基于微机电系统加速度计的杆塔倾斜检测装置的开发

郝一川，苏小林，赵巧娥

（山西大学，山西太原030013）

基于微机电系统加速度计的杆塔倾斜检测装置的开发

郝一川，苏小林，赵巧娥

（山西大学，山西太原030013）

输电线路杆塔倾斜是处于不良地质区（采空区、滑坡区、高盐冻土区等）的输电线路随时会出现的严重故障，为了及时发现杆塔倾斜并修复，需要对杆塔的状态进行实时监测。依据重力加速度测量值计算倾斜角原理，设计开发了一种输电线路杆塔倾斜检测装置，采用基于微机电系统的三轴加速度计ADXL345作为传感元件进行数据采集，采用含有无线射频电路及Zigbee协议栈的STM 32W 108片上系统作为中央处理器进行加速度采样数据处理，并经Zigbee网络传送至上位机，实现了杆塔倾斜角的实时检测。

杆塔倾斜检测；微机电系统加速度计；输电线路杆塔

0 引言

输电线路经过的许多地区属于采空区或地质条件复杂的地区，杆塔随时可能发生倾斜，而输电线路杆塔倾斜多为隐性故障，定期巡线不易及时发现，因此需要对杆塔进行监测以便及时发现倾斜等异常情况。因为杆塔在正常情况下处于静止状态，因此可以认为其加速度值仅与重力相关，这样，就可以利用重力加速度矢量及其在各轴上的投影来确定倾斜角。

MEMS（Micro-electro-mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS技术建立在微米/纳米基础上，是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，一般由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。

本装置设计采用MEMS加速度计采集的重力加速度数字输出信号，通过微处理器进行信号处理和计算，可以得到输电线路杆塔的倾斜角，从而实现实时监测的目标。

1 利用加速度计的输出计算倾斜角的方法

1.1 小角度倾斜时的快速估算方法——单轴倾斜计算

使用单轴器件（或多轴器件的单个轴），如图1 a所示，加速度计水平线为与重力矢量垂直的平面。当单个轴（X轴）旋转一个角度θ时，如图1 b所示，根据基本三角原理，X轴上的重力矢量投影会产生等于加速度计X轴与水平线夹角正弦值的输出加速度。在重力为理想值1 g时，加速度计的X轴输出加速度为

式中，g为重力加速度的标准值。

图1 单轴倾斜检测图

由于通过重力旋转时，加速度计的输出遵循一种正弦关系，因而通过反正弦函数可以实现从加速度到角度的转换。

式中，倾斜角θ单位为弧度。

考虑到杆塔倾斜初期，倾斜角度较小，则可用线性逼近法代替反正弦函数。线性逼近法实为逼近小角度的正弦，存在下式关系

θ＜＜1时，则

采用单轴解决方案时，输出加速度AX.out（单位为1 g）与倾斜角θ（单位换算为度）的关系曲线如图2所示。

图2 单轴倾斜检测中的输出加速度与倾斜角

注意到随着水平线与X轴夹角的增大，倾斜计算的灵敏度会变小——即一定输入变化带来的输出变化变小±90°，该角接近时，灵敏度接近0。即接近±90°时，倾斜角的较大变化会导致输出加速度发生小幅变化，而在±20°范围内近似线性关系。

考虑到杆塔倾斜角即使很小，也必须及时处理，不会等到杆塔完全倒伏，因此采用线性逼近法进行杆塔倾斜角度的快速估算所产生的误差，在工程上完全可以接受。

由上述分析可知，采用单轴加速度计进行倾斜检测，可以利用式（4）作为杆塔小角度倾斜时的快速估算方法。但是，对于要求在全角度范围内进行倾斜角测量的场合不适用，因而有一定的局限性。

1.2 独立倾斜角度的计算方法——三轴倾斜计算

采用三轴加速度计构成的三轴解决方案，可以基于一个参照点分别确定加速度计各个轴的角度。参照点为三轴加速度计器件的典型取向如图3 a所示，其中，X轴和Y轴位于水平面内（0 g场），Z轴与水平面垂直（1 g场）。倾斜时如图3 b所示，其中，θ为水平线与加速度计X轴的夹角，ψ为水平线与加速度计Y轴的夹角，φ为重力矢量与Z轴的夹角。在X轴和Y轴的起点0 g处以及Z轴上的1 g处，计算得到的所有角度均为0。

图3 三轴倾斜检测

引入第三轴时，可在全球面范围确定传感器的方向。通过基本三角函数可证明，利用式（5）、式（6）和式（7）计算倾斜角。

式（7）中的运算为逆运算，这是因为初始位置为1 g场。如果需将水平线作为Z轴的参照，则可进行逆运算。正角表示加速度计对应的正轴指向水平线上方，负角则表示该轴指向水平线下方。

由于采用了反正切函数和加速度比，有效增量灵敏度为常量，从理论上讲，可精确测量所有角度。但是，注意到当Z轴的倾斜角趋近90°时，Z轴输出分量AZ.out趋近于0，这将导致按照式（7）进行计算的过程中可能溢出，需要在程序中进行数值溢出判断并进行相应的例外处理，以免导致程序计算错误。

1.3 加速度计测量数据的校准

以上分析假设采用的是理想加速度计，这就相当于一种无0 g失调且具有完美灵敏度的器件。尽管传感器已经过调整，但MEMS类加速度计器件实际上属于机械类，换言之，在系统组装后，加速度计器件上的任何静态应力都可能影响失调和灵敏度。这种因素以及工厂校准的局限性，可能导致实际误差超过倾斜检测应用中的可接受限值。

为了减少这种误差，应对失调和灵敏度进行校准，并通过经校准的输出加速度来计算倾斜角。设Aactual为作用于加速度计的实际加速度（单位为g），在考虑失调和灵敏度的影响时，加速度计的输出Aout如下:

因此，

式中，Aoff为失调误差，单位为g；Gain为加速度计的实际增益，理想值为1。

为确定失调误差Aoff和实际增益Gain，对于三轴器件，需要在每个目标轴上使用两点校准：分别将目标轴置于+1 g和-1 g场中，测得输出A+1g和A-1g（单位为g）。将测量值A+1g和A-1g分别代入式（8），得到方程如下:

求解方程（10）和（11），得：

将（12）（13）代入（9）就得到了经过校准的实际加速度值：

2 输电线路杆塔倾斜检测装置的硬件设计

本装置选用基于MEMS的加速度计芯片ADXL345作为传感器件测量重力加速度，以中断方式进行数据实时采集，选用含有无线射频电路及Zigbee协议栈的STM32W108片上系统（SoC）作为中央处理器进行加速度实时采样数据的处理，采样数据及计算出的倾斜角数据经Zigbee网络传送至监测中心，实现了杆塔倾斜角的实时监测。本装置的硬件框如图4所示。

图4 装置硬件框图

STM32W108是ST公司的高性能的IEEE 802.15.4无线片上系统（SoC），含有32位ARM Cortex-M3微处理器，128 kB闪存和8 kBRAM存储器以及基于Zigbee系统的外设，集成了2.4GHz IEEE 802.15.4兼容的收发器，内置收发器有极好的无线电射频性能[1]。

ADXL345是Analog Devices公司的一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位），可选择的测量范围有±2 g、±4 g、±8 g，最高可达±16 g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。

时钟芯片PCF8563是PHILIPS公司的工业级极低功耗的多功能时钟/日历芯片，内含I2C总线接口，具备多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，还可提供看门狗功能。

通讯电路包括两部分，一是RF射频电路，承担与Zigbee无线信号收发任务，使本装置可与其他Zigbee终端一起构成Zigbee网络，进行无线网络通讯；二是串口连接电路，由PL2303将微处理器的串行口I/O信号转换为符合USB规范的信号，与PC机的USB口连接后，可通过PC机与本装置进行串口通讯，完成调试和校准任务。

3 输电线路杆塔倾斜检测装置的软件设计

本装置的软件设计包括4个主要功能模块：装置自检调试功能、时钟及定时中断功能、加速度数据采集及倾斜角计算功能、越限报警及人机交互功能。

为了降低功耗，STM32W 108采用深睡眠工作模式，MEMS加速度计ADXL345的数据准备好后通过中断唤醒CPU进行数据采集。倾斜角计算在定时中断中完成，如果杆塔倾斜角未越限，则再次进入睡眠模式，直到下一个中断发生；如果杆塔倾斜角越限，则退出睡眠模式，进入连续监视状态，并由主程序将检测数据通过Zigbee网络发送给监测中心。

整个软件由主程序、采样中断程序和定时中断程序三部分组成，流程图如图5所示。a主程序中实现了加速度传感器校准、装置自检调试、越限报警以及人机交互通讯等功能；b定时中断程序中实现了时钟及定时功能、数据预处理、倾斜角计算、越线检查等功能；c采样中断程序中实现了加速度数据采集功能。

其中：装置自检调试程序完成对装置的参数配置、用户认证、规约验证、元器件自检测试和对加速度计的校准功能。时钟及定时程序完成实时时钟定期校准以及睡眠定时功能。数据预处理程序完成异常数据的检测和剔出、高频干扰信号的滤除功能。

通讯程序实现通过Zigbee网络进行越限报警的功能，以及通过USB端口进行人机交互的功能。通讯程序的通讯规约选用国家电网公司企业标准Q/GDW 242—2010《输电线路状态监测装置通用技术规范》附录C“应用层数据传输规约”，以便与其他输电线路监测装置互联互通。

图5 软件流程图

4 实验测量结果

本装置的原型样机设计完成后，进行了实验室测量，实验方案示意图如图6所示。

图6 实验方案示意图

倾斜检测装置ZE中测量得到的三轴加速度数据通过Zigbee网络传送到Zigbee协调器ZC，再经USB口发送到本地监测计算机PC，在PC机中存储采样数据，并显示采样和处理结果[2]。

首先，对传感器模块的X/Y/Z三个轴的+g和-g位置进行测量，根据式（12）、（13）确定加速度传感器各轴的增益Gain和失调误差Aoff，供测量时对测量值进行校准。实验用加速度传感器的增益和失调误差的结果如表1所示。

表1 实验用加速度传感器的增益和失调误差的结果

然后，对各轴30°、45°、60°角倾斜偏离水平时的位置进行测量，对测量值进行误差校准后得到倾斜角度值，测量值及测量误差如表2所示。

所得测量结果与实际情况吻合，绝大多数测量误差小于1°，误差大于1度的测量值有6个，均属测量时操作者未能固定好传感器所致，可以认为本装置的测量误差完全可以满足工程监测要求，性能指标达到了设计目标，说明本装置的设计是可行的。

表2 测量值及测量误差汇总表

［1］沈建华，郝立平.STM32W无线射频Zigbee单片机原理与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010：25-176.

［2］郝一川，苏小林，赵巧娥，等.基于MATLAB的输电线路杆塔倾斜监测分析软件的设计与实现［J］.电力学报，2014（2）：160-164.

Development of a Tower Inclination Detection Device Based on MEMSAccelerometers

HAO Yi-chuan，SU Xiao-lin，ZHAO Qiao-e
（ShanxiUniversity，Taiyuan，Shanxi 030013，China）

Tilt of transmission line tower is a serious failure of transmission lines in poor geological zones（the hidden cavity，landslide areas，high saltpermafrost zones etc.）.In order to detectand fix the tower tilt，the status of tower should bemonitored in real time.According to the inclination calculating principle based on the gravity acceleration measurements,a transmission line tower tilt detection device isdesigned and developed.In the device，ADXL345（aaccelerometerof three-axis sensing elementbased on MEMS）is used foracquisition ofacceleration caused by gravity.The STM32W108（a system on chip with the Zigbee protocolstack embeded）isused to process the acceleration sampled data.The inclination is sentback to themonitoring center via Zigbee network in order tomonitor the towerstatus in real time.

tower inclination detection；MEMSaccelerometer；transmission line tower

TM753

A

1671-0320（2014）04-0001-05

2014-04-24，

2014-06-05

郝一川（1962-），男，山西太原人，工学硕士，1992年毕业于华北电力学院电力系统及其自动化专业，讲师，主要研究方向为电力系统及其自动化；

苏小林（1963-），男，四川宜宾人，工学博士，2009年毕业于清华大学电气工程专业，教授，主要研究方向为电力系统运行与控制、智能电网；

赵巧娥（1963-），女，山西芮城人，工学硕士，1996年毕业于北京交通大学铁道牵引电气化与自动化专业，教授，主要研究方向为新能源发电技术、测控技术。