基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要： 為了實(shí)時(shí)了解采空區(qū)山體及輸電桿塔現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)信息，防止由于輸電桿塔傾斜、沉降、位移等因素引起的電力事故，設(shè)計(jì)一種STM32控制下基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用北斗差分技術(shù)定位采空區(qū)山體及輸電桿塔的地理位置信息，采用高精度的二維傾角傳感器檢測(cè)輸電桿塔的姿態(tài)信息，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)山體及輸電桿塔的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，完全滿足輸電線路智能化、自動(dòng)化和數(shù)字化管理的要求。

關(guān)鍵詞： 輸電桿塔； 北斗衛(wèi)星； GPRS； STM32

中圖分類號(hào)： TN954?34； TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0162?05

Beidou satellite based online monitoring system for power transmission tower

DENG Zhaokui1， LYU Yuxiang1， GAO Cunbo2， ZHAO Zhensheng2

（1. College of Physics and Optoelectronics， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China；

2. Shuozhou Electric Power Supply Company， Shanxi Electric Power Company， Shuozhou 036000， China）

Abstract： In order to monitor the field attitude information of power transmission towers and mountains in the mined?out area in real time， and prevent the electrical accidents due to the factors of power transmission tower incline， sedimentation， displacement， etc.， an online monitoring system for power transmission tower was designed， which is based on Beidou satellite and controlled by STM32. The Beidou difference technology is used to locate the geographic location information of the mountains and power transmission towers in the mined?out area. The high?precision two?dimensional inclinometer is used to detect the attitude information of the power transmission towers， and then the data is transmitted to the monitoring center through GPRS network to monitor the mountains and power transmission towers in the mined?out area in real time. The actual running test and verification show that the system has stable performance and high practicability， and can fully meet the requirements of intelligentization， automation and digital management of transmission line.

Keywords： power transmission tower； Beidou satellite； GPRS； STM32

0 引 言

近年來，電力產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，作為跨地區(qū)﹑跨流域的輸電線路，所經(jīng)區(qū)域地形復(fù)雜，采空區(qū)較多，整個(gè)山體移動(dòng)時(shí)有發(fā)生，桿塔傾斜﹑沉降﹑位移情況較多，影響輸電線路桿塔工作狀況，造成桿塔倒伏，線路拉力與弧垂改變等各種影響線路正常運(yùn)行狀況[1]。單一的人工巡檢，不僅需要耗費(fèi)大量的人力和物力，而且不易發(fā)現(xiàn)問題，存在著很大的安全隱患。

本文設(shè)計(jì)了一種STM32控制下基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用北斗差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電桿塔的精確定位，獲知其位移狀態(tài)；利用高精度的傾角傳感器，獲取輸電桿塔的姿態(tài)信息。通過對(duì)輸電桿塔在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得電力系統(tǒng)管理人員及時(shí)了解輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)，可以有效地減少由于輸電桿塔傾斜、沉降、位移等因素引起的電力事故[2]，最大程度地解決輸電線路安全運(yùn)行和維護(hù)管理的難度問題，實(shí)現(xiàn)輸電線路的智能化、自動(dòng)化和數(shù)字化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

北斗輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)移動(dòng)站和監(jiān)控中心三部分。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站安裝在地理坐標(biāo)已知、相對(duì)比較穩(wěn)定的地方，主要負(fù)責(zé)定位該點(diǎn)的地理坐標(biāo)，并通過射頻網(wǎng)絡(luò)分享至周圍的監(jiān)測(cè)移動(dòng)站；監(jiān)測(cè)移動(dòng)站安裝到采空比較嚴(yán)重的輸電桿塔上，主要通過北斗定位系統(tǒng)定位該點(diǎn)位置，并利用射頻接收監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站分享的位置信息，監(jiān)測(cè)輸電桿塔現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)信息，將數(shù)據(jù)打包壓縮并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)[3]接入監(jiān)控中心；監(jiān)控中心由監(jiān)控中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等設(shè)備組成，根據(jù)北斗差分定位算法解算出精確的位置坐標(biāo)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和顯示，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)移動(dòng)站硬件設(shè)計(jì)兩大部分。監(jiān)測(cè)移動(dòng)站由供電系統(tǒng)、微控制器控制系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等部分組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站由供電系統(tǒng)、微控制器控制系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)炔糠纸M成，其硬件結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)移動(dòng)站類似，惟一不同的是不需要傾角數(shù)據(jù)采集部分，這里不再重復(fù)。

2.1 電源電路

鋰電池一般不能直接作為系統(tǒng)電源，其電壓需要進(jìn)行穩(wěn)壓以達(dá)到系統(tǒng)對(duì)電源的需求。本系統(tǒng)采用雙電源供電，其電源電路如圖3所示，電池電壓VBAT依次經(jīng)過穩(wěn)壓芯片MC7805，MH5333，產(chǎn)生5.0 V，3.3 V系統(tǒng)電源，5.0 V作為GPRS模塊的主電源，3.3 V供給微處理器STM32、北斗模塊、射頻模塊等電路。

2.2 STM32F103微控制器

STM32是基于ARM Crotex?M3內(nèi)核的微控制器，精密、安全、可靠、低功耗。本文使用STM32F103VET6作為主控芯片，屬于增強(qiáng)型STM32，配備豐富多樣的外部設(shè)備，同時(shí)CPU可以運(yùn)行在最高達(dá)72 MHz主頻下運(yùn)行[4]。

2.3 電源控制電路

北斗輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于電池供電設(shè)備，對(duì)其功耗的要求很高。而在整個(gè)系統(tǒng)中北斗與GPRS模塊是最主要的功耗來源，本文采用在模塊不工作時(shí)關(guān)閉其電源的方式來降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。電源控制電路如圖4所示，其中U11是光耦，用于模塊與模塊、模塊與微處理器之間的隔離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。

微控制器STM32通過控制輸出引腳的高低電平，來實(shí)現(xiàn)模塊電源的開關(guān)，其中RELAY為控制引腳，VIN，VOUT為被控電源。當(dāng)RELAY為高電平時(shí)，切斷電源；為低時(shí)，VIN=VOUT。

2.4 射頻、GPRS通信模塊

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)移動(dòng)站之間數(shù)據(jù)通信時(shí)，需要實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高和通信費(fèi)低廉或免費(fèi)的無線通信模塊。本系統(tǒng)選擇深圳市安美通科技有限公司研發(fā)的APC240超低功耗微功率433 MHz無線數(shù)傳模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)的UART/TTL接口，待機(jī)電流1.5 μA，非常適合于電池供電系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)站與Internet網(wǎng)絡(luò)的通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)染峭ㄟ^GPRS通信模塊來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中所采用的GPRS模塊是SIEMENS公司生產(chǎn)的MC55，這是一款帶有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊[5]。

2.5 北斗模塊

本文利用北斗載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)cm級(jí)測(cè)量，以北斗衛(wèi)星載波相位為觀測(cè)量。本系統(tǒng)選用和芯通UM220?Ⅲ N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時(shí)支持BD2 B1，GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)。工作電壓2.7～3.6 V，典型功耗值為120 mW，適用于低功耗、低成本領(lǐng)域。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)移動(dòng)站的北斗模塊與微控制器通信使用通用異步收發(fā)傳輸（UART）協(xié)議。其具體電路如圖5所示。其中，P10連接北斗模塊的串口1，主要用于模塊的調(diào)試以及固件升級(jí)。

2.6 傾角傳感器

傾角傳感器主要用于監(jiān)測(cè)輸電桿塔的姿態(tài)信息。本文選擇芬蘭VIT公司的SCA100T?D02型高精度雙軸傾角傳感器[6]。標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，使用方便簡(jiǎn)單，易于開發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)兩大部分。

3.1 微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本文使用德國(guó)Keil公司的Keil MDK進(jìn)行基于ARM Crotex?M3的STM32微處理器應(yīng)用軟件的開發(fā)，其支持最新的M3/M1/M0/M4內(nèi)核微處理器。為了使開發(fā)人員能更快地進(jìn)行STM32應(yīng)用軟件的開發(fā)，ST公司提供了一個(gè)完整的STM32設(shè)備固件庫(kù)。該固體庫(kù)提供了STM32所有外設(shè)的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，開發(fā)人員可以在這些底層函數(shù)及基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用程序，這樣就不需要自己編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)了。本文使用MDK?ARM 4.72版本開發(fā)環(huán)境，基于3.5.0版本的固體庫(kù)進(jìn)行STM32微處理器應(yīng)用軟件的開發(fā)。

微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)整體流程圖如圖6所示。

3.1.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)、移動(dòng)站軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站處于常開的狀態(tài)，用于接收衛(wèi)星信號(hào)以及來自監(jiān)控中心的指令，然后根據(jù)相應(yīng)的命令去控制移動(dòng)站；監(jiān)測(cè)移動(dòng)站大多數(shù)時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，中斷可將其喚醒，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析與存儲(chǔ)，最后將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。

軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)，后臺(tái)程序是一個(gè)死循環(huán)while（1），前臺(tái)程序指的是各個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)ISR。后臺(tái)程序根據(jù)事件標(biāo)志位是否置位來決定是否調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成特定的操作，比如設(shè)置功能、數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收功能或者其他功能。前臺(tái)程序主要包括RTC中斷服務(wù)程序和串口中斷服務(wù)程序，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序主要用于置位數(shù)據(jù)采集或者數(shù)據(jù)發(fā)送等標(biāo)志位，串口中斷服務(wù)程序主要用于接收來自北斗衛(wèi)星、監(jiān)測(cè)站或者監(jiān)控中心的命令或者數(shù)據(jù)以及置位相對(duì)應(yīng)的事件標(biāo)志位。

3.1.2 低功耗設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)功耗，電源控制部分需要硬件和軟件的相互配合，硬件部分已經(jīng)給出，軟件部分見下面的代碼。為了近一步的降低功耗，還需要在軟件上切斷主控CPU與模塊之間的通信引腳，具體的實(shí)現(xiàn)方式是將通信引腳配置成非通信模式。其中，GPRS與USART1的通信引腳分別為Tx（PA.09），Rx（PA.10）；北斗與USART3的通信引腳分別為Tx（PB.10），Rx（PB.11）；GPRS模塊5.0 V電源的控制引腳為PD.8；北斗模塊3.3 V電源的控制引腳為PD.9。

GPIO_SetBits（GPIOD， GPIO_Pin_8）； //關(guān)閉GPRS 5.0 V電源

GPIO_ResetBits（GPIOD， GPIO_Pin_8）； //打開GPRS 5.0 V電源

GPIO_SetBits（GPIOD， GPIO_Pin_9）； //關(guān)閉北斗3.3 V電源

GPIO_ResetBits（GPIOD， GPIO_Pin_9）； //打開北斗3.3 V電源 /*將GPRS通信引腳配置成通信模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9；

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP；

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz；

GPIO_Init（GPIOA， GPIO_InitStructure）；

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10；

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING；

GPIO_Init（GPIOA， GPIO_InitStructure）；

/*將GPRS通信引腳配置成非通信模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD；

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10；

GPIO_Init（GPIOA， GPIO_InitStructure）；

/*將北斗通信引腳配置成通信模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10；

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP；

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz；

GPIO_Init（GPIOB， GPIO_InitStructure）；

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11；

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING；

GPIO_Init（GPIOB， GPIO_InitStructure）；

/*將北斗通信引腳配置成非通信模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD；

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11；

GPIO_Init（GPIOB， GPIO_InitStructure）；

串口引腳配置成通信模式，Tx引腳為復(fù)用功能推挽輸出、Rx引腳為浮空輸入模式，此時(shí)通信引腳電壓不為0。關(guān)閉GPRS、北斗模塊的電源時(shí)，有電流從微處理器流入模塊，造成不必要的功耗，所以在模塊不工作時(shí)，需要將通信引腳配置成非通信模式，即下拉輸入模式（電壓為0）。

3.2 監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)基于C/S構(gòu)架[7]，選用當(dāng)前流行、功能強(qiáng)大的Visual Studio.Net 2010+SQL Server 2005為開發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο?、類型安全的Visual C#編程語言和ADO.NET數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)。軟件運(yùn)行于Windows 7及Windows 8等操作系統(tǒng)下，以公網(wǎng)固定IP傳輸方式或公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+動(dòng)態(tài)域名解析傳輸方式與監(jiān)測(cè)站設(shè)備進(jìn)行通信，以北斗載波相位差分算法定位采空區(qū)山體及輸電桿塔的位置[8]。

監(jiān)控中心服務(wù)器軟件大致流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

北斗輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于山西省電力公司某一輸電桿塔上。安裝過程中盡量使監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)移動(dòng)站的外殼保持水平姿態(tài)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖9所示，圖9中紅色方框即為監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置。北斗輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試以后，于2015年4月10日開始首期監(jiān)測(cè)，圖10為監(jiān)控中心服務(wù)器軟件現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行畫面，圖11為2015年5月1日—2010年5月10日期間監(jiān)測(cè)所得到的數(shù)據(jù)。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采空區(qū)山體及輸電桿塔的的水平和垂直偏移基本保持不變，輸電桿塔在x軸，y軸有較小的傾斜角度變化，但是基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有安全隱患。因此，STM32控制下基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可作為輸電桿塔監(jiān)測(cè)的一種十分有效的手段。

5 結(jié) 語

本文以北斗差分定位技術(shù)為理論基礎(chǔ)、STM32微控制器為硬件基礎(chǔ)、SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)C、VC#為軟件基礎(chǔ)，開發(fā)出北斗輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)山體及輸電桿塔現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)信息的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，完全滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，為該技術(shù)在輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用中提供必要的技術(shù)支撐。

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