基于LoRa的高壓輸電線路工況監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙 坤，何 勇，代亮亮

(1.貴州大學計算機科學與技術(shù)學院，貴州貴陽 550025；2.貴州微育科技有限公司，貴州貴陽 550025)

0 引言

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集終端、無線網(wǎng)關(guān)、上位機3部分，數(shù)據(jù)采集終端負責采集輸電線路的溫度數(shù)據(jù)并通過LoRa通信方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)處，無線網(wǎng)關(guān)負責接收匯總它所管理的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并整合自身采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過4G通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

數(shù)據(jù)采集終端用于采集輸電線路中導線連接點的溫度數(shù)據(jù)，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過LoRa通訊模塊傳輸至無線網(wǎng)關(guān)處?？紤]到實際的安裝環(huán)境中導線的溫度與環(huán)境溫度存在相對穩(wěn)定的差異，因此采用了溫差發(fā)電對數(shù)據(jù)采集終端的電量進行補充，數(shù)據(jù)存儲器用于存儲網(wǎng)絡(luò)不通暢時的數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)恢復正常后再將其數(shù)據(jù)發(fā)出。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計框圖

無線網(wǎng)關(guān)用于采集高壓輸電塔的工作狀況以及整合數(shù)據(jù)采集終端采集到的輸電線路的溫度數(shù)據(jù)，并通過4G通訊模塊發(fā)送至上位機進行展示。采集高壓輸電塔周圍的雨量、風速以及高壓輸電塔的傾角作為數(shù)據(jù)支撐，用于對輸電塔的工況進行判斷，并通過太陽能電池板進行電量的補充，以保證系統(tǒng)的使用壽命，無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端采用超低功耗的STM32L011F4P6作為主控芯片，使用E22-400T22S模塊作為通訊模塊，其核心為SX1268，將DS18B20溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)部分進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.1 傳感器保護電路設(shè)計

因考慮數(shù)據(jù)采集終端的實際工作環(huán)境處于高壓環(huán)境下，為避免復雜環(huán)境引起反向電流造成傳感器的損壞，在傳感器的接口處增加了TVS二極管和PPTC自恢復保險絲進行保護，同時使用MAX4644雙路單刀CMOS模擬開關(guān)控制傳感器的工作狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)采集終端在休眠狀態(tài)下的傳感器進入斷開狀態(tài)，進一步降低數(shù)據(jù)采集終端的功耗，傳感器保護電路如圖4所示。

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圖4 傳感器保護電路

2.1.2 電量檢測電路設(shè)計

為便于數(shù)據(jù)采集終端的后期運維工作，數(shù)據(jù)采集終端需要對自身電量進行監(jiān)測并上報，以便于維護人員及時更換電池保證系統(tǒng)的正常運行，電量檢測采用MCU的ADC采集電池的電壓，通過電池的充放電曲線來計算，電量檢測電路如圖5所示。

圖5 電量檢測電路

2.1.3 溫差發(fā)電電源管理電路設(shè)計

面向傳感器應(yīng)用的溫差取能主要利用基于塞貝克效應(yīng)的半導體溫差發(fā)電片實現(xiàn)[3]，塞貝克效應(yīng)是指由于2種不同電導體或半導體的溫度差異而引起2種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。使用溫差發(fā)電方式對數(shù)據(jù)采集終端進行電量補充，通過電源管理器LTC3108模塊進行電源管理，LTC3108器件專為在采用極低輸入電壓電源的情況下啟動和運行而設(shè)計，最低可工作于20 mV的電壓輸入，可利用撥碼開關(guān)控制芯片的VS1和VS2引腳調(diào)整其開啟電壓。在電路設(shè)計中加入了儲能電容，在沒有可用的輸入能源時提供連續(xù)的供電，溫差發(fā)電電源管理電路如圖6所示。

圖6 溫差發(fā)電電源管理電路

2.2 無線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)主控芯片選擇了比數(shù)據(jù)采集終端更加強大的STM32F103RCT6，無線網(wǎng)關(guān)利用LoRa匯總數(shù)據(jù)采集終端采集到的線路溫度數(shù)據(jù)，再將網(wǎng)關(guān)部分采集到的輸電塔的工況環(huán)境數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送至后臺，由后臺統(tǒng)一進行管理[4]。

2.2.1 通信電路設(shè)計

利用風速傳感器JXBS-3001-WS、傾角傳感器SINDT-485和JXBS-3001-GXYL雨量傳感器采集高壓輸電塔周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，均采用RS485通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，RS485 隔離接口SP3485具有差分接收、差分驅(qū)動和三通道隔離功能，總線上最多連接256個節(jié)點[5]，RS485通信電路如圖7所示。

圖7 RS485通信電路

無線網(wǎng)關(guān)整合數(shù)據(jù)后通過USR-G770-4G模塊傳輸至后臺，4G模塊采用RS232通信方式，使用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，將TTL信號轉(zhuǎn)變成為RS232串口通信的信號發(fā)送給4G模塊[6]，RS232通信電路如圖8所示。

圖8 232通信電路

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計

為防止網(wǎng)絡(luò)不佳時數(shù)據(jù)無法正常上報，將無法上報的數(shù)據(jù)寫入Flash閃存中進行保存，待網(wǎng)絡(luò)恢復后再次上傳，使用W25Q128芯片，W25Q128將16 MB的容量分為256個塊，每個塊大小為64 KB，每個塊又分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4 KB，W25Q128的擦寫周期多達105次，具有20 a的數(shù)據(jù)保存期限，數(shù)據(jù)存儲電路如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)存儲電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端使用LoRa進行星型組網(wǎng)，為降低數(shù)據(jù)采集終端的能耗，因此采用TDMA的通信技術(shù)對數(shù)據(jù)采集終端進行管理，保證了數(shù)據(jù)不會沖突，能更快地進入休眠狀態(tài)，以達到節(jié)能的目的。

數(shù)據(jù)采集終端在完成初始化工作后，持續(xù)等待網(wǎng)關(guān)的配置命令，通過配置命令配置前端地址、工作周期以及相應(yīng)的溫度閾值。為實現(xiàn)TDMA的時間分配，通過地址分配邏輯時間，在初次發(fā)送數(shù)據(jù)時固定其發(fā)送時間段。配置完成后按照邏輯地址等待分配的時間段，到達發(fā)送時間后，數(shù)據(jù)采集終端向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送采集到的溫度數(shù)據(jù)，并在收到網(wǎng)關(guān)的回應(yīng)幀后更新時間以及上報周期。數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)后，數(shù)據(jù)采集終端進入休眠狀態(tài)，等待下一次的發(fā)送時間，數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計流程圖

3.2 無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集終端星型組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，用于匯聚數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)并整合發(fā)到上位機。無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程如圖11所示。

圖11 無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖

無線網(wǎng)關(guān)定時向后臺發(fā)送數(shù)據(jù)，并依次檢查網(wǎng)關(guān)各個串口的狀態(tài)，從而處理對應(yīng)的接收幀。在無線網(wǎng)關(guān)部分通過中斷的方式判斷網(wǎng)關(guān)收到的是何種信息，分別為藍牙串口的配置信息，后臺發(fā)送來的響應(yīng)幀以及數(shù)據(jù)采集終端通過LoRa發(fā)送來的傳感器信息3種。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)功耗測試

為保證系統(tǒng)的使用壽命，在不進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候使整個數(shù)據(jù)采集終端進入休眠狀態(tài)，將一個完整的工作周期分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)分別進行測量。測量時在系統(tǒng)中串入電流表進行測量觀察，通過式(1)進行計算：

(1)

式中：n為監(jiān)測終端續(xù)航周期內(nèi)可正常工作的次數(shù)；Q為電池總電量；Is為休眠電流；Iw為工作電流；ts為休眠時間；tw為工作時間。

通過實際測量得到每次采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)過程持續(xù)大約1.5 s，得到工作消耗電流量為72.23 mA·s，休眠狀態(tài)時數(shù)據(jù)采集終端的瞬時電流為9.5 μA。

假設(shè)采用容量為9 000 mA·h的電池作為供電，每分鐘進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，將數(shù)據(jù)代入式(1)中可推算出n=307 082，在無外部電源補充的情況下，系統(tǒng)總運行天數(shù)為213 d。

4.2 溫差發(fā)電效率測試

為驗證溫差發(fā)電裝置在系統(tǒng)中起到的電量補充作用，對溫差發(fā)電效率進行了測量，通過在溫差發(fā)電片兩端形成溫差，在熱源和溫差發(fā)電片之間使用高熱導率低熱阻的功能熱界面材料進行導熱，擴大溫差，提高溫差發(fā)電片的發(fā)電效率。通過測量4.7 Ω的采樣電阻的電壓來計算其發(fā)電效率，溫差發(fā)電效率如表1所示。

表1 不同溫差下溫差發(fā)電效率

由表1可知本文中使用的溫差發(fā)電片最大溫差值保持在15 ℃左右，當溫差大于5 ℃時，即可滿足數(shù)據(jù)采集終端休眠時的電流消耗，大于5 ℃還可為電池電量進行補充，進一步延長系統(tǒng)的使用壽命。

4.3 數(shù)據(jù)采集測試

數(shù)據(jù)采集終端負責采集高壓輸電線路中導線連接點的溫度，無線網(wǎng)關(guān)負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包含風速、雨量和傾角數(shù)據(jù)，當節(jié)點溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常時，進行報警，通過風速、雨量以及傾角數(shù)據(jù)進一步判斷高壓輸電線路的工況，數(shù)據(jù)采集展示如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)采集展示

當溫度發(fā)生異常時，同時向手機APP發(fā)出報警，方便線路運維人員及時進行線路檢修工作，APP數(shù)據(jù)展示界面如圖13所示。

圖13 APP溫度報警界面

由圖12、圖13可以看出，本文設(shè)計的高壓輸電線路工況監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時報警，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行故障分析，并且具有低功耗，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)束語

為了對高壓輸電線路工況進行實時監(jiān)測，本文設(shè)計了基于LoRa通信技術(shù)的高壓輸電線路工況監(jiān)測系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測系統(tǒng)上位機以及手機APP等軟硬件開發(fā)，并結(jié)合應(yīng)用場景引用了新型的溫差發(fā)電技術(shù)，延長系統(tǒng)的使用壽命。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有低功耗、運行穩(wěn)定等特點，可以為LoRa技術(shù)的應(yīng)用提供參考。