基于蓝牙技术的螺母防盗保护装置设计

张正峰

（广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600）

0 引言

近年来，某些地区供电局的输电线路杆塔构件被盗情况较为严峻，特别是杆塔重要连接部分的法兰螺母。电力系统、通信系统及高速公路等野外设施都采用螺母固定在地基上。我国每年因机械构件连接处松动或人为盗窃破坏造成的公共设施财产和人身安全损失达上亿元，给国民经济的健康运行造成了巨大影响。如今电力网络发展日趋完善，输电线路的覆盖面愈加广泛，已形成纵横相交、分布广泛、层次分明的电网通道。电网输电线路全国布局的特点，为各地运营商共享电力铁塔资源创造了契机［1］。随着各大电信运营商5G 基站的快速布点，电力系统“共享铁塔”进入实施阶段。“共享铁塔”是在电力铁塔上加装通信设备，将光缆、通信基站及移动天线等通信设施安装在输电电力杆塔上，使电力通道资源得到充分的再利用。“共享铁塔”的启用将有效提高电力设施的利用率，有助于节约社会资源和实现综合利用，但也存在一些问题，如协商认定铁塔附件的安装高度、使用过程中的防盗以及施工人员在施工过程中误动其他设施等问题，因此需要一种带有防盗、防误动及物件主人识别功能的防盗螺母装置。

1 技术背景

作为一种配套使用的紧固件，螺母在生活中随处可见。然而，传统的螺母不具备防盗功能，较易装卸，存在容易被偷窃的问题。目前，市场上的防盗螺母主要采用两种方式实现防盗功能：一种是给防盗螺母设计特殊的形状，配置特殊的安装和拆卸工具；另一种是采用滚珠式技术防止螺母逆向旋出。第一种方式中，由于螺母的外形结构为特殊形状，防盗的同时增加了正常拆卸的难度，若丢失与之配套的拆卸工具，则需要重新定制。第二种方式一般应用于电力铁塔、通信塔及铁路塔架的塔基和塔材固定，只能沿一个方向旋转拧紧而不能沿反方向旋转拧松，虽防盗但给后期铁塔检修维护带来难以拆卸的难题。滚珠式防盗螺母的拆卸多采用大力扳手，向固紧方向旋拧，直至将螺栓拧断，或者使用钢锯、无齿锯或气割等方式拆除防盗，费时费力，不但会损伤原螺栓，而且防盗螺母不能重复使用。此外，由于需要用到特殊的电烧焊、气切割及离子切割等特种工具，在用火用电时也存在一定的安全隐患。现有的防盗螺母容易锈蚀老化，不能实现有效保护。

近年来出现了一种涂抹新型防盗胶即“螺纹锁固厌氧胶”的防盗方法。化学防松处理使用的螺纹锁固厌氧胶是一种能在缺氧状态下发生固化的胶粘剂（又称“嫌氧胶”“绝氧胶”），存在空气时保持液态，一旦空气被隔绝或与金属离子相遇，立刻产生活性自由基发生固化，在防止螺纹松动方面得到了广泛应用［2］。厌氧胶涂抹在螺栓和螺母之间，隔绝空气后能快速固化，形成牢固的粘接和密封，从而起到防盗作用。胶粘剂应用于输电线路铁塔塔材和配变螺栓可以实现防盗，具备施工简便、施工过程不影响杆塔正常运行、材料价格低廉、使用范围广泛、不受螺栓外形影响、效果持久以及强度高等优点［3］。固化后，中低强度的厌氧胶可用标准手动工具直接拆卸。对于无法采用手动工具拆卸的中高强度厌氧胶，只要将配件局部加热至250 ℃，就可以趁热进行拆卸。因此，防盗胶不能彻底起到防盗作用。因此，急需一种拆卸便捷、可重复使用、能有效实现螺母防盗与保护功能的装置。

2 物体的定位与防盗

物联网（Internet of Things，IoT）的定义有多种，普遍认可是通过射频识别技术、红外感应器、全球定位系统以及激光扫描仪等信息传感设备，按规定的协议，将任何物品通过有线或无线方式与互联网连接进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控及管理的一种网络［4］。物联网概念里重要的一部分是前端传感器，而防盗报警的红外探测器、烟气感探测器、震动探测器、温度探测器及湿度探测器是物联网的“触角”。前端传感器的的红外探测器一般用于一个空间范围的防盗报警，同时因需要发射红外线需要较大的电源能量，不适合一些小物件的防盗和防丢应用场景。网络层是物联网的神经系统，主要进行信息的传递。蓝牙是一种小型化、低成本和微功率的无线通信技术。在大多数国家，蓝牙设备的工作频率为2 400～2 483.5 MHz，使用19 频道，间隔均为1 MHz，其中蓝牙1.0 版本最大传输距离为10～100 m。［5］目前，蓝牙5.0 版本的传输有效距离是蓝牙4.0 版本的4 倍。理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效距离可达300 m。

随着物联网技术的深入应用，作为安防重要板块的防盗装置发生了巨大变化。通过对蓝牙技术的应用逐步挖掘了蓝牙的另一个特殊功能——防盗。一是判断蓝牙连接信号是否中断进行防盗［6］；二是通过对蓝牙模块信号（即锚点）的强弱指示值（即RSSI 值）来判断物件是否在安全范围内［7］。无线电波在传输过程中随着传输距离的增加信号会逐渐衰减，因此受信蓝牙设备可根据测试发信方的信号强度估算自身与发信方的距离。根据不同的应用场景，蓝牙技术主要分为蓝牙感知技术和蓝牙定位技术两个应用方向［8］。将蓝牙技术引入物联网，并加载到无网络的物体或零部件，能起到感知和防盗作用。

3 螺母防盗装置的结构

根据实际需求，结合物联网技术应用，设计了一种新型螺母防盗保护装置，结构如图1 所示。螺母防盗保护装置包括套筒盖和套在螺栓与固定螺母外周侧的套筒。套筒下侧设有可供螺栓穿过的第二通孔。套筒中设有供螺栓穿设的环块，位于固定螺母下侧，且环块外径大于上述第二通孔的直径。套筒盖下侧设有可供螺栓端部穿过的第一通孔。套筒盖中设有锁具，用以实现套筒盖和套筒轴的锁紧固定。

该装置通过套筒实现对螺栓和固定螺母外周侧的包围防护，通过套筒盖实现对螺栓端部的包围防护，通过位于固定螺母下侧且外径大于第二通孔直径的环块实现固定螺母下侧的包围防护，通过在套筒盖下侧设置可供螺栓的端部穿过的第一通孔增加被保护螺栓的长度并可在螺栓上套设更多的固定螺母，通过套紧套筒盖和套筒端部实现周向定位，通过套筒盖中设置的锁具实现轴向锁紧。该装置通过套筒盖、套筒及锁具，将需要保护的固定螺母和螺栓锁紧保护在套筒盖和套筒中，有效实现了固定螺母和螺栓的防盗及防护，且拆卸便捷，可重复使用。

4 蓝牙技术的应用

螺母防盗保护装置的锁芯设置在套筒盖中。锁芯包括但不限于物理机械锁，还可以采用无锁口的无线电子锁。无线电子锁包含控制电路和发射接收模组。套筒盖和套筒对螺母的解锁与上锁可通过远程操作。无线电子锁也可以采用低功耗的蓝牙电子锁。套筒盖空腔内可以放置蓝牙芯片和电池。

2010 年7 月7 日宣布的蓝牙4.0 核心规范，已经使蓝牙设备拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池即可连续工作数年之久。2019 年1 月29 日，蓝牙技术联盟正式公布了蓝牙5.1 标准并向开发者开放。新标准最大的变化就是将蓝牙位置跟踪的精度提升到厘米级别，以取代WiFi 辅助定位的角色。蓝牙技术使得一些便携移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网，实现了无线上网。蓝牙实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品及汽车信息产品，形成了一个庞大的无线通信网络。随着蓝牙技术发展和应用需求的促进，蓝牙技术在物联网安防方面必将取得更广阔的应用前景。

通过加装震动传感器、温度传感器及定时器，结合蓝牙的测距功能，可以使螺母防盗保护装置更加智能，从而实现更多的功能。

（1）通过定时器开启不同位置的智能型螺母防盗保护装置，结合放置于铁塔顶部的监控系统，可以定期测量铁塔的倾斜度，如图3 所示。目前，蓝牙技术位置跟踪的精度已达到厘米级别，结合三点测距定位方法，将测量数据发送到远程监控服务器，可实现每座电力铁塔的姿态（状态）可视化和实时监视。检测到异常情况时，它可及时通知有关部门采取维护措施，从而保障电力传输系统的安全可靠运行。

（2）通过振动传感器或温度传感器触发开启蓝牙通信，结合放置于铁塔顶部的监控系统，可以远程调整铁塔上部的在线监视系统观察角度进行塔基图像观测。如果系统通过振动传感器和温度传感器发现有人为破坏的情况，可启动监控系统声光告警，提醒肇事者远离铁塔，从而对偷盗行为起到震慑作用，同时将实时图片传送到监控中心进行预警。采用物联网的感知和智能化识别技术，既可对铁塔的螺母实施防盗保护，也可以在螺母无损拆卸、铁塔螺母定期紧固以及“共享铁塔”的不同通信运营商设备安装等日常工作中保证各种操作的可管可控［9］。

应用蓝牙技术，螺母防盗保护装置也可采用其他非金属材质，不需要采用与原塔材螺栓螺母相同的金属材料。

5 结语

本文描述的螺母防盗保护装置采用了物联网安防技术，解决了螺母的防盗问题，保证了铁塔安全。同时，通过螺栓套筒保护了裸露部分的螺栓及螺纹，为后期更换或维护塔材带来了方便。它解决了以往必须根据螺栓的具体尺寸定制防盗螺母且工艺要求精细的问题，且采用全密封甚至无匙孔的方式杜绝了滚珠式防盗螺母弧型盲槽的滚珠容易锈蚀对螺栓的螺纹有损害的问题。智能型螺母防盗保护装置可通过传感器收集各种信息，结合三点测距定位方法，能更好地保障铁塔的安全。