基于LoRa的高压输电线路工况监测系统设计

赵 坤，何 勇，代亮亮

(1.贵州大学计算机科学与技术学院，贵州贵阳 550025；2.贵州微育科技有限公司，贵州贵阳 550025)

0 引言

1 系统总体设计

整个系统主要分为数据采集终端、无线网关、上位机3部分，数据采集终端负责采集输电线路的温度数据并通过LoRa通信方式将采集的数据发送至无线网关处，无线网关负责接收汇总它所管理的节点采集的数据并整合自身采集的环境数据，通过4G通信方式将数据发送至上位机。系统总体框架图如图1所示。

图1 系统总体框架图

数据采集终端用于采集输电线路中导线连接点的温度数据，将采集到的温度数据通过LoRa通讯模块传输至无线网关处。考虑到实际的安装环境中导线的温度与环境温度存在相对稳定的差异，因此采用了温差发电对数据采集终端的电量进行补充，数据存储器用于存储网络不通畅时的数据，待网络恢复正常后再将其数据发出。数据采集终端设计框图如图2所示。

图2 数据采集终端设计框图

无线网关用于采集高压输电塔的工作状况以及整合数据采集终端采集到的输电线路的温度数据，并通过4G通讯模块发送至上位机进行展示。采集高压输电塔周围的雨量、风速以及高压输电塔的倾角作为数据支撑，用于对输电塔的工况进行判断，并通过太阳能电池板进行电量的补充，以保证系统的使用寿命，无线网关设计框图如图3所示。

图3 无线网关设计框图

2 系统硬件设计

2.1 数据采集终端硬件设计

数据采集终端采用超低功耗的STM32L011F4P6作为主控芯片，使用E22-400T22S模块作为通讯模块，其核心为SX1268，将DS18B20温度传感器采集到的数据传输至网关部分进行数据转发。

2.1.1 传感器保护电路设计

因考虑数据采集终端的实际工作环境处于高压环境下，为避免复杂环境引起反向电流造成传感器的损坏，在传感器的接口处增加了TVS二极管和PPTC自恢复保险丝进行保护，同时使用MAX4644双路单刀CMOS模拟开关控制传感器的工作状态，使得数据采集终端在休眠状态下的传感器进入断开状态，进一步降低数据采集终端的功耗，传感器保护电路如图4所示。

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图4 传感器保护电路

2.1.2 电量检测电路设计

为便于数据采集终端的后期运维工作，数据采集终端需要对自身电量进行监测并上报，以便于维护人员及时更换电池保证系统的正常运行，电量检测采用MCU的ADC采集电池的电压，通过电池的充放电曲线来计算，电量检测电路如图5所示。

图5 电量检测电路

2.1.3 温差发电电源管理电路设计

面向传感器应用的温差取能主要利用基于塞贝克效应的半导体温差发电片实现[3]，塞贝克效应是指由于2种不同电导体或半导体的温度差异而引起2种物质间的电压差的热电现象。使用温差发电方式对数据采集终端进行电量补充，通过电源管理器LTC3108模块进行电源管理，LTC3108器件专为在采用极低输入电压电源的情况下启动和运行而设计，最低可工作于20 mV的电压输入，可利用拨码开关控制芯片的VS1和VS2引脚调整其开启电压。在电路设计中加入了储能电容，在没有可用的输入能源时提供连续的供电，温差发电电源管理电路如图6所示。

图6 温差发电电源管理电路

2.2 无线网关硬件设计

无线网关主控芯片选择了比数据采集终端更加强大的STM32F103RCT6，无线网关利用LoRa汇总数据采集终端采集到的线路温度数据，再将网关部分采集到的输电塔的工况环境数据和数据采集终端采集到的数据通过4G模块发送至后台，由后台统一进行管理[4]。

2.2.1 通信电路设计

利用风速传感器JXBS-3001-WS、倾角传感器SINDT-485和JXBS-3001-GXYL雨量传感器采集高压输电塔周围的环境数据，均采用RS485通信方式进行数据传输，RS485 隔离接口SP3485具有差分接收、差分驱动和三通道隔离功能，总线上最多连接256个节点[5]，RS485通信电路如图7所示。

图7 RS485通信电路

无线网关整合数据后通过USR-G770-4G模块传输至后台，4G模块采用RS232通信方式，使用MAX232芯片进行电平转换，将TTL信号转变成为RS232串口通信的信号发送给4G模块[6]，RS232通信电路如图8所示。

图8 232通信电路

2.2.2 数据存储电路设计

为防止网络不佳时数据无法正常上报，将无法上报的数据写入Flash闪存中进行保存，待网络恢复后再次上传，使用W25Q128芯片，W25Q128将16 MB的容量分为256个块，每个块大小为64 KB，每个块又分为16个扇区，每个扇区4 KB，W25Q128的擦写周期多达105次，具有20 a的数据保存期限，数据存储电路如图9所示。

图9 数据存储电路

3 系统软件设计

3.1 数据采集终端软件设计

数据采集终端使用LoRa进行星型组网，为降低数据采集终端的能耗，因此采用TDMA的通信技术对数据采集终端进行管理，保证了数据不会冲突，能更快地进入休眠状态，以达到节能的目的。

数据采集终端在完成初始化工作后，持续等待网关的配置命令，通过配置命令配置前端地址、工作周期以及相应的温度阈值。为实现TDMA的时间分配，通过地址分配逻辑时间，在初次发送数据时固定其发送时间段。配置完成后按照逻辑地址等待分配的时间段，到达发送时间后，数据采集终端向无线网关发送采集到的温度数据，并在收到网关的回应帧后更新时间以及上报周期。数据传送至网关后，数据采集终端进入休眠状态，等待下一次的发送时间，数据采集终端软件设计流程如图10所示。

图10 数据采集终端软件设计流程图

3.2 无线网关软件设计

无线网关作为数据采集终端星型组网的协调器，用于汇聚数据采集终端采集到的数据并整合发到上位机。无线网关软件设计流程如图11所示。

图11 无线网关软件设计流程图

无线网关定时向后台发送数据，并依次检查网关各个串口的状态，从而处理对应的接收帧。在无线网关部分通过中断的方式判断网关收到的是何种信息，分别为蓝牙串口的配置信息，后台发送来的响应帧以及数据采集终端通过LoRa发送来的传感器信息3种。

4 系统测试

4.1 系统功耗测试

为保证系统的使用寿命，在不进行数据传输的时候使整个数据采集终端进入休眠状态，将一个完整的工作周期分为工作状态和休眠状态分别进行测量。测量时在系统中串入电流表进行测量观察，通过式(1)进行计算：

(1)

式中：n为监测终端续航周期内可正常工作的次数；Q为电池总电量；Is为休眠电流；Iw为工作电流；ts为休眠时间；tw为工作时间。

通过实际测量得到每次采集数据和发送数据过程持续大约1.5 s，得到工作消耗电流量为72.23 mA·s，休眠状态时数据采集终端的瞬时电流为9.5 μA。

假设采用容量为9 000 mA·h的电池作为供电，每分钟进行一次数据发送，将数据代入式(1)中可推算出n=307 082，在无外部电源补充的情况下，系统总运行天数为213 d。

4.2 温差发电效率测试

为验证温差发电装置在系统中起到的电量补充作用，对温差发电效率进行了测量，通过在温差发电片两端形成温差，在热源和温差发电片之间使用高热导率低热阻的功能热界面材料进行导热，扩大温差，提高温差发电片的发电效率。通过测量4.7 Ω的采样电阻的电压来计算其发电效率，温差发电效率如表1所示。

表1 不同温差下温差发电效率

由表1可知本文中使用的温差发电片最大温差值保持在15 ℃左右，当温差大于5 ℃时，即可满足数据采集终端休眠时的电流消耗，大于5 ℃还可为电池电量进行补充，进一步延长系统的使用寿命。

4.3 数据采集测试

数据采集终端负责采集高压输电线路中导线连接点的温度，无线网关负责采集环境数据，主要包含风速、雨量和倾角数据，当节点温度数据产生异常时，进行报警，通过风速、雨量以及倾角数据进一步判断高压输电线路的工况，数据采集展示如图12所示。

图12 数据采集展示

当温度发生异常时，同时向手机APP发出报警，方便线路运维人员及时进行线路检修工作，APP数据展示界面如图13所示。

图13 APP温度报警界面

由图12、图13可以看出，本文设计的高压输电线路工况监测系统能够实现实时报警，提供相应的数据进行故障分析，并且具有低功耗，满足设计需求。

5 结束语

为了对高压输电线路工况进行实时监测，本文设计了基于LoRa通信技术的高压输电线路工况监测系统，完成了数据采集、监测系统上位机以及手机APP等软硬件开发，并结合应用场景引用了新型的温差发电技术，延长系统的使用寿命。实验结果表明，该系统具有低功耗、运行稳定等特点，可以为LoRa技术的应用提供参考。