智慧路燈桿安全管家系統研制

王香玉，鐘煒俊，唐升，劉玉潔

（珠海城市職業技術學院，廣東珠海，519090）

0 引言

隨著5G網絡建設大規模提速，各運營商積極部署5G基站建設，基站建設數量和密度成倍增加，建設難度也隨之提高，共享電力設備成為一種優選且必然的解決方案。城市管理部門在進行城市規劃和建設時，將路燈桿作為一種公共資源，除沿用原有的路燈功能，還增加了外掛5G基站、安防攝像頭、無線WiFi、氣象采集、大氣環境檢測等設備。為了完成所述增加的功能，需要另外分配一組電源來給它們供電，與路燈電源分開，還需要增加設備安裝柜和桿上安裝位。這樣就會帶來兩個安全問題，第一由于增加了一組電源且一般來說設備安裝柜會處于燈桿的下部，連接線多設備多，存在因下雨或積水而引起漏電的風險，從而引發行人觸電。第二路燈桿上增加了設備箱、外掛桿后安裝更多的設備后負載重量增加，導致路燈桿的傾斜，而且這種智慧路燈桿一般安裝在繁華地區，桿子傾斜隨時會倒塌傷及過路行人。而具備上述安全隱患的路燈桿平時很難及時發現，只有在惡劣天氣情況下容易發生安全事故。然而，現有的電線桿安全排查工作仍然停留采用傳統方式，進行人工排查測量記錄，不僅費時費力，有時還查不出問題，而且無法實現實時監控，一旦發生事故無法及時處理。

綜上，本項目主要圍繞智慧路燈桿如何實現實時監控、智能預警等功能展開研究，提出智慧路燈桿安全管家解決方案。在智慧路燈桿的電源引入處增加漏電流、漏電壓的檢測，在路燈桿的垂直位置安裝高精度傳感器以檢測垂直度，利用以太網通信技術，將監測到的數據發送到管理中心服務器，發現問題及時報警，漏電時斷電保護，并上報信息到監控中心，設備維護人員可以盡快修復處理，這樣可降低城市管理部門維護成本，提高工作效率和質量，高效保障市民生命安全。

1 總體設計思路

智慧路燈桿安全管家系統的總體框圖設計如圖1所示，主要包括以下部分：智慧路燈桿體內的安全監測器、控制中心機房的服務器，以及檢修技術人員手持移動終端設備[3]。安全監測器采集智慧路燈桿的工作參數，包括漏電流、漏電壓、傾斜角，然后利用有線通信網絡將監測工作參數傳回到服務器管理平臺，管理人員通過電腦瀏覽器以Web方式登錄后臺管理系統，即可實時遠程監測智慧路燈桿狀態。

圖1 系統總體框圖

本系統設計主要分為硬件終端和應用軟件兩部分，其中硬件終端為智慧路燈桿安全監測器，應用軟件部分包括上位機的管理系統以及客戶端的應用程序。本文主要探討智慧路燈桿安全監測器研制。

2 安全監測器硬件設計

安全監測器是本系統核心主體，它主要由主控模塊STM32，傾斜角和漏電傳感器，以太網通信模塊，GPS模塊，以及電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 安全監測終端硬件結構

2.1 主控模塊

主控模塊功能主要為采集路燈漏電和桿傾斜兩大安全指標數據，并且實現遠距離數據傳輸。為滿足本系統實現低功耗、高性能、可外拓功能的設計要求，主控芯片選用了意法半導體的STM32F407VET6，相對于STM32F1，主要優勢如下[1]：

(1)更先進的內核

STM32F4為Cortex M4內 核，與Cortex M3內 核 的STM32F1相比，還帶FPU和DSP指令集。

(2)更低的功耗

STM32F40x的功耗為238μA/MHz，而STM32F1高達421μA/MHz。

(3)更高的性能

STM32F4最高運行頻率可達168MHz，相當于FLASH零等待周期；而STM32F1只能到72MHz，且需要等待周期。

(4)更多的資源

STM32F4片內SRAM為192KB，擁有攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高速OTG等。

(5)更強的外設功能

STM32F4的模數轉換速度更快、ADC/DAC工作電壓更低、IO復用功能強大、USART和SPI通信速度更快。

2.2 傾斜角傳感器

路燈桿的傾斜角是指桿和豎直面的夾角。目前路燈桿傾斜度的測量方法有兩大類。一類采用經緯儀測量，另一類采用光學測量的方法。經緯儀測量，精度較差，容易受周圍環境以及人為因素影響。而光學測量雖然精度高，但成本高。而這兩種方式均需依賴人工操作，且都存在無法實現實時測量的弊端[2]。本項目采用三軸加速度的方法測量，無論坐標系如何轉動，重力加速度始終均指向地心，以重力加速度為參考，測量重力加速度在X、Y、Z三個軸上的重力分量，利用三角函數公式，可算出XY軸的平面與重力線的夾角為傾斜角，如圖3所示。

圖3 傾斜角測量原理

本項目三軸加速度傳感器選用了MMA8451Q，該款傳感器為智能低功耗三軸容性微機械數字加速度計，分辨率為14位，自帶智能低功耗控制，電流僅消耗6μA~165μA，通過編程控制可設置中斷節省整體功耗[3]。如圖4所示，MMA8451Q通過I2C接口與MCU通信，而且MMA8451Q體積小，非常符合本系統設計要求。

圖4 傾斜角傳感器電路原理圖

2.3 漏電傳感器

目前金屬燈桿的使用越來越普遍，而金屬燈桿的電氣部分（燈頭、燈泡、導線、接線端子、路燈附件（鎮流器、啟輝器、保險等）全部安裝在金屬燈桿上（或燈桿內部）。由于種種原因導致電氣絕緣損壞或老化故障直接使得金屬燈桿桿體帶電。解決路燈漏電問題的方法多種多樣，本系統提出一種通過采集電氣運行參數對其進行檢測從而判斷是否參在路燈桿漏電故障的方法，電氣運行參數主要為漏電流。漏電流檢測擬采用開口式互感線圈獲取信號，如圖5所示。如果用電端有漏電，則火線零線中電流不相等，感應線圈中就能檢測到信號[4]，如圖6所示。經放大器放大整理后送往主控模塊進行A/D處理，主控模塊根據設定的閾值來判斷報警以及漏電保護動作，通過參考標準《GB13955-2005》和《GB/T3805-2008》本系統對燈桿的漏電閾值設為30mA。為實現有效保護，電流互感器選擇檢測靈敏度小于5mA，遠小于漏電開關的動作電流。另外還可在電路回路中串個電阻，從而實現漏電壓的監測。

圖5 開口式互感器

圖6 漏電傳感器測量原理

2.4 以太網通信模塊

主控芯片STM32F407VET6內置一個10/100 MB以太網MAC控制器, 只需外加一個PHY芯片, 即可實現網絡通信功能[5]。本系統PHY芯片選擇SMSC公司生產的LAN8720A，它內置10-BAST-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊, 支持10 Mbps和100 Mbps兩種傳輸速率。通過自協商的功能，可實現與目的主機最佳的連接方式，包括確定速度和傳輸模式。LAN8720A還支持Auto-MDIX自動翻轉功能,無需更換網線即可將連接更改為直連或交叉連接[6]。

LAN8720A作為STM32的以太網芯片，接口為簡化媒體獨立接口RMII, 其特點是信號線少，這樣就可占用較少的I/O，只再加上自帶網絡變壓器的RJ45頭, 便可組成一個10/100 MB自適應網卡。圖7為LAN8720A硬件設計原理圖。

圖7 LAN8720A硬件設計原理圖

2.5 電源模塊

安全監測終端采用5V電源適配器供電，由于系統主控芯片，PHY芯片等多處需要使用3.3V工作電壓，所以需要進行電壓轉換。轉換芯片選用AMS1117-3.3，它是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩壓器[7]，使用非常方便，只需將5V正極接到芯片的Vin,負極接到GND，那么Vout即可輸出3.3V電壓。AMS1117-3.3硬件電路原理圖如圖8所示。

圖8 AMS1117-3.3硬件設計原理圖

3 安全監測器軟件設計

根據本系統的功能需求，在安全監測器硬件基礎上進行相應的軟件設計，主要包括在STM32F407VET6采集傾斜角和漏電傳感器數據信息，通過TCP/IP協議與上位機通信，實現數據遠程傳輸。軟件總體設計框圖如圖9所示。由于TCP/IP協議龐大，不適用于嵌入式系統開發[8]。本系統選用了LwIP協議棧實現以太網的TCP/IP通訊。LwIP是瑞典計算機科學院開發的一個小型開源的TCP/IP協議棧，具有功能完善、開源和占用內容少等特點，它通過內容共享方式使得“精簡版”的TCP/IP協議適用于資源有限的嵌入式系統[9]。由于篇幅受限，軟件各部分具體功能函數在此不作贅述。

圖9 安全監測器軟件總體設計

4 系統測試

安全監測器完成研制后，接入智慧路燈桿安全管家管理系統平臺，在廣東某生態小鎮進行了實驗。在PC或手機端輸入系統平臺的IP地址、正常登錄，即可進行相關的瀏覽及操作。查看9米4號桿監控點，在系統中可以監測到其具體地理位置，燈桿傾斜度為0.052°，桿體漏電壓為0.7V、漏電流為16mA，如圖10所示，從而判斷該桿體傾斜處于正常狀態，桿體有輕微漏電流。

圖10 系統實時監測燈桿傾斜角、漏電壓、漏電流

另外本系統可以保留歷史數據，如若由漏電流超過告警閾值則會發出告警信息，從圖11中可以看出9米4號桿的歷史數據及趨勢圖，數據都處于紅線（告警閾值）范圍內，其中漏電流平均約15mA，有輕微漏電。

圖11 系統監測數據折線圖

5 結語

本項目設計開發了一套基于STM32F407VET6和以太網通信模塊LAN8720的智慧路燈桿安全管家系統。該系統利用傳感器采集到的數據經STM32F4處理后和傳輸到路由器，通過PC終端遠程采集智慧路燈桿安全工作參數，一旦有異常報警，城市管理部門可即刻進行處理，從而提升新型智慧城市數字化、智能化管理能力。經運行測試，該系統實現設計功能，性能指標達到預期目標。