一种电线杆倾倒报警定位系统设计

郑洪庆，程 蔚，俞厚泉

（1.闽南理工学院 电子与电气工程学院，福建 泉州 362700；2.工业自动化控制技术与应用福建省高校重点实验室，福建 泉州 362700）

0 引 言

我国国土广袤，幅员辽阔，在这片土地上地理因素复杂，全国各地电网布局所覆盖地区的地域及土质各有差异，气候也各不相同[1-2]。尤其在南部地区，我国南部地区山多且水汽重，较多地方的地貌和土质相对而言均存在不稳定因素[3]。由于地质不稳定、供电线路冻结、供电线路异动等因素都有可能引发输电线路杆塔的倾斜，甚至导致输电线路杆塔倒塌，影响供电线路稳定运行[4]。如今最主要的检测方式，依旧是依靠电网工人逐步排查检测，这种做法不仅费时费力，还会受到地形地貌的影响，有一些地区的电线杆塔无法得到及时检测，存在较多危险因素[5-6]。

因为供电线路塔歪斜倒塌、短路等情况经常出现在人迹罕至的高纬度地区，而区域的自然条件相对更加复杂多变，因此发生故障后检修难度较高[7]。供电线路周围围绕着较强的电磁波动，对信号的传输有极大影响，导致信号传送的精准度大幅降低[8]。之前，供电线路杆塔的监控设备为有源电子传感器，这类仪器虽然具有精准度高、反馈快等优点，但存在维护不便、设备供电装置受限、信号传输易受电磁干扰等缺点[9]。

输电线杆塔在电力系统中属于重要的基础设施，保证输电线杆塔的安全对于电力传输的安全性和可靠性有着重大意义，它对保障电力系统的正常、安全运行举足轻重，因此需要定时对输电线路进行检测，使输电线路能够处于安全的状态[10-11]。电路巡查这项工作对于电网公司来说一直都是繁重的，并且巡查这项工作往往都由人工完成，极大增加了人工成本。由于输电线路较长、分布较广，且在某些偏远地区时常会碰到恶劣复杂的地形[12-13]。这种情况对于巡查工作而言是一项巨大的挑战，不仅需要花费大量的时间、精力排查，更由于调查结果具有主观性，一些数据人为检测不便，因此无法满足全天检测输电线杆塔的要求[14-16]。

综上所述，本文设计了电线杆倾倒报警定位系统，该系统对电线杆塔的角度进行测量，并对GPS 数据进行解析，然后对设备当前状况进行判断，之后使用NB-IoT 网络将设备数据上传至云平台，上位机通过与云平台通信，获取云平台中下位机上传的数据，然后显示在界面上。经过实验，本系统对角度检测准确，定位更加精准，能够将数据完整上传至云平台。上位机能够正确向云平台请求数据，并分析和使用平台返回的数据，解决了巡查人员巡查不及时或者定位不准确造成事故的问题。

1 总体方案设计

本系统通过ADXL345 模块对电线杆倾斜角度进行测量，使用NEO-6M GPS 模块获取当前设备坐标，经过数据处理，通过NB-IoT 网络将数据传输到OneNET 平台；手机APP 从OneNET 平台获取数据，然后将数据处理后显示，以达到监控下位机状态和提醒用户设备异常的目的。系统总体框图如图1 所示。

图1 总体框图

下位机采用STM32F103RCT6 芯片作为主控芯片，供电部分采用锂电池供电，通过TPS63020 芯片对电池输出进行稳压后供给单片机及其外设使用，并使用太阳能板和CN3791 芯片对电池充电。使用ADXL345 模块检测电线杆的倾斜角度，使用NEO-6M 模块获取当前设备坐标，通过M5310-A 模块使用NB-IoT 网络连接OneNET 平台，定时将数据上传到OneNET 平台。

2 硬件设计

本系统的硬件包括单片机最小系统、三轴加速度传感器、M5310-A 模块、GPS 模块和太阳能充电模块等。

2.1 单片机最小系统

系统采用STM32F103 作为核心芯片。该芯片有64 个引脚，共有42 个GPIO 可供使用，其片内有5 路串口、16 路ADC 通道，2 路硬件I2C 通道等。此最小系统使用8 MHz 晶振，最大时钟频率为72 MHz，最小系统还可以通过J-Link或ST-Link 接入SWDIO 和SWCLK 将程序烧录到单片机中。STM32F103 单片机最小系统如图2 所示。

图2 STM32F103 最小系统

2.2 倾斜角度检测模块

系统采用ADXL345 传感器作为倾斜角度检测模块。ADXL345 是ADI 公司推出的基于iMEMS 技术的3 轴数字输出加速度传感器。ADXL 支持标准的I2C 或SPI 数字接口，自带32 级FIFO 存储，且内部有多种运动状态检测方法和灵活的中断方式等。本文采用I2C 数字接口，传感器的SDA、SCL 脚分别与MCU 的GPIOA_PIN_12、GPIOA_PIN_11 连接，INT1 脚与GPIOA_PIN_0 连接，用于当MCU 进入休眠模式时将其唤醒。ADXL345 连接电路如图3 所示。

图3 ADXL345 电路连接图

2.3 NB-IoT 硬件电路

M5310-A 是一款工作在频段Band3/Band5/Band8 的工业级NB-IoT 模组，作为M5310 的升级版，其封装尺寸及软硬件接口同M5310 完全兼容，采用LCC 封存。其尺寸为19 mm×18.4 mm×2.2 mm，可最大限度满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。M5310-A 在支持M2M 芯片和OneNET 云平台协议的基础上，支持最新Release14 标准、更高的通信速率，支持基站定位。同时，M5310-A 增加了FOTA 功能，方便进行远程固件升级。凭借其紧凑的尺寸、超低的功耗、超宽的温度范围，M5310-A 可广泛适用于智能抄表、智慧城市、智能家居、智慧农业等应用场景，用以提供完善的数据传输服务。

M5310-A 模块正常工作时需要连接SIM 卡接口电路、天线接口电路和复位电路。根据官方推荐，SIM 卡需尽量靠近模块，走线尽可能小于200 mm。为避免DATA 与CLK 之间产生干扰，要对其屏蔽，在M5310-A 与SIM 卡的连接处添加电阻。连接电路如图4 所示。

图4 SIM 卡连接电路

根据官方提供的射频参考电路，将电路图设计为Π 型匹配电路，其中C1、C2缺省不使用，且天线焊盘接口到天线连接器之间的射频走线的特性阻抗要控制在50 Ω 左右，走线尽可能短，连接电路如图5 所示。复位电路中的RESET1引脚与MCU 的GPIOC_PIN_5 脚连接，如图6 所示。

图5 天线连接图

图6 M5310-A 复位电路

M5310-A 模块总连接图中，TX、RX 通过1 kΩ 的电阻与MCU 的PB10 和PB11 连接，如图7 所示。

图7 M5310-A 模块连接图

2.4 GPS 模块

本文采用瑞士u-blox NEO-6M GPS 模块获取电线杆的位置。u-blox 6 满足了部分产品低功耗和低成本的需求，具有针对低功耗应用的突破性智能电源管理功能。此系列接收模块在小巧的封装中提供了高性能和高层次的集成能力，这对于具有严格尺寸要求及成本要求的终端产品而言更加友善。模块可以通过DDC 接口与u-blox 无线模块LEON 和LISA互连。

NEO-6M 模块与STM32 的连接采用串口通信，即与PA2、PA3 进行连接，如图8 所示。

图8 GPS 模块与STM32 连接图

2.5 太阳能充电模块

本设计采用CN3791 芯片对锂电池充电进行管理。当太阳能板输出电流的能力减弱时，CN3791 芯片内部电路能够自动跟踪太阳能板的最大功率点，因此可以最大程度利用太阳能板输出的电流。本设计采用6 V 输入电压，通过芯片对3.7 V锂电池充电。将模块的VCC引脚连接到太阳能板的正极，GND 脚接在一起，在COM 端到地之间串联120 Ω 的电阻和220 nF 的电容，做回路补偿；将DRV 端连接到P 沟道MOS场效应晶体管的栅极；由于VG 脚是内部电压调制器的输出，因此在VG 管脚与VCC 之间需连接一个电容。其中，CHRG和DONE 作为显示充电状态的端口，连接LED；MPPT 作为太阳能板的最大功率点跟踪端，需通过电阻将输入电压分压到1.205 V；将芯片输出端正极接入电池的正极以及TPS63020芯片的输入端正极。太阳能充电模块原理如图9 所示。

图9 太阳能充电电路

3 软件设计

本系统工作流程大致如下：

（1）系统上电后对芯片引脚和各模块进行初始化处理；

（2）读取ADXL345 模块和GPS 模块数据；

（3）对读取的数据进行处理，并判断目前设备是否安全；

（4）将数据信息发送到OneNET 平台；

（5）设备进入等待周期，周期结束后重复步骤（2）～（4）；

（6）运行一段时间后，设备进入休眠状态，并将所有外设设为休眠模式；

（7）被中断源或RTC 唤醒后，再将外设唤醒，并重复步骤（2）～（6）。

系统流程如图10 所示。

图10 系统流程

3.1 ADXL345 传感器工作流程

首先，单片机初始化后对ADXL345 模块进行初始化操作，然后MCU 发起数据请求，等待传感器发送数据，当MCU 接收到数据后，对原始数据进行分析，将采集的数据转化为对应的角度，最后判断角度是否在正常范围内，并发送至云端。ADXL345 读取数据流程如图11 所示。

图11 ADXL345 读取数据流程

3.2 GPS 模块数据读取

在NMEA-0183 协议中采用ASCI Ⅱ码发送定位数据，其格式为$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh，由于需要获取GPS 设备，因此需要对开头为$GPRMC 的数据进行处理，获取GPS 数据。GPS 数据处理流程如图12 所示。

图12 GPS 数据处理流程

3.3 NB-IoT 通信模块数据处理

本设计采用的NB-IoT 通信模块为M5310-A 模块，该通信模块使用LWM2M 协议与平台通信。当主控芯片上电后，通过串口发送AT 指令来配置M5310-A 模块，在检测模块是否正常时需要判断模块是否开机上电成功、查询是否有SIM 卡、检测信号质量、PS 域附着状况，然后再对模组PDP 上下文状况进行查询，只有PDP 状况正常时才能开展相关业务。M5310-A 模块上电初始化检测流程如图13所示。

图13 模块检测流程

完成检测后才能向平台注册，在注册之前要先将所需上传的资源初始化，订阅上传数据的Object 和Resource 资源，当所有资源都订阅好后再登录平台，进行数据上传操作。设备登录平台流程如图14 所示。

图14 设备登录平台流程

本系统在非休眠状态时定时发送数据，每隔一段时间进行一次数据的读取以及发送数据的操作。需要注意的是，两次发送时间间隔不能低于设备的存活时间，否则设备会与平台失去连接。数据上报流程如图15 所示。

图15 数据上报流程

4 实验结果与分析

4.1 实物制作

本系统中的下位机PCB 图，实物等，分别如图16、图17、图18 所示。

图16 PCB 图

图17 实物

图18 下位机整体图

4.2 系统调试

由于条件有限，本文采用相机支架模拟电线杆。下位机正常放置（为调试方便不加入太阳能充电板）。设备状态：设备为水平状态放置，放置地址为闽南理工学院宝盖校区教学楼二。设备放置如图19、图20 所示。

图19 水平放置俯视图

图20 水平放置正视图

云端数据如图21、图22 所示。

图21 云平台GPS 数据1

图22 云平台角度数据1

上位机APP 设备数据和设备详细数据如图23、图24所示。上位机APP 地图界面显示如图25 所示。设备状态：设备为水平状态放置，放置地址为闽南理工学院宝盖校区教学楼二。调试结果显示设备在线，且处于正常状态。

图23 APP 设备列表1

图24 设备详细数据1

图25 APP 地图数据显示1

下位机在倾斜状态下放置。设备状态：设备为倾斜状态放置，放置地址为闽南理工学院宝盖校区教学楼二。设备放置如图26、图27 所示。

图26 倾斜放置正视图

图27 斜放放置后视图

云端数据如图28、图29 所示。

图28 云平台GPS 数据2

图29 云平台倾角数据2

上位机APP 详细数据如图30、图31 所示。上位机APP地图界面显示设备异常，如图32 所示。APP 会通过推送消息以及振动来提示用户设备出现异常，如图33 所示。

图30 APP 设备列表2

图31 设备详细数据2

图33 消息提示

5 结 语

针对当前国内电线杆塔需人工巡查，存在无法满足全天检修的要求、费时费力、检测过程易受环境影响等问题，本文设计并实现了一种基于NB-IoT 的电线杆倾倒报警定位系统。文中首先对国内电网线路检测的现状进行了了解与分析，还结合了当前的新兴技术—NB-IoT 设计了通信模块，主控MCU 选取STM32F103RCT6，结合外围电路实现了系统的硬件设计，并实现了设备与云平台的对接。基于Android系统进行上位机APP 开发，实现了下位机多节点数据可视化。本系统改善了传统电线杆塔检测的不足，实现了在新技术下基于NB-IoT 的电线杆倾倒报警系统的设计。