北斗杆塔倾斜形变监测设备的设计与实现

2021-04-16熊跃军刘蒙瑞

长沙大学学报 2021年2期

熊跃军，黄爽，杨育，刘勇，刘蒙瑞，邓黠

（1.长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南长沙 410022；2.星汉时空科技（长沙）有限公司，湖南长沙 410003）

随着国民经济的发展，电力、通信网络的覆盖面积越来越广，电力输电线路和通信线路中大量使用了铁塔，如高压输电线铁塔、通信基站铁塔等。铁塔在电力输电线路与通信网络的覆盖中起到了重要作用［1］。但是，由于一些自然灾害（如雨雪、大风等）以及煤矿开采、工程施工、人为破坏等，塔体倾斜的情况时有发生。塔体倾斜经常会造成输电线路和通信网络中断，严重的将引起倒塌事件。这些都将对输电网的安全运行和通信网的正常工作造成极大威胁，给人民生命财产带来损失［2］。因此对杆塔的实时倾斜形变监测显得尤为重要。

杆塔监测目前还是以人工巡检为主，无人机巡检为辅。这些方法浪费大量的人力，且基本上很难实现预警，只能做到事后报告，而且报告存在不及时的情况，给生产和生活造成较大的影响［3］。基于此需求，本文提出了一种无人值守，并能够实现预警功能的杆塔倾斜与形变监测设备，用于电力或者通信等杆塔的倾斜与形变监测，基于北斗短报文、RTK以及一系列传感器所获取的杆塔的倾斜和形变等数据达到预先设定的预警和告警阈值时，立即向平台发送预警和告警信息，以便及时响应，进行维护与维修。该设备主要依靠太阳能板对内部主电池充电，内部主电池提供系统的工作用电，同时设备另外自带备用电池应对极端恶劣天气下的供电问题。产品的可靠性要达到户外工业等级要求，并符合电力系统EMC测试要求，能持续稳定和可靠地工作。

1 系统功能概述

北斗杆塔倾斜形变监测系统利用太阳能供电，内部集成了气象传感器、应力传感器、北斗RTK模块和倾角传感器等多种高精度传感器，实时采集相关数据，并将数据整合、分析和上传，在服务器端加以识别和判断杆塔的状态。该设备由微处理器通过倾斜检测模块获取塔体倾斜数据，通过RTK定位模块获取塔体高精度定位信息，通过气象监测模块采集风向、风速和雨量等数据，通过应力检测模块集中对塔体或者塔基受力变化进行数据采集，获取的各类数据可以存储在本地储存模块中，而关键数据经过安全加密后通过4G或者北斗短报文方式上传至服务器端，微处理器上传的数据可以在云平台进行实时监控，通过对上传的数据进行分析以实现塔体倾斜预警，便于维修人员进行预判和维修。其系统框图如图1所示。

图1 系统连接框

2 硬件设计

该设备主要是由RTK定位模块、倾斜检测模块、气象监测模块、应力检测模块、移动通信模块以及太阳能板等组成，以实现对位置信息、气候环境、塔体形变与倾斜等数据的采集、整合、分析与上传。由于该设备用于塔体，无法直接通过市电等进行供电，因此在设计时便对各个模块进行低功耗处理，比如，选择的处理器支持低功耗，且能够实现数据处理、分析等；在RTK定位模块、倾斜检测模块、气象监测模块、应力检测模块和移动通信模块等不需要采集相应数据的情况下，处理器需要对其进行电源管理，以实现各个模块较低功耗工作，从而实现较长的待机时间。根据调查，铁塔部分是高压甚至超高压传输电力线，输电线周围存在复杂的电磁环境，因此需要对设备进行电磁兼容设计，比如，处理器以及各个模块在工作时会产生各种不同的发散电磁干扰，为了使电磁干扰在源头上有所减小，采用多层印制板，并且配合适当的层叠结构，在最大程度上减少电磁干扰的发散，同时搭配屏蔽盒使用，以使得该设备在较复杂的电磁环境中能够正常工作，同时不干扰外界环境。

主控是设备核心模块，负责数据采集、处理、存储和上传等，同时协调控制各模块的数据采集、整合等工作，为此采用市面上大量使用的意法半导体公司低功耗处理器。该处理器开发周期短、性能强、性价比较高、方便硬件裁剪，搭配RTK定位模块、倾斜检测模块、气象监测模块、应力检测模块、本地存储模块、安全加密模块、移动通信模块以及太阳能板等以实现塔体数据采集与上传［2］。

为了实现较高精度定位的需求，便于检测与维修人员准确定位相应塔体的位置，本设备采用了RTK定位技术，同时为了降低开发周期和难度，选择了市面上较为常用的RTK定位模块，该模块通过串口与处理器进行数据交换，处理器只需通过获取RTK定位模块的经纬度以及高程数据，即可获取塔体的地理位置信息。此外，该模块支持BDS、GPS和GLONASS全球定位系统，以实现多区域信号覆盖。

倾斜检测模块用于检测塔体倾斜程度，经多次实验后采用了倾角传感器，该传感器能够实现较高精度倾斜角度的采集，同时为了进一步提高采集精度，该设计采用了双轴倾角传感器，且自带温度补偿，使精度得到进一步提升，采集精度达到0.01°，完全满足测量的要求。

为了实现塔体倾斜无人监测，处理器将各个模块采集的数据处理后，经4G模块（移动通信模块）上传到云平台，以实现真正无人监测。4G信号在国内广泛覆盖，且有较多的用户，在短时间内信号体制不会废除，保障了较长时间内4G模块的正常使用。本文采用的是移远的4G模块EC20，在稳定性和可靠性以及EMC方面经受过严格的测试。

经过实地考察得知，塔体所在地有时是阴天，为了使设备在无光照（即连续数天阴天），且蓄电池电量已经用完的情况下仍能正常工作，在设备中加入了备用电池，使设备的续航能力进一步提升。由于移动通信模块和北斗短报文模块在发射的瞬间有较大的电流，这就要求电池有较大的放电能力，为此选择一种可以重复充电的锂电池，同时搭配相应的电源管理模块，使锂电池有较长的工作时间。

为应对杆塔倾斜和形变带来的受力变化，设计了应力传感器。应力传感器采用振弦式应力传感器，性能稳定，可靠性好。固定在塔体或者塔基上的应力传感器在感应到塔体有异常受力变化时，会检测到相应的形变数据，云平台会实时显示相应的数值变化曲线，维修人员根据此数据变化曲线判断是否进行实地观察和维修［4］。

为了监测塔体所在地的自然气象数据，比如温度、湿度、风力、风速、雨量、光照强度等自然信息，便于工作人员实时了解塔体周围环境，在此设备中设计了气象传感器的应用，处理器将气象传感器采集的气象数据上传至云平台，给工作人员提供对塔体进行维护、检修、除冰等工作的依据。

本文考虑到设备安装的部分地理位置特殊，比如在大山深处等没有通信信号覆盖的地方，在设计之初就考虑到在某一些地区可能搜索不到4G/3G/2G信号（地震灾害过后通信基站遭到破坏或者野外无人区、海洋等移动信号未覆盖的地区），设备采集到的信息无法通过移动通信手段发送出去。北斗短报文是一种直接和卫星通信的通信手段，基本是全覆盖的，这样将北斗短报文与该设备进行融合，两者通过串口进行数据的交换，实现了在无移动网络信号情况下的通信功能［5］。另外考虑到设备安装的特殊位置，在4G模块无法正常工作的情况下，检修人员爬上铁塔检修设备不方便，且相关费用较高。通过无线通信模块，实现在塔下故障信息读取、判断，方便检修人员确定设备问题，同时为后期软件升级提供了方案。

3 软件设计

为了实现技术要求，杆塔倾斜监测模组软件采用四层架构设计，分别是硬件驱动层、功能模块层、业务逻辑层和应用层。软件总体设计架构如图2所示。

硬件驱动层主要是对各个外设模块硬件与主控MCU（微处理器）连接的接口进行初始化，尤其是各种传感器数据的获取，方便功能模块层实现各个模块的驱动。

图2 软件总体设计架构

功能模块层主要是对硬件驱动层进行进一步的功能封装，通过底层驱动实现每个模块的基本功能，为上层业务逻辑层提供相应的APⅠ。

气象传感器组成包括光照度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、温湿度传感器。气象传感器统一采用RS485接口与MCU进行通信。当传感器采集数据时，首先系统会自动打开气象传感器模块的电源，等待数据采集、处理、传输完成后，系统会自动关闭气象传感器模块的电源，以此降低系统功耗。RTK模块采用串口与MCU进行通信，模块在接收数据时，首先系统会自动打开RTK模块的电源，等待模块数据接收、解析及处理完成后，系统会自动关闭该模块的电源，以此降低系统功耗。EC20通信模块采用串口与MCU进行通信，当EC20初始化时，首先系统会自动打开该模块的电源，等待EC20初始化和数据通信完成后，系统会自动关闭该模块的电源，来降低系统功耗。

业务逻辑层主要分为传输、采集、存储、预警四个功能，能够实现实时数据采集、上传以及监测，并及时提供预警信息，便于监测人员及时发现险情，进行维修。

应用层程序采用高时效性的嵌入式实时操作系统FreeRTOS进行开发，由主程序创建相关业务线程，通过线程调度器对任务进行调度，在不丢失性能的情况下保证每个任务的实时性。

鉴于该终端是物联网的典型应用，本文采用MQTT协议进行数据传输。MQTT是一个由ⅠBM主导开发的物联网传输协议，它被设计用于轻量级的发布、订阅式消息传输，旨在为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供可靠网络服务。

4 系统调试测试

本文对主要传感器RTK数据进行测试，RTK的结果数据（如下图3、4、5、6）表明，设计最终能够达到高精度的应用，进而可以用来监测杆塔倾斜和形变，从测试结果来看，完全达到了厘米级的测量精度。

倾角传感器通过计量院标准设备进行测试，不同倾角测量的数据如表1所示，可以看出倾角传感器精度在一定范围内接近0.01°的测量准确度。同一倾角多次测量的稳定度较好，数据如表2所示，试验设定的角度为5°，实际多次测量的平均值约为4.997 47°，标准偏差约为0.003°。从测量结果来看，不管测量准确度还是测量稳定度都达到了较好的指标。