基于STM32的变电站智能巡检小车

薛誓颖，赵 祥，郭 超

（1.河南职业技术学院，河南 郑州 450000；2.恒天重工股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

近年来，用电人群越来越多元化，用电范围越来越广，随之而来的是变电站的建设规模逐步扩大，变电站设备所处的环境越来越复杂，设备巡检的内容也越来越多，仅凭变电站巡检工作人员的经验，已无法满足日益复杂的变电站巡检需求，且很难对设备巡检结果做出准确、全面的判断，给变电站设备和电网的安全运行带了隐患。随着人工智能巡检技术的迅速发展，采用变电站智能巡检小车代替或辅助人工完成巡检已不再遥远，采用自动化、智能化的智能巡检小车进行设备巡检，未来必将成为变电站设备巡检的趋势。

1 系统整体设计方案

变电站智能巡检小车硬件平台的搭建是实现变电站设备巡检的前提。智能巡检小车主要由电源模块、STM32核心控制模块、电机驱动模块、测速模块、路径巡检模块、无线传输模块和图像采集模块组成，具体如图1所示。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

2.1 核心控制模块

STM32是智能巡检小车硬件系统中的核心控制模块，MCU的型号为STM32F103ZET6。作为控制模块的核心，STM32控制器控制着智能巡检小车的变电站环境信息识别、障碍信息处理、巡检路径检索、电机驱动、存储巡检结果等部分。

2.2 无线传输模块

选用4G模块将变电站现场的巡检结果传送到巡检数据平台，便于巡检人员实时掌握变电站设备的运行状态，提高变电站运行效率，保障电力系统安全、稳定运行。

2.3 图像采集模块

选取工业级CCD摄像头采集变电站的环境信息。CCD摄像头通过拍照的形式获取变电站的路径信息，经STM32核心控制模块处理后，形成完整的变电站巡检地图。智能巡检小车获取巡检地图后，利用路径巡检模块完成巡检任务。

2.4 路径巡检模块

选取的路径巡检模块包括：三路红外寻迹模块、超声波避障模块和射频模块。

（1）三路红外寻迹模块

三路寻迹模块集成三路红外探测装置，设置相应端口值可实现前进、后退、左转和右转动作。智能巡检小车还可通过检测三路红外探测端口的值，判断当前位置为直线、T线或十字线。路径巡检模块如图2所示。

图2 路径巡检模块

（2）超声波避障模块

采用超声波模块搭配舵机实现障碍物检测。舵机180°旋转的同时带动超声波模块旋转，可实现对前方障碍物无死角检测和快速避障。超声波避障模块如图3所示。

图3 超声波避障模块

（3）射频模块

栅格地图建立后，利用RFID射频模块对地图中的巡检点进行标记，用于记录当前巡检点下智能小车的位置信息，当前巡检点需停留并进行拍照、测温等操作。

3 系统软件设计

3.1 路径规划控制

系统上电复位后，首先进行系统初始化。若接收到巡检任务，则智能巡检小车将更新变电站地图和设备巡检点。更新完毕后，从起始点出发，经过中间的巡检点，最终到达终止点完成路径规划。若智能巡检小车未检测到终止点，将一直进行中间巡检点的寻迹过程，直到检测到终止点，结束巡检任务。巡检点设计流程如图4所示。

图4 巡检点设计流程

3.2 巡检点设计

采用RFID射频模块将分散在地图中的起始点、中间巡检点、终止点用射频识别卡代替。在射频识别卡中写入相关信息，对地图中的巡检点进行标识。

3.3 执行巡检任务

系统运行后，首先对STM32控制器和RFID射频模块进行初始化，通过接收中断的形式对射频识别卡进行相应操作。当接收到有效的中断指令后，会根据相应指令的要求对射频识别卡进行寻卡、读卡和写卡操作，然后将射频识别卡相关信息反馈给STM32控制器。读卡操作主要读取通过RFID射频模块事先写入的相关信息，即当前巡检节点运行到下一个巡检节点需要执行的动作和当前巡检点需要完成的相关巡检工作，如停车拍照、红外测温等。执行巡检任务流程如图5所示。

图5 执行巡检任务流程

3.4 交叉路口识别

本文采用三路寻迹模块对交叉路口信息进行检测，并将检测后信息发送给小车控制系统，小车控制系统通过判断交叉口的情况指导小车顺利通过交叉路口。

交叉路口的情况一共有三种，分别是“T”字、“十”字和“7”字。通过对小车携带的三路寻迹模块中左边、中间、右边传感器的状态进行分析，得出当前交叉路口的类型。交叉路口识别如图6所示。

图6 交叉路口识别

判断“T”字交叉路口的思想：当左边和右边的传感器检测到黑线时，小车前进一段距离，再对中间的传感器状态进行判断，如果中间的传感器未检测到黑线，那么该路口为“T”字路口。

判断“十”字交叉路口的思想：当左边和右边的传感器检测到黑线后，小车前进一段距离，再判断中间的传感器状态，如果中间的传感器检测到黑线，则表明该路口是“十”字路口。

判断“7”字交叉路口的思想：如果只有左边的传感器检测到黑线，小车前进一段距离，再判断中间的传感器状态，如果中间的传感器未检测到黑线，则说明当前路口是“7”字路口。

3.5 小车行走控制

系统上电运行后，首先进行自检，确定小车当前的位置，若存在路径偏差，则需调整路径，保证智能巡检小车沿着当前的线路行走；若遇到交叉路口时，判断交叉路口类型后，控制电机转速调节小车转向。若检测到当前行走路径有障碍物，则小车进行声光报警并减速。当行驶至目标点后，路径规划结束，小车暂处于停车状态。小车行走控制流程如图7所示。

图7 小车行走控制流程

3.6 射频识别模块

若小车未接到新的巡检任务，那么将按当前的巡检任务执行路径规划。当小车接收到新的巡检任务和路径信息后，会将路径规划涉及的巡检点相关信息通过RFID射频模块写入射频识别卡中，小车按照射频识别卡中记录的线路信息执行相应的动作（直行、左转弯、右转弯、停止）并完成路径规划。射频识别模块流程如图8所示。

图8 射频识别模块流程

当小车前进到射频识别卡标记的巡检节点时，需要读取射频识别卡上的信息来判断当前节点是否为终点，如果当前节点并非终点，那么射频识别卡会记录当前节点下一步需要执行的动作（直行、左转弯、右转弯）。如果当前节点是终点，那么小车路径规划任务完成。依次类推，小车行驶到终点。

在射频识别卡中记录坐标信息和去往下一个巡检点需要执行的动作信息，分别用 0x04、0x03、0x02、0x01表示与之相应的动作信息：直行、左转弯、右转弯、停止，小车利用射频识别卡记录的节点信息完成路径规划。

4 结 语

作为变电站正常运行的安全保障，智能变电站巡检也是困扰变电站巡检人员的难题，研究基于STM32智能巡检小车具有实用价值。智能巡检设备具有很好的市场前景和应用价值，相信在不久的将来，智能巡检小车必将得到更广泛的应用。