基于STM32的變電站智能巡檢小車

薛誓穎，趙 祥，郭 超

（1.河南職業技術學院，河南 鄭州 450000；2.恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，用電人群越來越多元化，用電范圍越來越廣，隨之而來的是變電站的建設規模逐步擴大，變電站設備所處的環境越來越復雜，設備巡檢的內容也越來越多，僅憑變電站巡檢工作人員的經驗，已無法滿足日益復雜的變電站巡檢需求，且很難對設備巡檢結果做出準確、全面的判斷，給變電站設備和電網的安全運行帶了隱患。隨著人工智能巡檢技術的迅速發展，采用變電站智能巡檢小車代替或輔助人工完成巡檢已不再遙遠，采用自動化、智能化的智能巡檢小車進行設備巡檢，未來必將成為變電站設備巡檢的趨勢。

1 系統整體設計方案

變電站智能巡檢小車硬件平臺的搭建是實現變電站設備巡檢的前提。智能巡檢小車主要由電源模塊、STM32核心控制模塊、電機驅動模塊、測速模塊、路徑巡檢模塊、無線傳輸模塊和圖像采集模塊組成，具體如圖1所示。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

2.1 核心控制模塊

STM32是智能巡檢小車硬件系統中的核心控制模塊，MCU的型號為STM32F103ZET6。作為控制模塊的核心，STM32控制器控制著智能巡檢小車的變電站環境信息識別、障礙信息處理、巡檢路徑檢索、電機驅動、存儲巡檢結果等部分。

2.2 無線傳輸模塊

選用4G模塊將變電站現場的巡檢結果傳送到巡檢數據平臺，便于巡檢人員實時掌握變電站設備的運行狀態，提高變電站運行效率，保障電力系統安全、穩定運行。

2.3 圖像采集模塊

選取工業級CCD攝像頭采集變電站的環境信息。CCD攝像頭通過拍照的形式獲取變電站的路徑信息，經STM32核心控制模塊處理后，形成完整的變電站巡檢地圖。智能巡檢小車獲取巡檢地圖后，利用路徑巡檢模塊完成巡檢任務。

2.4 路徑巡檢模塊

選取的路徑巡檢模塊包括：三路紅外尋跡模塊、超聲波避障模塊和射頻模塊。

（1）三路紅外尋跡模塊

三路尋跡模塊集成三路紅外探測裝置，設置相應端口值可實現前進、后退、左轉和右轉動作。智能巡檢小車還可通過檢測三路紅外探測端口的值，判斷當前位置為直線、T線或十字線。路徑巡檢模塊如圖2所示。

圖2 路徑巡檢模塊

（2）超聲波避障模塊

采用超聲波模塊搭配舵機實現障礙物檢測。舵機180°旋轉的同時帶動超聲波模塊旋轉，可實現對前方障礙物無死角檢測和快速避障。超聲波避障模塊如圖3所示。

圖3 超聲波避障模塊

（3）射頻模塊

柵格地圖建立后，利用RFID射頻模塊對地圖中的巡檢點進行標記，用于記錄當前巡檢點下智能小車的位置信息，當前巡檢點需停留并進行拍照、測溫等操作。

3 系統軟件設計

3.1 路徑規劃控制

系統上電復位后，首先進行系統初始化。若接收到巡檢任務，則智能巡檢小車將更新變電站地圖和設備巡檢點。更新完畢后，從起始點出發，經過中間的巡檢點，最終到達終止點完成路徑規劃。若智能巡檢小車未檢測到終止點，將一直進行中間巡檢點的尋跡過程，直到檢測到終止點，結束巡檢任務。巡檢點設計流程如圖4所示。

圖4 巡檢點設計流程

3.2 巡檢點設計

采用RFID射頻模塊將分散在地圖中的起始點、中間巡檢點、終止點用射頻識別卡代替。在射頻識別卡中寫入相關信息，對地圖中的巡檢點進行標識。

3.3 執行巡檢任務

系統運行后，首先對STM32控制器和RFID射頻模塊進行初始化，通過接收中斷的形式對射頻識別卡進行相應操作。當接收到有效的中斷指令后，會根據相應指令的要求對射頻識別卡進行尋卡、讀卡和寫卡操作，然后將射頻識別卡相關信息反饋給STM32控制器。讀卡操作主要讀取通過RFID射頻模塊事先寫入的相關信息，即當前巡檢節點運行到下一個巡檢節點需要執行的動作和當前巡檢點需要完成的相關巡檢工作，如停車拍照、紅外測溫等。執行巡檢任務流程如圖5所示。

圖5 執行巡檢任務流程

3.4 交叉路口識別

本文采用三路尋跡模塊對交叉路口信息進行檢測，并將檢測后信息發送給小車控制系統，小車控制系統通過判斷交叉口的情況指導小車順利通過交叉路口。

交叉路口的情況一共有三種，分別是“T”字、“十”字和“7”字。通過對小車攜帶的三路尋跡模塊中左邊、中間、右邊傳感器的狀態進行分析，得出當前交叉路口的類型。交叉路口識別如圖6所示。

圖6 交叉路口識別

判斷“T”字交叉路口的思想：當左邊和右邊的傳感器檢測到黑線時，小車前進一段距離，再對中間的傳感器狀態進行判斷，如果中間的傳感器未檢測到黑線，那么該路口為“T”字路口。

判斷“十”字交叉路口的思想：當左邊和右邊的傳感器檢測到黑線后，小車前進一段距離，再判斷中間的傳感器狀態，如果中間的傳感器檢測到黑線，則表明該路口是“十”字路口。

判斷“7”字交叉路口的思想：如果只有左邊的傳感器檢測到黑線，小車前進一段距離，再判斷中間的傳感器狀態，如果中間的傳感器未檢測到黑線，則說明當前路口是“7”字路口。

3.5 小車行走控制

系統上電運行后，首先進行自檢，確定小車當前的位置，若存在路徑偏差，則需調整路徑，保證智能巡檢小車沿著當前的線路行走；若遇到交叉路口時，判斷交叉路口類型后，控制電機轉速調節小車轉向。若檢測到當前行走路徑有障礙物，則小車進行聲光報警并減速。當行駛至目標點后，路徑規劃結束，小車暫處于停車狀態。小車行走控制流程如圖7所示。

圖7 小車行走控制流程

3.6 射頻識別模塊

若小車未接到新的巡檢任務，那么將按當前的巡檢任務執行路徑規劃。當小車接收到新的巡檢任務和路徑信息后，會將路徑規劃涉及的巡檢點相關信息通過RFID射頻模塊寫入射頻識別卡中，小車按照射頻識別卡中記錄的線路信息執行相應的動作（直行、左轉彎、右轉彎、停止）并完成路徑規劃。射頻識別模塊流程如圖8所示。

圖8 射頻識別模塊流程

當小車前進到射頻識別卡標記的巡檢節點時，需要讀取射頻識別卡上的信息來判斷當前節點是否為終點，如果當前節點并非終點，那么射頻識別卡會記錄當前節點下一步需要執行的動作（直行、左轉彎、右轉彎）。如果當前節點是終點，那么小車路徑規劃任務完成。依次類推，小車行駛到終點。

在射頻識別卡中記錄坐標信息和去往下一個巡檢點需要執行的動作信息，分別用 0x04、0x03、0x02、0x01表示與之相應的動作信息：直行、左轉彎、右轉彎、停止，小車利用射頻識別卡記錄的節點信息完成路徑規劃。

4 結 語

作為變電站正常運行的安全保障，智能變電站巡檢也是困擾變電站巡檢人員的難題，研究基于STM32智能巡檢小車具有實用價值。智能巡檢設備具有很好的市場前景和應用價值，相信在不久的將來，智能巡檢小車必將得到更廣泛的應用。