北斗桿塔傾斜形變監測設備的設計與實現

熊躍軍，黃 爽，楊 育，劉 勇，劉蒙瑞，鄧 黠

（1.長沙學院電子信息與電氣工程學院，湖南 長沙 410022；2.星漢時空科技（長沙）有限公司，湖南 長沙 410003）

隨著國民經濟的發展，電力、通信網絡的覆蓋面積越來越廣，電力輸電線路和通信線路中大量使用了鐵塔，如高壓輸電線鐵塔、通信基站鐵塔等。鐵塔在電力輸電線路與通信網絡的覆蓋中起到了重要作用［1］。但是，由于一些自然災害（如雨雪、大風等）以及煤礦開采、工程施工、人為破壞等，塔體傾斜的情況時有發生。塔體傾斜經常會造成輸電線路和通信網絡中斷，嚴重的將引起倒塌事件。這些都將對輸電網的安全運行和通信網的正常工作造成極大威脅，給人民生命財產帶來損失［2］。因此對桿塔的實時傾斜形變監測顯得尤為重要。

桿塔監測目前還是以人工巡檢為主，無人機巡檢為輔。這些方法浪費大量的人力，且基本上很難實現預警，只能做到事后報告，而且報告存在不及時的情況，給生產和生活造成較大的影響［3］?；诖诵枨?，本文提出了一種無人值守，并能夠實現預警功能的桿塔傾斜與形變監測設備，用于電力或者通信等桿塔的傾斜與形變監測，基于北斗短報文、RTK以及一系列傳感器所獲取的桿塔的傾斜和形變等數據達到預先設定的預警和告警閾值時，立即向平臺發送預警和告警信息，以便及時響應，進行維護與維修。該設備主要依靠太陽能板對內部主電池充電，內部主電池提供系統的工作用電，同時設備另外自帶備用電池應對極端惡劣天氣下的供電問題。產品的可靠性要達到戶外工業等級要求，并符合電力系統EMC測試要求，能持續穩定和可靠地工作。

1 系統功能概述

北斗桿塔傾斜形變監測系統利用太陽能供電，內部集成了氣象傳感器、應力傳感器、北斗RTK模塊和傾角傳感器等多種高精度傳感器，實時采集相關數據，并將數據整合、分析和上傳，在服務器端加以識別和判斷桿塔的狀態。該設備由微處理器通過傾斜檢測模塊獲取塔體傾斜數據，通過RTK定位模塊獲取塔體高精度定位信息，通過氣象監測模塊采集風向、風速和雨量等數據，通過應力檢測模塊集中對塔體或者塔基受力變化進行數據采集，獲取的各類數據可以存儲在本地儲存模塊中，而關鍵數據經過安全加密后通過4G或者北斗短報文方式上傳至服務器端，微處理器上傳的數據可以在云平臺進行實時監控，通過對上傳的數據進行分析以實現塔體傾斜預警，便于維修人員進行預判和維修。其系統框圖如圖1所示。

圖1 系統連接框

2 硬件設計

該設備主要是由RTK定位模塊、傾斜檢測模塊、氣象監測模塊、應力檢測模塊、移動通信模塊以及太陽能板等組成，以實現對位置信息、氣候環境、塔體形變與傾斜等數據的采集、整合、分析與上傳。由于該設備用于塔體，無法直接通過市電等進行供電，因此在設計時便對各個模塊進行低功耗處理，比如，選擇的處理器支持低功耗，且能夠實現數據處理、分析等；在RTK定位模塊、傾斜檢測模塊、氣象監測模塊、應力檢測模塊和移動通信模塊等不需要采集相應數據的情況下，處理器需要對其進行電源管理，以實現各個模塊較低功耗工作，從而實現較長的待機時間。根據調查，鐵塔部分是高壓甚至超高壓傳輸電力線，輸電線周圍存在復雜的電磁環境，因此需要對設備進行電磁兼容設計，比如，處理器以及各個模塊在工作時會產生各種不同的發散電磁干擾，為了使電磁干擾在源頭上有所減小，采用多層印制板，并且配合適當的層疊結構，在最大程度上減少電磁干擾的發散，同時搭配屏蔽盒使用，以使得該設備在較復雜的電磁環境中能夠正常工作，同時不干擾外界環境。

主控是設備核心模塊，負責數據采集、處理、存儲和上傳等，同時協調控制各模塊的數據采集、整合等工作，為此采用市面上大量使用的意法半導體公司低功耗處理器。該處理器開發周期短、性能強、性價比較高、方便硬件裁剪，搭配RTK定位模塊、傾斜檢測模塊、氣象監測模塊、應力檢測模塊、本地存儲模塊、安全加密模塊、移動通信模塊以及太陽能板等以實現塔體數據采集與上傳［2］。

為了實現較高精度定位的需求，便于檢測與維修人員準確定位相應塔體的位置，本設備采用了RTK定位技術，同時為了降低開發周期和難度，選擇了市面上較為常用的RTK定位模塊，該模塊通過串口與處理器進行數據交換，處理器只需通過獲取RTK定位模塊的經緯度以及高程數據，即可獲取塔體的地理位置信息。此外，該模塊支持BDS、GPS和GLONASS全球定位系統，以實現多區域信號覆蓋。

傾斜檢測模塊用于檢測塔體傾斜程度，經多次實驗后采用了傾角傳感器，該傳感器能夠實現較高精度傾斜角度的采集，同時為了進一步提高采集精度，該設計采用了雙軸傾角傳感器，且自帶溫度補償，使精度得到進一步提升，采集精度達到0.01°，完全滿足測量的要求。

為了實現塔體傾斜無人監測，處理器將各個模塊采集的數據處理后，經4G模塊（移動通信模塊）上傳到云平臺，以實現真正無人監測。4G信號在國內廣泛覆蓋，且有較多的用戶，在短時間內信號體制不會廢除，保障了較長時間內4G模塊的正常使用。本文采用的是移遠的4G模塊EC20，在穩定性和可靠性以及EMC方面經受過嚴格的測試。

經過實地考察得知，塔體所在地有時是陰天，為了使設備在無光照（即連續數天陰天），且蓄電池電量已經用完的情況下仍能正常工作，在設備中加入了備用電池，使設備的續航能力進一步提升。由于移動通信模塊和北斗短報文模塊在發射的瞬間有較大的電流，這就要求電池有較大的放電能力，為此選擇一種可以重復充電的鋰電池，同時搭配相應的電源管理模塊，使鋰電池有較長的工作時間。

為應對桿塔傾斜和形變帶來的受力變化，設計了應力傳感器。應力傳感器采用振弦式應力傳感器，性能穩定，可靠性好。固定在塔體或者塔基上的應力傳感器在感應到塔體有異常受力變化時，會檢測到相應的形變數據，云平臺會實時顯示相應的數值變化曲線，維修人員根據此數據變化曲線判斷是否進行實地觀察和維修［4］。

為了監測塔體所在地的自然氣象數據，比如溫度、濕度、風力、風速、雨量、光照強度等自然信息，便于工作人員實時了解塔體周圍環境，在此設備中設計了氣象傳感器的應用，處理器將氣象傳感器采集的氣象數據上傳至云平臺，給工作人員提供對塔體進行維護、檢修、除冰等工作的依據。

本文考慮到設備安裝的部分地理位置特殊，比如在大山深處等沒有通信信號覆蓋的地方，在設計之初就考慮到在某一些地區可能搜索不到4G/3G/2G信號（地震災害過后通信基站遭到破壞或者野外無人區、海洋等移動信號未覆蓋的地區），設備采集到的信息無法通過移動通信手段發送出去。北斗短報文是一種直接和衛星通信的通信手段，基本是全覆蓋的，這樣將北斗短報文與該設備進行融合，兩者通過串口進行數據的交換，實現了在無移動網絡信號情況下的通信功能［5］。另外考慮到設備安裝的特殊位置，在4G模塊無法正常工作的情況下，檢修人員爬上鐵塔檢修設備不方便，且相關費用較高。通過無線通信模塊，實現在塔下故障信息讀取、判斷，方便檢修人員確定設備問題，同時為后期軟件升級提供了方案。

3 軟件設計

為了實現技術要求，桿塔傾斜監測模組軟件采用四層架構設計，分別是硬件驅動層、功能模塊層、業務邏輯層和應用層。軟件總體設計架構如圖2所示。

硬件驅動層主要是對各個外設模塊硬件與主控MCU（微處理器）連接的接口進行初始化，尤其是各種傳感器數據的獲取，方便功能模塊層實現各個模塊的驅動。

圖2 軟件總體設計架構

功能模塊層主要是對硬件驅動層進行進一步的功能封裝，通過底層驅動實現每個模塊的基本功能，為上層業務邏輯層提供相應的APⅠ。

氣象傳感器組成包括光照度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、溫濕度傳感器。氣象傳感器統一采用RS485接口與MCU進行通信。當傳感器采集數據時，首先系統會自動打開氣象傳感器模塊的電源，等待數據采集、處理、傳輸完成后，系統會自動關閉氣象傳感器模塊的電源，以此降低系統功耗。RTK模塊采用串口與MCU進行通信，模塊在接收數據時，首先系統會自動打開RTK模塊的電源，等待模塊數據接收、解析及處理完成后，系統會自動關閉該模塊的電源，以此降低系統功耗。EC20通信模塊采用串口與MCU進行通信，當EC20初始化時，首先系統會自動打開該模塊的電源，等待EC20初始化和數據通信完成后，系統會自動關閉該模塊的電源，來降低系統功耗。

業務邏輯層主要分為傳輸、采集、存儲、預警四個功能，能夠實現實時數據采集、上傳以及監測，并及時提供預警信息，便于監測人員及時發現險情，進行維修。

應用層程序采用高時效性的嵌入式實時操作系統FreeRTOS進行開發，由主程序創建相關業務線程，通過線程調度器對任務進行調度，在不丟失性能的情況下保證每個任務的實時性。

鑒于該終端是物聯網的典型應用，本文采用MQTT協議進行數據傳輸。MQTT是一個由ⅠBM主導開發的物聯網傳輸協議，它被設計用于輕量級的發布、訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩定的網絡環境中的物聯網設備提供可靠網絡服務。

4 系統調試測試

本文對主要傳感器RTK數據進行測試，RTK的結果數據（如下圖3、4、5、6）表明，設計最終能夠達到高精度的應用，進而可以用來監測桿塔傾斜和形變，從測試結果來看，完全達到了厘米級的測量精度。

傾角傳感器通過計量院標準設備進行測試，不同傾角測量的數據如表1所示，可以看出傾角傳感器精度在一定范圍內接近0.01°的測量準確度。同一傾角多次測量的穩定度較好，數據如表2所示，試驗設定的角度為5°，實際多次測量的平均值約為4.997 47°，標準偏差約為0.003°。從測量結果來看，不管測量準確度還是測量穩定度都達到了較好的指標。

圖3 單點定位數據（東向）

圖4 單點定位數據（北向）

圖5 RTK定位數據（東向）

圖6 RTK定位數據（北向）

表1 傾角傳感器準確性計量檢測結果

表2 傾角傳感器穩定性計量檢測結果

5 結論

本文介紹了北斗桿塔傾斜形變監測設備的設計與實現，多傳感器融合、多種通信機制、低功耗、數據安全機制、電力物聯網的結合，將在電力桿塔、通信桿塔實時傾斜形變監測中起到避免或減少桿塔傾倒造成損失和影響的作用，如果將其運用到地質災害監測、房屋倒塌等方面，還會有更廣泛的應用空間。