基于4G網(wǎng)絡(luò)的輸電線放線走板狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(gè)放線過程走板的狀態(tài)，并通過對講機(jī)將當(dāng)前走板狀態(tài)反饋給張力機(jī)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(cuò)且效率低下。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dāng)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(luò)，將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端的人機(jī)交互系統(tǒng)?？刂浦行娜藛T可通過可視化監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對輸電線張力放線過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在節(jié)省大量人力物力的同時(shí)還能夠提高工作效率，彌補(bǔ)依靠人工觀察放線過程的不足。

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

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shè)，用電需求也在不斷增大，張力放線施工的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在輸電線路施工中得到了廣泛應(yīng)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(jī)進(jìn)行通信，容易受到環(huán)境因素的影響，施工效率低下的同時(shí)也存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)掌握張力放線施工過程的動(dòng)態(tài)工況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(yuǎn)程監(jiān)控走板實(shí)時(shí)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(shí)的問題，許多國內(nèi)外研究學(xué)者對此進(jìn)行了探究。文獻(xiàn)[3]通過在輸電線路不同節(jié)點(diǎn)位置放置攝像頭來對架線施工進(jìn)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(xiàn)[4]通過對放線滑車進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，防止走板通過滑車時(shí)發(fā)生事故。文獻(xiàn)[5]通過在走板內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)處理中心主板，實(shí)現(xiàn)對走板姿態(tài)、速度、受力情況的實(shí)時(shí)檢測，但是缺少視頻信息，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測走板是否有異物入侵。文獻(xiàn)[6]采用基于3G-WLAN網(wǎng)絡(luò)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(shè)監(jiān)控點(diǎn)，同時(shí)在走板上安裝小型無線視頻終端，通過WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻畫面。當(dāng)輸電線路處于山林地區(qū)時(shí)，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(gè)桿塔上安裝攝像頭，同時(shí)也需要觀察人員通過視頻判斷走板當(dāng)前的狀態(tài)，無法準(zhǔn)確獲得走板的實(shí)際姿態(tài)[7]。為了獲得準(zhǔn)確的走板狀態(tài)信息，文獻(xiàn)[8]通過將張力架線施工過程的工作信號(hào)數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了替代語音命令及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的功能，有效降低了牽張?jiān)O(shè)備在施工過程發(fā)生誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，但存在山區(qū)通信信號(hào)較弱的問題。文獻(xiàn)[9]通過微波傳輸方式實(shí)現(xiàn)了一種無線移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，但采用實(shí)體視頻編解碼器，需要增大前端設(shè)備的體積，使得放線設(shè)備需要承受過大的重量，容易產(chǎn)生安全問題。文獻(xiàn)[10]采用遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對放線施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，很大程度上能夠促進(jìn)安全施工，但缺點(diǎn)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(xué)者通過將具有數(shù)據(jù)采集功能的遠(yuǎn)程模塊與中央操作模塊安裝到電纜，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程電腦上實(shí)時(shí)獲取輸電線路具體GPS等信息[11]。文獻(xiàn)[12]通過Qt編程以及MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸）協(xié)議實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，極大地縮小了網(wǎng)絡(luò)傳輸代價(jià)。

針對以上問題，本文以走板為研究對象，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(gè)基于單片機(jī)的走板狀態(tài)監(jiān)測和視頻采集裝置，通過4G網(wǎng)絡(luò)將走板狀態(tài)信息實(shí)時(shí)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(jī)交互界面監(jiān)控整個(gè)走板張力放線過程。

1 系統(tǒng)整體框架

本文所設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)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(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；預(yù)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(gè)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(shí)滑車的情況，本文在走板內(nèi)部布置了兩個(gè)攝像頭，分別采集走板前后的環(huán)境信息，并通過4G網(wǎng)絡(luò)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(jī)外接各個(gè)傳感器獲取走板實(shí)時(shí)地理位置信息、速度信息、姿態(tài)信息等，并經(jīng)過單片機(jī)處理后通過4G無線傳輸模塊，采用消息隊(duì)列遙測傳輸（MQTT）協(xié)議連接并傳輸至云服務(wù)器，手持終端的人機(jī)交互軟件從云服務(wù)器獲取各傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)后將其實(shí)時(shí)顯示在交互界面當(dāng)中。整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 關(guān)鍵器件選型

單片機(jī)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(dá)到20 KB，芯體規(guī)格為32位，具備64個(gè)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(diǎn)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(dá)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(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)航系統(tǒng)，是一種真正意義上的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航芯片，包含32個(gè)通道，可以同時(shí)接收六個(gè)GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的信號(hào)，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(diǎn)，支持GPS衛(wèi)星定位，并且具備自動(dòng)緩存數(shù)據(jù)包的功能，能夠有效解決因設(shè)備異常而導(dǎo)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(dá)到1 080 p，機(jī)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(shè)計(jì)

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(yù)留USART5接口，方便外接其他設(shè)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(jī)處理好的信號(hào)和云服務(wù)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(fù)責(zé)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

各傳感器與底層單片機(jī)相連，開始接收傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)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(jī)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(wù)器。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

為了提供良好的用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面來滿足用戶需要，本文采用Qt框架來編寫上位機(jī)交互界面。Qt是基于C++開發(fā)的圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有良好的封裝機(jī)制和豐富的應(yīng)用程序接口，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠運(yùn)行在目前幾乎所有的主流平臺(tái)，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(shí)還封裝了多個(gè)底層驅(qū)動(dòng)庫，并且和微軟自帶的多個(gè)軟件之間存在驅(qū)動(dòng)函數(shù)接口，極大地提高了編程便捷性。

2.3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

在輸電線施工過程中，監(jiān)控中心需要實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測，并具有良好的人機(jī)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(shè)計(jì)

走板前后攝像頭選用RTMP推流網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其自帶4G無線通信模塊，通過網(wǎng)線與個(gè)人PC連接后，可以登錄攝像頭IP網(wǎng)絡(luò)來對攝像頭各底層功能進(jìn)行設(shè)置，包括攝像頭畫面清晰度、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、RTMP推流地址等。本文攝像頭推流對接的云服務(wù)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(shè)置完畢后，設(shè)備上電即可在云服務(wù)器視頻流播放端看到攝像頭實(shí)時(shí)畫面，后續(xù)需要將實(shí)時(shí)畫面顯示在上位機(jī)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(jī)軟件當(dāng)中，以完成走板實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能。功能實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

2.3.2 走板數(shù)據(jù)顯示功能設(shè)計(jì)

在走板放線施工過程中需要實(shí)時(shí)獲取走板的俯仰角、運(yùn)行速度、地理位置。因?yàn)槿庋垭y以觀察走板的穩(wěn)定性，并且在后續(xù)進(jìn)行高度預(yù)測時(shí)需要將走板實(shí)時(shí)俯仰角作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所以在施工過程中需要實(shí)時(shí)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(jī)聯(lián)通。同時(shí)在施工過程中，走板的實(shí)時(shí)地理位置信息能夠幫助施工人員精準(zhǔn)獲取走板在整個(gè)放線過程中的位置，并推導(dǎo)出走板的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度。通過單片機(jī)將實(shí)時(shí)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(duì)列遙測傳輸協(xié)議（MQTT協(xié)議）將信息傳輸至阿里云服務(wù)器。

針對走板的實(shí)時(shí)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(jī)對接后，單片機(jī)內(nèi)部解析GPS報(bào)文信息。本文選用的地理坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)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(wù)器。

2.3.3 重要跨越物安全距離報(bào)警功能設(shè)計(jì)

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(huì)導(dǎo)致施工無法進(jìn)行或連接好的輸電線隨時(shí)都有與跨越物接觸的風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種能夠提前預(yù)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(jì)算走板與重要跨越物之間的水平距離L；根據(jù)預(yù)先安裝的激光傳感器與走板底面的夾角以及當(dāng)前走板的姿態(tài)信息，計(jì)算當(dāng)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(dāng)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(jì)算激光束與走板垂直方向的夾角為：

根據(jù)走板當(dāng)前位置信息P（t）和當(dāng)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(shè)置與重要跨越物的預(yù)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(yù)警流程如圖7所示。

3 走板監(jiān)控系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

如圖8所示，通過GPS信號(hào)可獲得走板當(dāng)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(shí)時(shí)位置與基塔相對距離的示意燈，當(dāng)走板與基塔相對距離小于20 m時(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)信息顯示框，信息采集系統(tǒng)每0.5 s向云服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)云服務(wù)器將信息傳至上位機(jī)；右側(cè)為各控制按鈕，在上位機(jī)軟件登錄后需與阿里云服務(wù)器連接才能夠?qū)崟r(shí)獲取云服務(wù)器分發(fā)的數(shù)據(jù)。由于雙攝像頭被安裝至走板上，開關(guān)電源不便，故在底層單片機(jī)上加裝了一個(gè)繼電器來控制雙攝像頭的電源，并且通過上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)控制電源關(guān)斷。經(jīng)測試，各功能實(shí)現(xiàn)效果如圖8所示。

上位機(jī)運(yùn)行過程中，后臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)記錄各傳感器數(shù)據(jù)，用戶能夠在項(xiàng)目文件夾目錄下找到對應(yīng)文本文件，實(shí)現(xiàn)效果如圖9所示。

4 結(jié) 語

本文基于嵌入式硬件和Qt開發(fā)框架設(shè)計(jì)了一套走板遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并且提出了一種能夠提前預(yù)測與途中重要跨越物間垂直距離的方法，實(shí)現(xiàn)對走板高度值的實(shí)時(shí)預(yù)警。該系統(tǒng)能夠解決目前架空輸電線施工現(xiàn)場無法實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)等

優(yōu)點(diǎn)。

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