基于LoRa的低功耗可調限高龍門架設計

摘要：在當前限高龍門架的應用中，存在結構固定、警示單一，且無法回收再用等問題。基于當前龍門架設計的不足，提出了一種基于無線擴頻LoRa技術的低功耗可調限高龍門架設計，同時研究了基于LoRa的低功耗物聯通信架構以及相應的圖像識別傳感器網絡結構，并通過雙通道實現數據的可靠傳輸。最后通過實驗驗證了本裝置可行性及其低功耗等特性，裝置具備可調限高、聲光報警、記錄等功能。

關鍵詞：龍門架;LoRa技術;無線傳輸;圖像處理;低功耗

0? ? 引言

隨著城市化進程的加快，輸電線路線底過往大型施工車輛增多，由于道路施工，過高車輛經過線底，因凈空距離不足導致線路對地放電的線路跳閘事故時有發生。

為保證線路的安全運行，通常要在線側道路上安裝限制車輛高度的龍門架，由于現有龍門架的高度限制都是固定的，所以存在高度調節靈活性差、消耗快等缺點，并且無法在有特殊需求的情況下進行相對的操作應用;同時，交叉跨越的輸電線路在受到大風、地陷、樹木生長、溫度變化等因素影響時，相應的交叉跨越的距離會有一定的變化，所以固定式的限高龍門架無法在放電間距變小的情況下進行調節，以致在高速公路上有過高車輛經過線底時線路會發生放電，進而引發嚴重的事故。所以根據實際架空輸電線路，對其變化的交叉跨越距離進行準確測量，并作出相應的預警和調整是十分關鍵的。

在這樣的實際應用需求下，針對可調限高龍門架的架構進行搭建，設計研究相應升降控制系統，可進一步預防因線路下方凈空距離不足而發生的跳閘事故;同時，綜合考慮低電壓、超低功耗、性能可靠等因素，設計集聲光警示及過程記錄等功能于一身的可調高度限高龍門架，其具有十分廣闊的應用前景。

1? ? 可調節限高龍門架方案設計

1.1? ? 主體框架結構

作為應用于高壓輸電線路下的限高龍門架，其主體結構主要采用高強度絕緣材料，頂部桿體利用高強度絕緣材料進行搭建。同時內部利用多只高強度的絕緣伸縮桿體構架，通過滑輪拼接以實現調節龍門架高度的功能。

根據國內外工程導線對公路交叉跨越距離的要求，以及110 kV、220 kV輸電線路跨越公路時導線對公路路面的最小垂直距離的規定，即設計其總高度為5 100 mm，對于其他等級公路，可適當降低或者提高限制標準[1]。根據以上規程要求，設計可調節升降龍門架尺寸圖，如圖1所示。

其中伸縮桿體結構主要采用滑輪組進行升降，升降控制箱主要由主動機構、滑輪組機構、執行機構和控制系統組成，通過與監測裝置后臺的綜合處理，從而完成滑輪組升降限高主桿操作。

1.2? ? 通信及識別采集裝置設計

為識別在一定距離范圍內將要通過的高于限制高度的車輛，設計裝置通過在線監測系統以及傳感器測量裝置進行反饋。識別限高采集裝置，采用整體機構化的設計原理，主要由數據采集器和高度識別傳感器組成。系統固定安裝位置為龍門架頂端的中點附近，取正對車輛運行的方向，故相應受到的干擾較少，并可通過轉動進行測量裝置的調節。

為得到相應的測量數據，獲取準確的測量高度、距離、角度等參數，要搭建以下五個測控單元：信息采集模塊、圖像識別部分模塊、單片機控制模塊、通信傳輸模塊、遠程監控模塊。測量裝置基于LoRa通信技術進行數據的輸送和讀取，其具有傳輸距離遠、多節點、功耗低、可靠性高的優點。另外，該裝置系統圖像采集部分在原有多功能立桿監控裝置控制主機集成的基礎上，采用基于4G傳輸通信和LoRa通信技術結合的一體化通信設計，實現道路測量數據和外破圖像的實時回傳。同時還可將監控的外破圖像數據一并通過4G專網傳送至后臺主站，進行過程記錄，其中多功能監控裝置配置一個200萬像素紅外夜視球機和一個全彩星光級槍機，以實現全天監控回傳的目的。

2? ? 基于LoRa技術的通信及圖像采集識別研究

2.1? ? 基于LoRa的低功耗物聯通信架構

為實現龍門架的在線調節以及實時數據的準確回傳，本文研究通過在可調節龍門架上布置集成LoRa通信組件和各類傳感器，實現采集信息的快速識別以及監控圖像的準確回傳。

各傳感器之間需建立關聯通信，通過每個傳感器獨立的LoRa組件與電箱中LoRa基站進行互通，完成各傳感器信息的交互。同時，LoRa組件可以通過間隙跳躍的通信協議進行自動組網，并將從傳感器處獲得的感知數據通過兩通道進行傳輸：其一通過內置光纜線路傳輸至識別系統，其二通過4G傳輸通信回傳至系統監控內網。

為了使監測信息更加具有針對性，龍門架傳感器所獲取的數據要有根據重要性分類的劃分。針對數據的重要程度，通常可劃分為一般日常記錄數據及重要突發性數據。第一類數據對傳輸的時效性以及優先級都要求較低，即可通過周期傳輸通道進行交互;重要突發性數據要求傳輸數據要及時同步至后臺，對時效性要求最高，并要保證傳輸通道的優先級。因此，通過通道的區分和分時分段傳輸，可以高效利用通信協議進行數據傳輸。

將各通道抽象成為線性鏈式網絡，為避免無線傳輸干擾，LoRa基站間多跳自組網中，每個基站在一個給定的時隙上，利用分配的信道將網關本地傳感器采集到的數據傳輸至后臺云端。本文將LoRa基站分成兩組，編號為奇數的LoRa基站作為一組，編號為偶數的節點則是另一組。在一個發送時隙內，一組節點發送它們的數據，而另一組接收數據。

2.2? ? 傳感器識別系統

在基于LoRa的低功耗通信架構的基礎上，為了識別一定距離范圍內移動車輛的高度，本系統需再構建基于車輛特征的運動目標檢測和跟蹤的圖像識別系統。當前傳輸質量較高的傳感器為CMOS和CCD，這兩者都是基于二極管將圖像信息轉換為數字信號進行工作的，但兩者在處理之后進行數據傳輸的方面存在區別，其中CCD傳感器在圖像采集分辨率以及轉換數據準確性方面更優異，因此本系統擬采用CCD圖像傳感器。

對于圖像采集部分，采用專用芯片FPGA+DSP的采集系統，該專用芯片可以對圖像及視頻進行良好的數字化轉換，并且對其他傳感器部分進行同步。對于圖像壓縮部分，由DSP控制讀取數據，針對具體的圖像信息標準進行壓縮，以減小信息傳輸的容量，提高識別運算速度。為了提高龍門架發出警示的靈敏性，本系統還需要提早獲取遠端測量的圖像數據，故采用長焦鏡頭對車輛信息進行采集。

圖像采集單元與基于LoRa的無線通信模塊相結合，通過單片機RS485接收圖像傳感器信息，采集龍門架前方道路圖像，并傳輸至嵌入式系統單元，以此對通道保護區內的異常高度車輛、大型超高機械等情況進行監控，并控制龍門架進行相應的高度調節以及限高警示報警。同時，前端多功能立桿外破監控裝置通過4G通信通道將監控圖片上傳到后臺主站，由后臺智能分析模塊對監控圖片進行分析，判別是否有安全隱患發生。

2.3? ? 低功耗設計

為使系統可以長時間保持穩定的傳輸及控制相應的高度，降低裝置整體功耗、延長其使用壽命對于裝置也是至關重要的[2]。在以上通信架構和傳感器應用的基礎上，為實現低電壓、超低功耗等特點[3]，將車輛信息采集器置于休眠狀態，其LoRa通信模塊工作時也處于省電模式，圖像識別監控裝置會通過LoRa通信模塊定時喚醒數據采集器，完成車輛數據的采集并定時上傳至后臺。

工作流程如下：休眠模式應在傳感器工作間隙開啟，并在每個休眠階段打開信號接收窗口，以便確認通道中是否有“前導碼”接收;每當收到一條“前導碼”會立即喚醒休眠模式，以此實現周期性的開啟和接收，該開啟接收階段的工作電流可以控制在1.5 mA以下，以降低空閑模式下的功耗。在確認接收信號的準確性后開啟工作模式，即可通過內置電源和模數轉換器完成數據接收處理，在該條信息處理完結后即可再次關閉。處理后的數據通過無線傳輸發送至后臺，發送結束后發送關閉響應，再次進入外部低頻的等待模式。整個過程網關每間隔5 min進行一次數據對比，采集外加發送時間整體控制在4 s以內，全系統的功耗可以控制在150 mA以下。在內置太陽能電源每小時接受光照2次的基礎上，理論計算后本裝置可持續運行100天以上。

3? ? 實驗驗證

為了驗證本文設計的可調龍門架對圖像信息識別的準確和可靠性，及其是否符合整機功耗低、傳輸準確等設計思想，同時具備低電壓、超低功耗、性能可靠等特點，本文以模擬某220 kV線路跨越道路區段為例，分別布置三處模型，針對不同高度模型的圖像數據進行圖像處理并得到最終的二值圖像，經過圖像掃描計算后，得到實驗數據表1。由表1中數據可以看出，模型計算高度均略高于測量值，同時隨著高度的增加誤差增大，但相對誤差最大未超過3%，證明整體誤差在允許范圍內，驗證了本裝置可以準確識別車輛高度，并完成相應的調節及預警。

4? ? 結語

綜上所述，現場實驗驗證了本文所述可調龍門架具備低功耗、無線傳輸、圖像識別等特性，能實現針對輸電線下車輛通行的精確采集、識別以及數據的雙通道可靠傳輸。具備聲光警示及過程記錄功能的可調限高龍門架的研制，既能減少過高車輛對線路安全穩定運行的威脅，又能達到預防為主、記錄為輔的安全警示作用。

[參考文獻]

[1] 袁磊，孫麗萍，任濤龍，等.多功能作業車升降式作業平臺強度分析及結構改進[J].大連交通大學學報，2013，34（4）：35-38.

[2] 鄭寧，楊曦，吳雙力.低功耗廣域網絡技術綜述[J].信息通信技術，2017（1）：47-54.

[3] 邵嘉，龐成鑫，盧小姣，等.LPWAN技術在能源物聯網領域應用研究[J].物聯網技術，2018，8（12）：44-47.

收稿日期：2019-11-25

作者簡介：周宇堯（1990—），男，貴州福泉人，工程師，從事輸電線路運行與維護工作。