基于4G網(wǎng)絡的輸電線放線走板狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：傳統(tǒng)的高空張力放線主要依靠監(jiān)控人員跟蹤觀察整個放線過程走板的狀態(tài)，并通過對講機將當前走板狀態(tài)反饋給張力機操作人員，這種方式非常依賴工作人員的主觀能力，容易出錯且效率低下。因此，設計了一個用于輸電線張力放線的可視化監(jiān)控系統(tǒng)，在走板上安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)包括走板前后的視頻信息，走板當前的位置、速度、姿態(tài)信息及其與重要跨越物的距離；并通過4G網(wǎng)絡，將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端的人機交互系統(tǒng)。控制中心人員可通過可視化監(jiān)控界面實現(xiàn)對輸電線張力放線過程的實時監(jiān)測，在節(jié)省大量人力物力的同時還能夠提高工作效率，彌補依靠人工觀察放線過程的不足。

關鍵詞：輸電線走板；視頻監(jiān)控系統(tǒng)；4G網(wǎng)絡；MQTT；距離預測；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-04

0 引 言

隨著我國越來越重視高壓輸電線路建設，用電需求也在不斷增大，張力放線施工的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在輸電線路施工中得到了廣泛應用[1-2]。在傳統(tǒng)的張力放線過程中，需要投入大量的人力資源，工人主要采用對講機進行通信，容易受到環(huán)境因素的影響，施工效率低下的同時也存在較大的安全風險。為了針對性改善傳統(tǒng)輸電線走板張力放線在安全性與效率方面的不足，及時掌握張力放線施工過程的動態(tài)工況，本文設計了一個智能可視化走板監(jiān)控系統(tǒng)，通過在走板上安裝基于嵌入式系統(tǒng)的狀態(tài)檢測裝置，遠程監(jiān)控走板實時狀態(tài)。這對智能工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

為了解決架空輸電線走板施工過程需要人力物力多、信息獲取不夠及時的問題，許多國內(nèi)外研究學者對此進行了探究。文獻[3]通過在輸電線路不同節(jié)點位置放置攝像頭來對架線施工進行監(jiān)控，在這種監(jiān)督方式下，可以在監(jiān)控中心通過視頻觀察走板的狀態(tài)。文獻[4]通過對放線滑車進行適當設置，防止走板通過滑車時發(fā)生事故。文獻[5]通過在走板內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)處理中心主板，實現(xiàn)對走板姿態(tài)、速度、受力情況的實時檢測，但是缺少視頻信息，無法實時監(jiān)測走板是否有異物入侵。文獻[6]采用基于3G-WLAN網(wǎng)絡的雙模無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在施工線路中的電力桿塔上布設監(jiān)控點，同時在走板上安裝小型無線視頻終端，通過WLAN網(wǎng)絡傳輸視頻畫面。當輸電線路處于山林地區(qū)時，由于視線容易被起伏地形遮擋，因此這種方式可能需要在每個桿塔上安裝攝像頭，同時也需要觀察人員通過視頻判斷走板當前的狀態(tài)，無法準確獲得走板的實際姿態(tài)[7]。為了獲得準確的走板狀態(tài)信息，文獻[8]通過將張力架線施工過程的工作信號數(shù)字化，實現(xiàn)了替代語音命令及運行狀態(tài)監(jiān)控的功能，有效降低了牽張設備在施工過程發(fā)生誤操作的風險，但存在山區(qū)通信信號較弱的問題。文獻[9]通過微波傳輸方式實現(xiàn)了一種無線移動監(jiān)控系統(tǒng)，但采用實體視頻編解碼器，需要增大前端設備的體積，使得放線設備需要承受過大的重量，容易產(chǎn)生安全問題。文獻[10]采用遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對放線施工進行實時監(jiān)控，很大程度上能夠促進安全施工，但缺點在于通信中繼采用無線網(wǎng)橋，容易影響到工人施工。國外學者通過將具有數(shù)據(jù)采集功能的遠程模塊與中央操作模塊安裝到電纜，實現(xiàn)在遠程電腦上實時獲取輸電線路具體GPS等信息[11]。文獻[12]通過Qt編程以及MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議實現(xiàn)了嵌入式設備遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑯O大地縮小了網(wǎng)絡傳輸代價。

針對以上問題，本文以走板為研究對象，設計了基于移動通信網(wǎng)絡的走板狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在走板內(nèi)部嵌入一個基于單片機的走板狀態(tài)監(jiān)測和視頻采集裝置，通過4G網(wǎng)絡將走板狀態(tài)信息實時傳輸?shù)绞殖纸K端，在張力場控制中心的工作人員可通過手持終端的人機交互界面監(jiān)控整個走板張力放線過程。

1 系統(tǒng)整體框架

本文所設計的基于嵌入式系統(tǒng)的走板監(jiān)控系統(tǒng)，在輸電線放線施工過程中實現(xiàn)的功能包括：視頻監(jiān)控；走板的狀態(tài)信息檢測功能，包括走板當前的地理位置、姿態(tài)、速度、與重要跨越物的距離等信息，并在手持終端的人機交互界面進行數(shù)據(jù)顯示；預測走板是否可以安全經(jīng)過重要跨越物的高度；等等。

為了能在整個張力放線過程中觀察到走板的周圍環(huán)境，尤其是走板經(jīng)過各類鐵塔時滑車的情況，本文在走板內(nèi)部布置了兩個攝像頭，分別采集走板前后的環(huán)境信息，并通過4G網(wǎng)絡將監(jiān)控視頻傳輸?shù)绞殖纸K端。嵌入式的信息采集系統(tǒng)采用STM32單片機外接各個傳感器獲取走板實時地理位置信息、速度信息、姿態(tài)信息等，并經(jīng)過單片機處理后通過4G無線傳輸模塊，采用消息隊列遙測傳輸（MQTT）協(xié)議連接并傳輸至云服務器，手持終端的人機交互軟件從云服務器獲取各傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)后將其實時顯示在交互界面當中。整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 硬件設計

2.1.1 關鍵器件選型

單片機最小系統(tǒng)采用STM32F103RCT6芯片作為主控IC，工作溫度處于-40～105 ℃，具有72 MHz主頻，RAM容量達到20 KB，芯體規(guī)格為32位，具備64個引腳，能夠滿足各傳感器接口使用。

測距傳感器采用MyAntenna企業(yè)旗下L4系列工業(yè)級單點激光測距傳感器，其基于相位式測距原理，有著體積小、精度高、功耗低三大優(yōu)勢，最大量程能夠達到80 m，并且支持TTL/485/4～20 mA模擬量電流環(huán)輸出。

傾角傳感器采用維特智能企業(yè)旗下的網(wǎng)口通信六軸姿態(tài)傳感器，擁有高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼濾波算法，能夠快速求解出模塊當時的運動狀態(tài)。

GPS模塊采用維特智能企業(yè)旗下的AT6558芯片，其支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是一種真正意義上的六合一多模衛(wèi)星導航芯片，包含32個通道，可以同時接收六個GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的信號，具備高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢。

4G無線傳輸模塊選用億佰特企業(yè)旗下的E840-DTU模塊，具有全網(wǎng)通、超大緩存、高速連傳的特點，支持GPS衛(wèi)星定位，并且具備自動緩存數(shù)據(jù)包的功能，能夠有效解決因設備異常而導致的數(shù)據(jù)丟失問題。

攝像頭模塊采用京目企業(yè)旗下的RTMP推流攝像頭，支持RTSP/RTMP/ONVIF流媒體協(xié)議，支持無線4G模塊連接，清晰度能夠達到1 080 p，機身尺寸為4 cm×4 cm×2 cm，能夠很好地放入走板內(nèi)部緊湊的空間。

2.1.2 信息采集硬件電路設計

硬件電路總體框架如圖2所示，激光傳感器接USART2接口，用于采集距離信息；傾角傳感器接USART3接口，用于檢測走板姿態(tài)信息；GPS模塊接USART4接口，用于采集走板位置信息和速度信息；預留USART5接口，方便外接其他設備和系統(tǒng)調(diào)試；4G無線傳輸模塊接USART1接口，用于將單片機處理好的信號和云服務器雙向?qū)印?/p>

STM32通過串口與4G模塊通信，總共用到RX、TX、GND、VCC四根線，VCC接12 V電壓，RX與TX負責串口通信，串口通信雙方必須使用相同的波特率才能夠正確通信，本次設計使用的波特率為9 600 b/s。電路如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

各傳感器與底層單片機相連，開始接收傳感器數(shù)據(jù)的同時進行數(shù)據(jù)處理，將激光傳感器數(shù)據(jù)、傾角傳感器數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等打包在同一數(shù)據(jù)包，底層單片機部署了4G無線通信模塊，能夠?qū)?shù)據(jù)包同步上傳至阿里云服務器。單片機數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

為了提供良好的用戶體驗，設計出人機交互界面來滿足用戶需要，本文采用Qt框架來編寫上位機交互界面。Qt是基于C++開發(fā)的圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，具有良好的封裝機制和豐富的應用程序接口，其優(yōu)點在于能夠運行在目前幾乎所有的主流平臺，包括Windows、Linux、MacOS；并且使用C++語言，面向?qū)ο蟮木幊谭绞揭策m用于前端軟件開發(fā)；同時還封裝了多個底層驅(qū)動庫，并且和微軟自帶的多個軟件之間存在驅(qū)動函數(shù)接口，極大地提高了編程便捷性。

2.3 監(jiān)控軟件設計

在輸電線施工過程中，監(jiān)控中心需要實時獲取走板的姿態(tài)、速度、地理位置信息，以及走板前后畫面，以完成對走板施工安全性的實時監(jiān)測，并具有良好的人機交互界面，因此在監(jiān)控軟件上需要具備如圖5所示的功能。

2.3.1 視頻監(jiān)控顯示功能設計

走板前后攝像頭選用RTMP推流網(wǎng)絡攝像頭，其自帶4G無線通信模塊，通過網(wǎng)線與個人PC連接后，可以登錄攝像頭IP網(wǎng)絡來對攝像頭各底層功能進行設置，包括攝像頭畫面清晰度、視頻編碼標準、RTMP推流地址等。本文攝像頭推流對接的云服務器為七牛云，其具備音視頻生產(chǎn)、處理、傳輸?shù)裙δ堋Ｍ屏鞑シ诺刂吩O置完畢后，設備上電即可在云服務器視頻流播放端看到攝像頭實時畫面，后續(xù)需要將實時畫面顯示在上位機交互軟件內(nèi)，所以在Qt程序內(nèi)選擇調(diào)用FFmpeg庫函數(shù)來完成攝像頭視頻流數(shù)據(jù)的獲取、編解碼等操作，最后將解碼出的視頻流畫面一幀一幀顯示在上位機軟件當中，以完成走板實時視頻監(jiān)控功能。功能實現(xiàn)流程如圖6所示。

2.3.2 走板數(shù)據(jù)顯示功能設計

在走板放線施工過程中需要實時獲取走板的俯仰角、運行速度、地理位置。因為肉眼難以觀察走板的穩(wěn)定性，并且在后續(xù)進行高度預測時需要將走板實時俯仰角作為關鍵數(shù)據(jù)進行計算，所以在施工過程中需要實時獲取走板各俯仰角。針對走板俯仰角數(shù)據(jù)部分，本文采用維特智能的網(wǎng)口通信六軸姿態(tài)傳感器，將傳感器與單片機聯(lián)通。同時在施工過程中，走板的實時地理位置信息能夠幫助施工人員精準獲取走板在整個放線過程中的位置，并推導出走板的實時運動速度。通過單片機將實時獲取到的姿態(tài)信息處理后打包封裝并發(fā)送至4G傳輸模塊，然后通過消息隊列遙測傳輸協(xié)議（MQTT協(xié)議）將信息傳輸至阿里云服務器。

針對走板的實時地理位置數(shù)據(jù)，本文采用維特智能旗下的AT6558芯片，該芯片與單片機對接后，單片機內(nèi)部解析GPS報文信息。本文選用的地理坐標系為WGS84坐標系，即地球坐標系，同樣將最后解析好的信息打包封裝發(fā)送至4G模塊再傳輸至云服務器。

2.3.3 重要跨越物安全距離報警功能設計

走板在架空輸電線施工過程中容易產(chǎn)生與某些重要跨越物距離過近的問題，這會導致施工無法進行或連接好的輸電線隨時都有與跨越物接觸的風險。本文設計了一種能夠提前預測走板與重要跨越物之間距離的方案，具體如下：監(jiān)控終端接收各傳感器傳回的GPS、姿態(tài)、距離讀數(shù)等信息后，參照待施工線路施工方案內(nèi)各重要跨越物位置，計算走板與重要跨越物之間的水平距離L；根據(jù)預先安裝的激光傳感器與走板底面的夾角以及當前走板的姿態(tài)信息，計算當前激光束與走板垂直方向的夾角；根據(jù)監(jiān)控終端獲得的走板當前的俯仰角β（t）（-180°≤β（t）≤180°），以及激光傳感器與走板底面的夾角，計算激光束與走板垂直方向的夾角為：

根據(jù)走板當前位置信息P（t）和當前放線路段重要跨越物的位置信息m，可得走板與重要跨越物的水平距離為：

設置與重要跨越物的預警距離為LN，激光傳感器能測到的與跨越物的距離為LD。

整體預警流程如圖7所示。

3 走板監(jiān)控系統(tǒng)測試實驗

如圖8所示，通過GPS信號可獲得走板當前的位置信息，對照放線段的基塔信息，可在左上角顯示走板實時位置與基塔相對距離的示意燈，當走板與基塔相對距離小于20 m時示意燈閃爍。中間部分分別是前后攝像頭的畫面顯示；左下方為走板各基礎數(shù)據(jù)信息顯示框，信息采集系統(tǒng)每0.5 s向云服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，同時云服務器將信息傳至上位機；右側(cè)為各控制按鈕，在上位機軟件登錄后需與阿里云服務器連接才能夠?qū)崟r獲取云服務器分發(fā)的數(shù)據(jù)。由于雙攝像頭被安裝至走板上，開關電源不便，故在底層單片機上加裝了一個繼電器來控制雙攝像頭的電源，并且通過上位機能夠?qū)崟r控制電源關斷。經(jīng)測試，各功能實現(xiàn)效果如圖8所示。

上位機運行過程中，后臺能夠?qū)崟r記錄各傳感器數(shù)據(jù)，用戶能夠在項目文件夾目錄下找到對應文本文件，實現(xiàn)效果如圖9所示。

4 結 語

本文基于嵌入式硬件和Qt開發(fā)框架設計了一套走板遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并且提出了一種能夠提前預測與途中重要跨越物間垂直距離的方法，實現(xiàn)對走板高度值的實時預警。該系統(tǒng)能夠解決目前架空輸電線施工現(xiàn)場無法實時獲取走板狀態(tài)信息、走板施工過程安全性未知等問題。從實驗結果來看，該系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、實時性好、可靠性強等

優(yōu)點。

參考文獻

[1]劉川. 輸電線路防外力破壞智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].成都：西華大學，2015.

[2]孫建明，許義，朱先啟，等.基于聲陣列的智能監(jiān)控系統(tǒng)及其在輸電線路防外破中的應用[J].電力信息與通信技術，2017，15（6）：68-72.

[3]丁紅梅.遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在輸電線路工程架線施工中的應用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2012，22（22）：157-158.

[4]陳惠賢，孫立州，劉文邦，等.牽張設備遠程智能化監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].機床與液壓，2011，39（17）：89-91.

[5]張惠榮.基于圖像處理的輸電線路運行狀態(tài)智能監(jiān)控與故障預警平臺研究[J].自動化技術與應用，2020，39（4）：159-161.

[6]方焌，何冰，孟亮，等.基于DSP前置處理的輸電線路智能監(jiān)控技術研究[J].電氣應用，2013，32（z1）：258-261.

[7]王軍龍，韓啟云，焦劍，等.架空輸電線路施工實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].河南科技，2022，41（19）：9-12.

[8]郭鋒剛. 3G-WLAN雙模無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在超高壓架線施工中的應用[J].陜西電力，2010，38（3）：58-60.

[9]王杰.基于無線通訊網(wǎng)的牽張設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].通信電源技術，2016，33（4）：169-170.

[10]李源，張學軍.遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在特高壓架線施工中的應用研究[J].中國電業(yè)（技術版），2013，3（7）：40-43.

[11] RODRíGUEZ J，TELLO C. Intelligent wireless system to monitoring mechanical fault in power transmission lines [C]// Electronics，Robotics amp; Automotive Mechanics Conference. Cuernavaca，Mexico：IEEE，2008.

[12]賈貝貝，康明才.基于QT的嵌入式系統(tǒng)文件傳輸上位機軟件設計[J].電子設計工程，2022，30（3）：122-125.