鄭洪慶，程 蔚，俞厚泉

（1.閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，福建 泉州 362700；2.工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)與應(yīng)用福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 泉州 362700）

0 引 言

我國(guó)國(guó)土廣袤，幅員遼闊，在這片土地上地理因素復(fù)雜，全國(guó)各地電網(wǎng)布局所覆蓋地區(qū)的地域及土質(zhì)各有差異，氣候也各不相同[1-2]。尤其在南部地區(qū)，我國(guó)南部地區(qū)山多且水汽重，較多地方的地貌和土質(zhì)相對(duì)而言均存在不穩(wěn)定因素[3]。由于地質(zhì)不穩(wěn)定、供電線路凍結(jié)、供電線路異動(dòng)等因素都有可能引發(fā)輸電線路桿塔的傾斜，甚至導(dǎo)致輸電線路桿塔倒塌，影響供電線路穩(wěn)定運(yùn)行[4]。如今最主要的檢測(cè)方式，依舊是依靠電網(wǎng)工人逐步排查檢測(cè)，這種做法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)受到地形地貌的影響，有一些地區(qū)的電線桿塔無(wú)法得到及時(shí)檢測(cè)，存在較多危險(xiǎn)因素[5-6]。

因?yàn)楣╇娋€路塔歪斜倒塌、短路等情況經(jīng)常出現(xiàn)在人跡罕至的高緯度地區(qū)，而區(qū)域的自然條件相對(duì)更加復(fù)雜多變，因此發(fā)生故障后檢修難度較高[7]。供電線路周?chē)鷩@著較強(qiáng)的電磁波動(dòng)，對(duì)信號(hào)的傳輸有極大影響，導(dǎo)致信號(hào)傳送的精準(zhǔn)度大幅降低[8]。之前，供電線路桿塔的監(jiān)控設(shè)備為有源電子傳感器，這類(lèi)儀器雖然具有精準(zhǔn)度高、反饋快等優(yōu)點(diǎn)，但存在維護(hù)不便、設(shè)備供電裝置受限、信號(hào)傳輸易受電磁干擾等缺點(diǎn)[9]。

輸電線桿塔在電力系統(tǒng)中屬于重要的基礎(chǔ)設(shè)施，保證輸電線桿塔的安全對(duì)于電力傳輸?shù)陌踩院涂煽啃杂兄卮笠饬x，它對(duì)保障電力系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行舉足輕重，因此需要定時(shí)對(duì)輸電線路進(jìn)行檢測(cè)，使輸電線路能夠處于安全的狀態(tài)[10-11]。電路巡查這項(xiàng)工作對(duì)于電網(wǎng)公司來(lái)說(shuō)一直都是繁重的，并且巡查這項(xiàng)工作往往都由人工完成，極大增加了人工成本。由于輸電線路較長(zhǎng)、分布較廣，且在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)常會(huì)碰到惡劣復(fù)雜的地形[12-13]。這種情況對(duì)于巡查工作而言是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，不僅需要花費(fèi)大量的時(shí)間、精力排查，更由于調(diào)查結(jié)果具有主觀性，一些數(shù)據(jù)人為檢測(cè)不便，因此無(wú)法滿足全天檢測(cè)輸電線桿塔的要求[14-16]。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了電線桿傾倒報(bào)警定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)電線桿塔的角度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀況進(jìn)行判斷，之后使用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，上位機(jī)通過(guò)與云平臺(tái)通信，獲取云平臺(tái)中下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，然后顯示在界面上。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)對(duì)角度檢測(cè)準(zhǔn)確，定位更加精準(zhǔn)，能夠?qū)?shù)據(jù)完整上傳至云平臺(tái)。上位機(jī)能夠正確向云平臺(tái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，并分析和使用平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)，解決了巡查人員巡查不及時(shí)或者定位不準(zhǔn)確造成事故的問(wèn)題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)ADXL345 模塊對(duì)電線桿傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，使用NEO-6M GPS 模塊獲取當(dāng)前設(shè)備坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET 平臺(tái)；手機(jī)APP 從OneNET 平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)處理后顯示，以達(dá)到監(jiān)控下位機(jī)狀態(tài)和提醒用戶設(shè)備異常的目的。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 總體框圖

下位機(jī)采用STM32F103RCT6 芯片作為主控芯片，供電部分采用鋰電池供電，通過(guò)TPS63020 芯片對(duì)電池輸出進(jìn)行穩(wěn)壓后供給單片機(jī)及其外設(shè)使用，并使用太陽(yáng)能板和CN3791 芯片對(duì)電池充電。使用ADXL345 模塊檢測(cè)電線桿的傾斜角度，使用NEO-6M 模塊獲取當(dāng)前設(shè)備坐標(biāo)，通過(guò)M5310-A 模塊使用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)連接OneNET 平臺(tái)，定時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET 平臺(tái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、三軸加速度傳感器、M5310-A 模塊、GPS 模塊和太陽(yáng)能充電模塊等。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STM32F103 作為核心芯片。該芯片有64 個(gè)引腳，共有42 個(gè)GPIO 可供使用，其片內(nèi)有5 路串口、16 路ADC 通道，2 路硬件I2C 通道等。此最小系統(tǒng)使用8 MHz 晶振，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，最小系統(tǒng)還可以通過(guò)J-Link或ST-Link 接入SWDIO 和SWCLK 將程序燒錄到單片機(jī)中。STM32F103 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 STM32F103 最小系統(tǒng)

2.2 傾斜角度檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用ADXL345 傳感器作為傾斜角度檢測(cè)模塊。ADXL345 是ADI 公司推出的基于iMEMS 技術(shù)的3 軸數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL 支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C 或SPI 數(shù)字接口，自帶32 級(jí)FIFO 存儲(chǔ)，且內(nèi)部有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)方法和靈活的中斷方式等。本文采用I2C 數(shù)字接口，傳感器的SDA、SCL 腳分別與MCU 的GPIOA_PIN_12、GPIOA_PIN_11 連接，INT1 腳與GPIOA_PIN_0 連接，用于當(dāng)MCU 進(jìn)入休眠模式時(shí)將其喚醒。ADXL345 連接電路如圖3 所示。

圖3 ADXL345 電路連接圖

2.3 NB-IoT 硬件電路

M5310-A 是一款工作在頻段Band3/Band5/Band8 的工業(yè)級(jí)NB-IoT 模組，作為M5310 的升級(jí)版，其封裝尺寸及軟硬件接口同M5310 完全兼容，采用LCC 封存。其尺寸為19 mm×18.4 mm×2.2 mm，可最大限度滿足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。M5310-A 在支持M2M 芯片和OneNET 云平臺(tái)協(xié)議的基礎(chǔ)上，支持最新Release14 標(biāo)準(zhǔn)、更高的通信速率，支持基站定位。同時(shí)，M5310-A 增加了FOTA 功能，方便進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級(jí)。憑借其緊湊的尺寸、超低的功耗、超寬的溫度范圍，M5310-A 可廣泛適用于智能抄表、智慧城市、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景，用以提供完善的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

M5310-A 模塊正常工作時(shí)需要連接SIM 卡接口電路、天線接口電路和復(fù)位電路。根據(jù)官方推薦，SIM 卡需盡量靠近模塊，走線盡可能小于200 mm。為避免DATA 與CLK 之間產(chǎn)生干擾，要對(duì)其屏蔽，在M5310-A 與SIM 卡的連接處添加電阻。連接電路如圖4 所示。

圖4 SIM 卡連接電路

根據(jù)官方提供的射頻參考電路，將電路圖設(shè)計(jì)為Π 型匹配電路，其中C1、C2缺省不使用，且天線焊盤(pán)接口到天線連接器之間的射頻走線的特性阻抗要控制在50 Ω 左右，走線盡可能短，連接電路如圖5 所示。復(fù)位電路中的RESET1引腳與MCU 的GPIOC_PIN_5 腳連接，如圖6 所示。

圖5 天線連接圖

圖6 M5310-A 復(fù)位電路

M5310-A 模塊總連接圖中，TX、RX 通過(guò)1 kΩ 的電阻與MCU 的PB10 和PB11 連接，如圖7 所示。

圖7 M5310-A 模塊連接圖

2.4 GPS 模塊

本文采用瑞士u-blox NEO-6M GPS 模塊獲取電線桿的位置。u-blox 6 滿足了部分產(chǎn)品低功耗和低成本的需求，具有針對(duì)低功耗應(yīng)用的突破性智能電源管理功能。此系列接收模塊在小巧的封裝中提供了高性能和高層次的集成能力，這對(duì)于具有嚴(yán)格尺寸要求及成本要求的終端產(chǎn)品而言更加友善。模塊可以通過(guò)DDC 接口與u-blox 無(wú)線模塊LEON 和LISA互連。

NEO-6M 模塊與STM32 的連接采用串口通信，即與PA2、PA3 進(jìn)行連接，如圖8 所示。

圖8 GPS 模塊與STM32 連接圖

2.5 太陽(yáng)能充電模塊

本設(shè)計(jì)采用CN3791 芯片對(duì)鋰電池充電進(jìn)行管理。當(dāng)太陽(yáng)能板輸出電流的能力減弱時(shí)，CN3791 芯片內(nèi)部電路能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能板的最大功率點(diǎn)，因此可以最大程度利用太陽(yáng)能板輸出的電流。本設(shè)計(jì)采用6 V 輸入電壓，通過(guò)芯片對(duì)3.7 V鋰電池充電。將模塊的VCC引腳連接到太陽(yáng)能板的正極，GND 腳接在一起，在COM 端到地之間串聯(lián)120 Ω 的電阻和220 nF 的電容，做回路補(bǔ)償；將DRV 端連接到P 溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極；由于VG 腳是內(nèi)部電壓調(diào)制器的輸出，因此在VG 管腳與VCC 之間需連接一個(gè)電容。其中，CHRG和DONE 作為顯示充電狀態(tài)的端口，連接LED；MPPT 作為太陽(yáng)能板的最大功率點(diǎn)跟蹤端，需通過(guò)電阻將輸入電壓分壓到1.205 V；將芯片輸出端正極接入電池的正極以及TPS63020芯片的輸入端正極。太陽(yáng)能充電模塊原理如圖9 所示。

圖9 太陽(yáng)能充電電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)工作流程大致如下：

（1）系統(tǒng)上電后對(duì)芯片引腳和各模塊進(jìn)行初始化處理；

（2）讀取ADXL345 模塊和GPS 模塊數(shù)據(jù)；

（3）對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷目前設(shè)備是否安全；

（4）將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到OneNET 平臺(tái)；

（5）設(shè)備進(jìn)入等待周期，周期結(jié)束后重復(fù)步驟（2）～（4）；

（6）運(yùn)行一段時(shí)間后，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，并將所有外設(shè)設(shè)為休眠模式；

（7）被中斷源或RTC 喚醒后，再將外設(shè)喚醒，并重復(fù)步驟（2）～（6）。

系統(tǒng)流程如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)流程

3.1 ADXL345 傳感器工作流程

首先，單片機(jī)初始化后對(duì)ADXL345 模塊進(jìn)行初始化操作，然后MCU 發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，等待傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU 接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的角度，最后判斷角度是否在正常范圍內(nèi)，并發(fā)送至云端。ADXL345 讀取數(shù)據(jù)流程如圖11 所示。

圖11 ADXL345 讀取數(shù)據(jù)流程

3.2 GPS 模塊數(shù)據(jù)讀取

在NMEA-0183 協(xié)議中采用ASCI Ⅱ碼發(fā)送定位數(shù)據(jù)，其格式為$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh，由于需要獲取GPS 設(shè)備，因此需要對(duì)開(kāi)頭為$GPRMC 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取GPS 數(shù)據(jù)。GPS 數(shù)據(jù)處理流程如圖12 所示。

圖12 GPS 數(shù)據(jù)處理流程

3.3 NB-IoT 通信模塊數(shù)據(jù)處理

本設(shè)計(jì)采用的NB-IoT 通信模塊為M5310-A 模塊，該通信模塊使用LWM2M 協(xié)議與平臺(tái)通信。當(dāng)主控芯片上電后，通過(guò)串口發(fā)送AT 指令來(lái)配置M5310-A 模塊，在檢測(cè)模塊是否正常時(shí)需要判斷模塊是否開(kāi)機(jī)上電成功、查詢(xún)是否有SIM 卡、檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量、PS 域附著狀況，然后再對(duì)模組PDP 上下文狀況進(jìn)行查詢(xún)，只有PDP 狀況正常時(shí)才能開(kāi)展相關(guān)業(yè)務(wù)。M5310-A 模塊上電初始化檢測(cè)流程如圖13所示。

圖13 模塊檢測(cè)流程

完成檢測(cè)后才能向平臺(tái)注冊(cè)，在注冊(cè)之前要先將所需上傳的資源初始化，訂閱上傳數(shù)據(jù)的Object 和Resource 資源，當(dāng)所有資源都訂閱好后再登錄平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳操作。設(shè)備登錄平臺(tái)流程如圖14 所示。

圖14 設(shè)備登錄平臺(tái)流程

本系統(tǒng)在非休眠狀態(tài)時(shí)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的讀取以及發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。需要注意的是，兩次發(fā)送時(shí)間間隔不能低于設(shè)備的存活時(shí)間，否則設(shè)備會(huì)與平臺(tái)失去連接。數(shù)據(jù)上報(bào)流程如圖15 所示。

圖15 數(shù)據(jù)上報(bào)流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)物制作

本系統(tǒng)中的下位機(jī)PCB 圖，實(shí)物等，分別如圖16、圖17、圖18 所示。

圖16 PCB 圖

圖17 實(shí)物

圖18 下位機(jī)整體圖

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

由于條件有限，本文采用相機(jī)支架模擬電線桿。下位機(jī)正常放置（為調(diào)試方便不加入太陽(yáng)能充電板）。設(shè)備狀態(tài)：設(shè)備為水平狀態(tài)放置，放置地址為閩南理工學(xué)院寶蓋校區(qū)教學(xué)樓二。設(shè)備放置如圖19、圖20 所示。

圖19 水平放置俯視圖

圖20 水平放置正視圖

云端數(shù)據(jù)如圖21、圖22 所示。

圖21 云平臺(tái)GPS 數(shù)據(jù)1

圖22 云平臺(tái)角度數(shù)據(jù)1

上位機(jī)APP 設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖23、圖24所示。上位機(jī)APP 地圖界面顯示如圖25 所示。設(shè)備狀態(tài)：設(shè)備為水平狀態(tài)放置，放置地址為閩南理工學(xué)院寶蓋校區(qū)教學(xué)樓二。調(diào)試結(jié)果顯示設(shè)備在線，且處于正常狀態(tài)。

圖23 APP 設(shè)備列表1

圖24 設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)1

圖25 APP 地圖數(shù)據(jù)顯示1

下位機(jī)在傾斜狀態(tài)下放置。設(shè)備狀態(tài)：設(shè)備為傾斜狀態(tài)放置，放置地址為閩南理工學(xué)院寶蓋校區(qū)教學(xué)樓二。設(shè)備放置如圖26、圖27 所示。

圖26 傾斜放置正視圖

圖27 斜放放置后視圖

云端數(shù)據(jù)如圖28、圖29 所示。

圖28 云平臺(tái)GPS 數(shù)據(jù)2

圖29 云平臺(tái)傾角數(shù)據(jù)2

上位機(jī)APP 詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖30、圖31 所示。上位機(jī)APP地圖界面顯示設(shè)備異常，如圖32 所示。APP 會(huì)通過(guò)推送消息以及振動(dòng)來(lái)提示用戶設(shè)備出現(xiàn)異常，如圖33 所示。

圖30 APP 設(shè)備列表2

圖31 設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)2

圖33 消息提示

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電線桿塔需人工巡查，存在無(wú)法滿足全天檢修的要求、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、檢測(cè)過(guò)程易受環(huán)境影響等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于NB-IoT 的電線桿傾倒報(bào)警定位系統(tǒng)。文中首先對(duì)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)線路檢測(cè)的現(xiàn)狀進(jìn)行了了解與分析，還結(jié)合了當(dāng)前的新興技術(shù)—NB-IoT 設(shè)計(jì)了通信模塊，主控MCU 選取STM32F103RCT6，結(jié)合外圍電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與云平臺(tái)的對(duì)接?；贏ndroid系統(tǒng)進(jìn)行上位機(jī)APP 開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化。本系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)電線桿塔檢測(cè)的不足，實(shí)現(xiàn)了在新技術(shù)下基于NB-IoT 的電線桿傾倒報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。