,而且使用低通濾波與改進(jìn)型滑動(dòng)平均值濾波處理原始數(shù)據(jù),使得設(shè)備測(cè)量的傾角更加準(zhǔn)確。 論文實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電桿塔傾斜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),卻沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電桿塔傾斜趨勢(shì)的預(yù)測(cè),這是今后研究方向。