基于LoRa的低功耗可調(diào)限高龍門架設(shè)計(jì)

摘要：在當(dāng)前限高龍門架的應(yīng)用中，存在結(jié)構(gòu)固定、警示單一，且無法回收再用等問題?；诋?dāng)前龍門架設(shè)計(jì)的不足，提出了一種基于無線擴(kuò)頻LoRa技術(shù)的低功耗可調(diào)限高龍門架設(shè)計(jì)，同時研究了基于LoRa的低功耗物聯(lián)通信架構(gòu)以及相應(yīng)的圖像識別傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過雙通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本裝置可行性及其低功耗等特性，裝置具備可調(diào)限高、聲光報(bào)警、記錄等功能。

關(guān)鍵詞：龍門架;LoRa技術(shù);無線傳輸;圖像處理;低功耗

0? ? 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，輸電線路線底過往大型施工車輛增多，由于道路施工，過高車輛經(jīng)過線底，因凈空距離不足導(dǎo)致線路對地放電的線路跳閘事故時有發(fā)生。

為保證線路的安全運(yùn)行，通常要在線側(cè)道路上安裝限制車輛高度的龍門架，由于現(xiàn)有龍門架的高度限制都是固定的，所以存在高度調(diào)節(jié)靈活性差、消耗快等缺點(diǎn)，并且無法在有特殊需求的情況下進(jìn)行相對的操作應(yīng)用;同時，交叉跨越的輸電線路在受到大風(fēng)、地陷、樹木生長、溫度變化等因素影響時，相應(yīng)的交叉跨越的距離會有一定的變化，所以固定式的限高龍門架無法在放電間距變小的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，以致在高速公路上有過高車輛經(jīng)過線底時線路會發(fā)生放電，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的事故。所以根據(jù)實(shí)際架空輸電線路，對其變化的交叉跨越距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并作出相應(yīng)的預(yù)警和調(diào)整是十分關(guān)鍵的。

在這樣的實(shí)際應(yīng)用需求下，針對可調(diào)限高龍門架的架構(gòu)進(jìn)行搭建，設(shè)計(jì)研究相應(yīng)升降控制系統(tǒng)，可進(jìn)一步預(yù)防因線路下方凈空距離不足而發(fā)生的跳閘事故;同時，綜合考慮低電壓、超低功耗、性能可靠等因素，設(shè)計(jì)集聲光警示及過程記錄等功能于一身的可調(diào)高度限高龍門架，其具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1? ? 可調(diào)節(jié)限高龍門架方案設(shè)計(jì)

1.1? ? 主體框架結(jié)構(gòu)

作為應(yīng)用于高壓輸電線路下的限高龍門架，其主體結(jié)構(gòu)主要采用高強(qiáng)度絕緣材料，頂部桿體利用高強(qiáng)度絕緣材料進(jìn)行搭建。同時內(nèi)部利用多只高強(qiáng)度的絕緣伸縮桿體構(gòu)架，通過滑輪拼接以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)龍門架高度的功能。

根據(jù)國內(nèi)外工程導(dǎo)線對公路交叉跨越距離的要求，以及110 kV、220 kV輸電線路跨越公路時導(dǎo)線對公路路面的最小垂直距離的規(guī)定，即設(shè)計(jì)其總高度為5 100 mm，對于其他等級公路，可適當(dāng)降低或者提高限制標(biāo)準(zhǔn)[1]。根據(jù)以上規(guī)程要求，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)升降龍門架尺寸圖，如圖1所示。

其中伸縮桿體結(jié)構(gòu)主要采用滑輪組進(jìn)行升降，升降控制箱主要由主動機(jī)構(gòu)、滑輪組機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，通過與監(jiān)測裝置后臺的綜合處理，從而完成滑輪組升降限高主桿操作。

1.2? ? 通信及識別采集裝置設(shè)計(jì)

為識別在一定距離范圍內(nèi)將要通過的高于限制高度的車輛，設(shè)計(jì)裝置通過在線監(jiān)測系統(tǒng)以及傳感器測量裝置進(jìn)行反饋。識別限高采集裝置，采用整體機(jī)構(gòu)化的設(shè)計(jì)原理，主要由數(shù)據(jù)采集器和高度識別傳感器組成。系統(tǒng)固定安裝位置為龍門架頂端的中點(diǎn)附近，取正對車輛運(yùn)行的方向，故相應(yīng)受到的干擾較少，并可通過轉(zhuǎn)動進(jìn)行測量裝置的調(diào)節(jié)。

為得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，獲取準(zhǔn)確的測量高度、距離、角度等參數(shù)，要搭建以下五個測控單元：信息采集模塊、圖像識別部分模塊、單片機(jī)控制模塊、通信傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。測量裝置基于LoRa通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸送和讀取，其具有傳輸距離遠(yuǎn)、多節(jié)點(diǎn)、功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。另外，該裝置系統(tǒng)圖像采集部分在原有多功能立桿監(jiān)控裝置控制主機(jī)集成的基礎(chǔ)上，采用基于4G傳輸通信和LoRa通信技術(shù)結(jié)合的一體化通信設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)道路測量數(shù)據(jù)和外破圖像的實(shí)時回傳。同時還可將監(jiān)控的外破圖像數(shù)據(jù)一并通過4G專網(wǎng)傳送至后臺主站，進(jìn)行過程記錄，其中多功能監(jiān)控裝置配置一個200萬像素紅外夜視球機(jī)和一個全彩星光級槍機(jī)，以實(shí)現(xiàn)全天監(jiān)控回傳的目的。

2? ? 基于LoRa技術(shù)的通信及圖像采集識別研究

2.1? ? 基于LoRa的低功耗物聯(lián)通信架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)龍門架的在線調(diào)節(jié)以及實(shí)時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確回傳，本文研究通過在可調(diào)節(jié)龍門架上布置集成LoRa通信組件和各類傳感器，實(shí)現(xiàn)采集信息的快速識別以及監(jiān)控圖像的準(zhǔn)確回傳。

各傳感器之間需建立關(guān)聯(lián)通信，通過每個傳感器獨(dú)立的LoRa組件與電箱中LoRa基站進(jìn)行互通，完成各傳感器信息的交互。同時，LoRa組件可以通過間隙跳躍的通信協(xié)議進(jìn)行自動組網(wǎng)，并將從傳感器處獲得的感知數(shù)據(jù)通過兩通道進(jìn)行傳輸：其一通過內(nèi)置光纜線路傳輸至識別系統(tǒng)，其二通過4G傳輸通信回傳至系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)網(wǎng)。

為了使監(jiān)測信息更加具有針對性，龍門架傳感器所獲取的數(shù)據(jù)要有根據(jù)重要性分類的劃分。針對數(shù)據(jù)的重要程度，通?？蓜澐譃橐话闳粘Ｓ涗洈?shù)據(jù)及重要突發(fā)性數(shù)據(jù)。第一類數(shù)據(jù)對傳輸?shù)臅r效性以及優(yōu)先級都要求較低，即可通過周期傳輸通道進(jìn)行交互;重要突發(fā)性數(shù)據(jù)要求傳輸數(shù)據(jù)要及時同步至后臺，對時效性要求最高，并要保證傳輸通道的優(yōu)先級。因此，通過通道的區(qū)分和分時分段傳輸，可以高效利用通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

將各通道抽象成為線性鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，為避免無線傳輸干擾，LoRa基站間多跳自組網(wǎng)中，每個基站在一個給定的時隙上，利用分配的信道將網(wǎng)關(guān)本地傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺云端。本文將LoRa基站分成兩組，編號為奇數(shù)的LoRa基站作為一組，編號為偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)則是另一組。在一個發(fā)送時隙內(nèi)，一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送它們的數(shù)據(jù)，而另一組接收數(shù)據(jù)。

2.2? ? 傳感器識別系統(tǒng)

在基于LoRa的低功耗通信架構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了識別一定距離范圍內(nèi)移動車輛的高度，本系統(tǒng)需再構(gòu)建基于車輛特征的運(yùn)動目標(biāo)檢測和跟蹤的圖像識別系統(tǒng)。當(dāng)前傳輸質(zhì)量較高的傳感器為CMOS和CCD，這兩者都是基于二極管將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行工作的，但兩者在處理之后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆矫娲嬖趨^(qū)別，其中CCD傳感器在圖像采集分辨率以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面更優(yōu)異，因此本系統(tǒng)擬采用CCD圖像傳感器。

對于圖像采集部分，采用專用芯片F(xiàn)PGA+DSP的采集系統(tǒng)，該專用芯片可以對圖像及視頻進(jìn)行良好的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并且對其他傳感器部分進(jìn)行同步。對于圖像壓縮部分，由DSP控制讀取數(shù)據(jù)，針對具體的圖像信息標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，以減小信息傳輸?shù)娜萘?，提高識別運(yùn)算速度。為了提高龍門架發(fā)出警示的靈敏性，本系統(tǒng)還需要提早獲取遠(yuǎn)端測量的圖像數(shù)據(jù)，故采用長焦鏡頭對車輛信息進(jìn)行采集。

圖像采集單元與基于LoRa的無線通信模塊相結(jié)合，通過單片機(jī)RS485接收圖像傳感器信息，采集龍門架前方道路圖像，并傳輸至嵌入式系統(tǒng)單元，以此對通道保護(hù)區(qū)內(nèi)的異常高度車輛、大型超高機(jī)械等情況進(jìn)行監(jiān)控，并控制龍門架進(jìn)行相應(yīng)的高度調(diào)節(jié)以及限高警示報(bào)警。同時，前端多功能立桿外破監(jiān)控裝置通過4G通信通道將監(jiān)控圖片上傳到后臺主站，由后臺智能分析模塊對監(jiān)控圖片進(jìn)行分析，判別是否有安全隱患發(fā)生。

2.3? ? 低功耗設(shè)計(jì)

為使系統(tǒng)可以長時間保持穩(wěn)定的傳輸及控制相應(yīng)的高度，降低裝置整體功耗、延長其使用壽命對于裝置也是至關(guān)重要的[2]。在以上通信架構(gòu)和傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)低電壓、超低功耗等特點(diǎn)[3]，將車輛信息采集器置于休眠狀態(tài)，其LoRa通信模塊工作時也處于省電模式，圖像識別監(jiān)控裝置會通過LoRa通信模塊定時喚醒數(shù)據(jù)采集器，完成車輛數(shù)據(jù)的采集并定時上傳至后臺。

工作流程如下：休眠模式應(yīng)在傳感器工作間隙開啟，并在每個休眠階段打開信號接收窗口，以便確認(rèn)通道中是否有“前導(dǎo)碼”接收;每當(dāng)收到一條“前導(dǎo)碼”會立即喚醒休眠模式，以此實(shí)現(xiàn)周期性的開啟和接收，該開啟接收階段的工作電流可以控制在1.5 mA以下，以降低空閑模式下的功耗。在確認(rèn)接收信號的準(zhǔn)確性后開啟工作模式，即可通過內(nèi)置電源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)接收處理，在該條信息處理完結(jié)后即可再次關(guān)閉。處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送至后臺，發(fā)送結(jié)束后發(fā)送關(guān)閉響應(yīng)，再次進(jìn)入外部低頻的等待模式。整個過程網(wǎng)關(guān)每間隔5 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)對比，采集外加發(fā)送時間整體控制在4 s以內(nèi)，全系統(tǒng)的功耗可以控制在150 mA以下。在內(nèi)置太陽能電源每小時接受光照2次的基礎(chǔ)上，理論計(jì)算后本裝置可持續(xù)運(yùn)行100天以上。

3? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可調(diào)龍門架對圖像信息識別的準(zhǔn)確和可靠性，及其是否符合整機(jī)功耗低、傳輸準(zhǔn)確等設(shè)計(jì)思想，同時具備低電壓、超低功耗、性能可靠等特點(diǎn)，本文以模擬某220 kV線路跨越道路區(qū)段為例，分別布置三處模型，針對不同高度模型的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理并得到最終的二值圖像，經(jīng)過圖像掃描計(jì)算后，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，模型計(jì)算高度均略高于測量值，同時隨著高度的增加誤差增大，但相對誤差最大未超過3%，證明整體誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本裝置可以準(zhǔn)確識別車輛高度，并完成相應(yīng)的調(diào)節(jié)及預(yù)警。

4? ? 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所述可調(diào)龍門架具備低功耗、無線傳輸、圖像識別等特性，能實(shí)現(xiàn)針對輸電線下車輛通行的精確采集、識別以及數(shù)據(jù)的雙通道可靠傳輸。具備聲光警示及過程記錄功能的可調(diào)限高龍門架的研制，既能減少過高車輛對線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅，又能達(dá)到預(yù)防為主、記錄為輔的安全警示作用。

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收稿日期：2019-11-25

作者簡介：周宇堯（1990—），男，貴州福泉人，工程師，從事輸電線路運(yùn)行與維護(hù)工作。