基于慣性傳感器的電力線路桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

舒 愷,郭高鵬,張 潔,余萃卓,胡 杰

(寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 寧波 315000)

0 引言

電力線路桿塔作為輸配電線路的常見(jiàn)支承部件，是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)電力線路等級(jí)的不同，電力線路桿塔具有多種形式。如骨干線路常采用鐵塔形式，其投資較高，從投資上允許采用較為昂貴的監(jiān)測(cè)方案如差分GPS測(cè)量裝置；電網(wǎng)次末端的配電臺(tái)區(qū)等配電線路通常采用水泥桿塔，且由于安裝條件所限，可能處于農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、滑坡多發(fā)區(qū)等不良地質(zhì)區(qū)域，情況復(fù)雜，一旦因?yàn)榈刭|(zhì)條件變化或人為破壞等導(dǎo)致傾斜、倒塌而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置，易導(dǎo)致供電甚至人身傷害事故和財(cái)產(chǎn)損失。由于這類(lèi)水泥桿塔數(shù)量眾多，從工程實(shí)際的角度看更需要一種成本較低、安裝施工方便的桿塔姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解決方案。

當(dāng)電力線路桿塔發(fā)生移位、損壞時(shí)其姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于長(zhǎng)桿狀類(lèi)的桿塔可以用3個(gè)方向的傾斜角度簡(jiǎn)單表征其姿態(tài)。常見(jiàn)的姿態(tài)測(cè)量方法有鉛錘法、經(jīng)緯儀測(cè)量、激光雷達(dá)測(cè)量、差分GPS和慣性傳感器法。前三者需要人工操作，不適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此目前多采用差分GPS技術(shù)和慣性傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，而差分GPS成本和功耗較高，大范圍推廣應(yīng)用較為困難。

文中提出了一種基于慣性傳感器的電力線路桿塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的低成本解決方案，其主要針對(duì)配電臺(tái)區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)由若干臺(tái)桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置和一臺(tái)接受主機(jī)構(gòu)成，監(jiān)測(cè)裝置由慣性傳感器、單片機(jī)、通信接口電路和電源變換電路等4部分組成。

1 設(shè)計(jì)方案

桿塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由若干傾斜角監(jiān)測(cè)裝置(節(jié)點(diǎn))和接受主機(jī)構(gòu)成，接受主機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的通信方式選擇不同采用不同的配置，有線通信時(shí)臺(tái)區(qū)的通信管理機(jī)直接作為數(shù)據(jù)接受主機(jī)，無(wú)線通信時(shí)選擇無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置DTU接受數(shù)據(jù)后再發(fā)送至通信管理機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。桿塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置是系統(tǒng)的關(guān)鍵，安裝在桿塔上的這種使用場(chǎng)合對(duì)裝置在溫度、低功耗、小體積等方面均提出了一定的要求，因此選型時(shí)需要選擇不低于工業(yè)級(jí)且具低功耗特性的元器件。為減少桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置的體積和方便生產(chǎn)制造，選用基于MEMS技術(shù)的6軸慣性傳感器采集加速度和角速度，具有集成度高、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。裝置以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，單片機(jī)讀取慣性傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析和濾波等計(jì)算出

X

、

Y

、

Z

方向的傾斜角度，然后通過(guò)通信電路發(fā)送至通信管理機(jī)。數(shù)據(jù)的上傳可以配置為L(zhǎng)oRa和RS-485兩種方式之一，根據(jù)工程需要進(jìn)行選擇；供電也分為有線直供和電池兩種方式，以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

電池供電時(shí)，硬件設(shè)計(jì)上相比有線供電在低功耗上提出了特別的要求，為延長(zhǎng)電池使用壽命在硬件設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)盡可能選用低功耗器件，并在軟件設(shè)計(jì)上采用低功耗的工作策略以降低運(yùn)行功耗。裝置中選用低功耗單片機(jī)STM32L151C8T6作為傾斜角監(jiān)測(cè)裝置的控制和數(shù)據(jù)處理核心，單片機(jī)通過(guò)SPI接口與6軸慣性傳感器ICM-42605相連獲取加速度和角速度原始數(shù)據(jù)，通過(guò)串口經(jīng)RS-485接口電路或LoRa模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，電源變換與控制部分根據(jù)工作策略給不同的功能電路提供電源供應(yīng)，裝置的硬件組成關(guān)系如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)法，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施情況選擇焊接相關(guān)的元件以適應(yīng)不同需求。

圖2 裝置硬件組成

2.1 單片機(jī)與ICM-42605的連接

STM32L151C8T6是意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3核心的低功耗單片機(jī)，內(nèi)部包含128 kB ROM、32 kB SRAM和4 kB EPROM，具有SPI和USART等串行通信接口若干，待機(jī)電流低至1.11 μA，運(yùn)行模式時(shí)185 μA /MHz。Cortex-M3核的計(jì)算性能和芯片的低功耗以及接口資源等均能滿足本裝置的需求。

慣性傳感器選擇TDK公司的ICM-42605低成本MEMS芯片，該芯片內(nèi)部含有3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，加速度測(cè)量的最大范圍為16 g，角速度最大范圍為2 000 dps，量程均可設(shè)置；支持SPI、IC等通信方式，內(nèi)部具有2 kB的FIFO，可降低串行總線的通信頻次以減少功耗；此外還有可編程濾波器等資源，能夠簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理和電路設(shè)計(jì)；6軸全開(kāi)時(shí)工作電流0.65 mA,睡眠模式時(shí)約7.5 μA，具有低功耗的特點(diǎn)。綜合而言，ICM-42605在測(cè)量范圍、精度、接口方式和功耗等方面均能較好的滿足裝置設(shè)計(jì)的需求。ICM-42605與STM32L151C8T6之間通過(guò)SPI接口相連，并將可編程觸發(fā)事件的中斷信號(hào)引腳與單片機(jī)相連，配置為當(dāng)傳感器角度變化超過(guò)一定值時(shí)給單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，電路如圖3所示。

圖3 慣性傳感器接口電路

2.2 對(duì)上通信電路

桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置上傳的數(shù)據(jù)較少，速度要求也較低。對(duì)于低速率的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合，工程上比較常見(jiàn)的有兩種，一種是采用RS-485接口實(shí)現(xiàn)有線通信，二是采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸,典型的無(wú)線通信技術(shù)有NB-IoT、ZigBee和LoRa等。NB-IoT在通信距離上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但需要公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持和流量費(fèi)用；ZigBee通信距離較短、芯片價(jià)格較高，更多用在自組網(wǎng)場(chǎng)合； 綜合比較LoRa無(wú)線通信技術(shù)具有無(wú)需公網(wǎng)流量、使用簡(jiǎn)單、通信距離適中和頻段可選且無(wú)需申請(qǐng)等優(yōu)點(diǎn)，因此裝置選用LoRa通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

RS-485接口電路需要考慮電氣隔離和接口保護(hù)，以避免共模干擾和浪涌、靜電等帶來(lái)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的RS-485接口電路主要由高速光電耦合器HCPL-0600、差分收發(fā)器75LBC184和瞬態(tài)電壓抑制二極管等組成，光電耦合隔離器HCPL-0600兩端采用兩組不同的隔離電源以確保電氣上完全隔離，瞬態(tài)電壓抑制二極管能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌和幾十千伏的靜電，起到保護(hù)接口后端元件的作用。

LoRa通信選用AS32-S20成品無(wú)線模塊，模塊采用SX1278芯片,模塊內(nèi)包含了低噪聲放大器、控制用單片機(jī)等元器件，可以直接和單片機(jī)通過(guò)串口相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鳎苊饬藢?duì)SX1278的底層繁瑣操作，可以簡(jiǎn)化裝置端單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。RS-485和LoRa無(wú)線通信的接口電路如圖4所示。

圖4 通信接口電路

2.3 電源變換與控制

桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置電路中單片機(jī)、慣性傳感器和無(wú)線模塊等需要典型電壓為3.3 V的供電，RS-485接口電路需要5 V供電，且要求與單片機(jī)等部分的3.3 V供電電源之間是隔離的。綜合電源的需求和不同的供電情況，電源變換分兩種組合情況分別進(jìn)行考慮：(1)有線供電和有線通信，此時(shí)供電通常由配電臺(tái)區(qū)的通信管理機(jī)對(duì)裝置提供12 V、24 V等直流電源，不同的管理機(jī)提供的電源并不相同，因此為了提高裝置的適應(yīng)性，適應(yīng)寬的輸入電壓范圍和電源隔離的需求，同時(shí)考慮電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，選用基于開(kāi)關(guān)電源原理的寬輸入電壓DC-DC隔離模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電源變換。某公司的URB系列DC-DC模塊可以接受9～36 V的輸入電壓，輸入輸出隔離，且輸出具有穩(wěn)壓功能。選用該系列的URB2403S-6WR3和URB2405S-6WR3分別實(shí)現(xiàn)輸入電壓到3.3 V和5 V的轉(zhuǎn)換，給單片機(jī)部分和RS-485接口電路供電；(2)電池供電和無(wú)線通信，電池供電時(shí)低功耗是電源電路設(shè)計(jì)關(guān)注的主要問(wèn)題，為了充分利用電池容量且由于電池電壓隨著使用會(huì)逐步下降，因此選擇壓降較小的電源變換芯片，根據(jù)所選的某公司標(biāo)稱電壓3.6 V的電池放電曲線分析，當(dāng)電池電壓低于2.5 V時(shí)其放電電流已經(jīng)不能滿足裝置對(duì)工作電流的需求，而裝置中各芯片和模塊的供電電壓均在1.8～3.6 V左右，電池欠電壓的閾值應(yīng)預(yù)留一定的保險(xiǎn)系數(shù)，將工作電壓定在2.7 V左右，綜合比較后選擇XC6220B271MR電源芯片，其輸出電壓為2.7 V，工作電流100 mA時(shí)壓降約20 mV，相比一般的線性穩(wěn)壓器件而言壓降更低，且外圍電路簡(jiǎn)單。電源電路如圖5所示，電池供電時(shí)主電路為2.7 V,有線供電時(shí)主電路為3.3 V，兩種供電模式實(shí)際工作時(shí)為二選一，所以兩種電源直接并接在一起，按需焊接。此外，電池供電時(shí)采用無(wú)線方式通信，分析各個(gè)功能電路和模塊，根據(jù)裝置中的軟件工作策略，無(wú)線通信模塊大部分時(shí)間均處于非工作狀態(tài)，且其待機(jī)電流相對(duì)較高，因此通過(guò)單片機(jī)控制MOS FET繼電器G3VM-61G1(圖4中U5)將LoRa電路在非工作時(shí)期完全斷開(kāi)供電以盡可能降低功耗。

圖5 電源電路

3 傾斜角計(jì)算與軟件設(shè)計(jì)

3.1 傾斜角計(jì)算

桿塔在空間的姿態(tài)采用三維空間的3個(gè)傾斜角進(jìn)行表示，通過(guò)對(duì)慣性傳感器中加速度計(jì)和陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算均可獲得傾斜角數(shù)據(jù)。設(shè)

X

、

Y

、

Z

是參考坐標(biāo)系的三軸，

x

、

y

、

z

是桿塔傾斜后的慣性傳感器的三軸，

X

、

Y

、

Z

和

x

、

y

、

z

對(duì)應(yīng)的夾角為

α

、

β

、

θ

,則

α

、

β

、

θ

即為三維空間的傾斜角，其關(guān)系如圖6所示。

圖6 傾斜角的空間表征

加速度測(cè)量?jī)A角的基本原理是利用重力加速度與對(duì)應(yīng)軸之間的三角函數(shù)關(guān)系，按照平行四邊形法則獲取。對(duì)應(yīng)的傾斜角計(jì)算關(guān)系如公式(1)所示：

(1)

式中,

g

、

g

、

g

為重力加速度在3個(gè)方向的分量。如果影響加速度的唯一因素是重力加速度則傾角的測(cè)量精度由加速度計(jì)的精度直接決定，但桿塔實(shí)際還會(huì)收到風(fēng)力等因素的作用，會(huì)導(dǎo)致額外加速度的疊加進(jìn)入，從而影響測(cè)量精度。

陀螺儀測(cè)量?jī)A角是以初始角度加上角速度的積分獲得，如公式(2)所示：

(2)

式中,

δ

(

k

)、

δ

(

k

+1)為在時(shí)刻

k

和

k

+1的傾角，

ω

為角速度。陀螺儀測(cè)量過(guò)程中不可避免存在的測(cè)量誤差、溫漂和各種干擾等，隨著時(shí)間的推移，其累積誤差會(huì)逐步嚴(yán)重。

從上述原理分析可以看到兩種方法均存在一定的不足，因此有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，濾除或降低干擾和原理性導(dǎo)致的誤差，并考慮可信度靈活調(diào)整兩者的權(quán)重，從而獲得更接近真實(shí)值的數(shù)據(jù)。目前常用的數(shù)據(jù)處理算法有小波分析、卡爾曼濾波等，這類(lèi)處理算法計(jì)算復(fù)雜，如卡爾曼濾波的計(jì)算是一個(gè)迭代的過(guò)程，計(jì)算量大，占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)處理器提出了一定的要求，不太適合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其是在低功耗、低成本的單片機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行。

陀螺儀測(cè)得的角速度通常夾帶有低頻噪聲，加速度計(jì)往往伴有高頻噪聲。采用互補(bǔ)濾波法通過(guò)高通濾波器和低通濾波器分別對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的信號(hào)進(jìn)行濾波，然后再添加不同的權(quán)重求和，獲取處理后的傾角。互補(bǔ)濾波器的計(jì)算簡(jiǎn)單，效率高，非常適合低性能處理器的工作場(chǎng)合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(3)：

φ

=

K

*

δ

+(1-

K

)

δ

(3)

式中,

φ

為計(jì)算出的傾角，

δ

、

δ

分別為通過(guò)陀螺儀和加速度計(jì)計(jì)算出的傾角，

K

為互補(bǔ)濾波器系數(shù)。

桿塔并非靜止不動(dòng)，受風(fēng)力等外力因素影響線路會(huì)產(chǎn)生舞動(dòng)從而帶動(dòng)桿塔的角度變化。線路舞動(dòng)帶來(lái)的鐘擺式效應(yīng)和工作環(huán)境種的工頻電磁干擾，對(duì)應(yīng)的機(jī)械和電磁信號(hào)的干擾會(huì)施加到傳感器的姿態(tài)和電路上，表現(xiàn)為傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)會(huì)中會(huì)有數(shù)值的周期性波動(dòng)。且由于計(jì)算傾斜角度需要對(duì)陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算，積分計(jì)算對(duì)大波動(dòng)較為敏感，如果不剔除尖峰可能會(huì)引起誤差的增大且需要較長(zhǎng)時(shí)間才能消除，因此對(duì)原始數(shù)據(jù)采用去極值平均濾波進(jìn)行預(yù)處理，以初步降低或消除周期性和尖峰類(lèi)的干擾。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件按功能分為慣性傳感器數(shù)據(jù)獲取、傾角計(jì)算、通信和參數(shù)配置等模塊。系統(tǒng)上電后，先讀取撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)判斷進(jìn)入配置模式和不同的運(yùn)行模式。軟件的工作模式在電池供電和有線供電采用不同的工作機(jī)制，其中電池供電模式下的軟件流程如圖7所示。

圖7 電池供電模式下的軟件流程

配置模式主要工作是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的情況設(shè)置初始參數(shù)。考慮桿塔傾斜測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便以及桿塔的安裝已經(jīng)既成事實(shí)的情況下，不可能要求桿塔本身處于完全垂直的理想狀態(tài)，而且由于監(jiān)測(cè)裝置需要固定于桿塔上，也不可能做到監(jiān)測(cè)裝置外殼以及監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)的6軸慣性傳感器和桿塔的3個(gè)方向完全重合，也就是由于制造、安裝等原因必然會(huì)和理想的坐標(biāo)系存在偏差，因此需要對(duì)這些原因造成的初始偏差角度進(jìn)行測(cè)量，后續(xù)的測(cè)量在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，使得后續(xù)在線測(cè)量能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的傾斜角度和相對(duì)安裝時(shí)的變化量。相對(duì)安裝時(shí)角度的變化量是桿塔傾斜在線監(jiān)測(cè)關(guān)心的重點(diǎn)，表明了桿塔的姿態(tài)變化幅度。

配置模式時(shí)首先對(duì)慣性傳感器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置相關(guān)寄存器，讀取加速度和角速度數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去極值平均濾波后按3.1所述算法計(jì)算出傾斜角度的初始值，以

X

方向的傾角

α

為例進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)初始值為

α

，后面在線監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)得的角度設(shè)為

α

，則

α

-

α

為實(shí)際的傾斜角變化量和相對(duì)初始狀態(tài)的傾斜角度。此外，由于慣性傳感器測(cè)量和安裝的偏差，初始值

α

和實(shí)際桿塔的角度可能也存在偏差，在對(duì)精度要求比較高的項(xiàng)目或者要求測(cè)量絕對(duì)角度的項(xiàng)目上，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉛垂線法、經(jīng)緯儀等方法人工測(cè)量實(shí)際的傾斜角度，設(shè)測(cè)得的傾斜角度為

φ

，則

α

+

φ

-

α

為在線測(cè)量的絕對(duì)角度。配置模式時(shí)將

α

和

φ

這兩個(gè)參數(shù)經(jīng)過(guò)確認(rèn)后再保存，參數(shù)的確認(rèn)通過(guò)擴(kuò)展的RS-485或LoRa接口與計(jì)算機(jī)通信，將測(cè)得的參數(shù)通過(guò)自定的通信協(xié)議發(fā)送至計(jì)算機(jī)，通信報(bào)文格式如表1所示，其中

α

、

β

、

θ

為安裝后

X

、

Y

、

Z

三方向從慣性傳感器獲取的初始角度值，

φ

、

φ

、

φ

為安裝后

X

、

Y

、

Z

三方向的實(shí)測(cè)初始角度值，每個(gè)參量均用雙字節(jié)表示。計(jì)算機(jī)采用串口調(diào)試軟件讀取和發(fā)送修正數(shù)據(jù)，讀取到的單片機(jī)發(fā)來(lái)的角度數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)人工判斷后再發(fā)送回單片機(jī)，單片機(jī)讀取到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后存入單片機(jī)的

E

PROM區(qū)域，用于運(yùn)行模式時(shí)的參數(shù)計(jì)算。如果單片機(jī)發(fā)來(lái)的角度數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的角度數(shù)據(jù)差值過(guò)大，可以認(rèn)為傾角測(cè)量裝置存在一定的問(wèn)題，采用這種收發(fā)確認(rèn)的配置模式有利于可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

表1 通信報(bào)文

由于裝置需要適應(yīng)電池供電和有線供電兩種模式，其中電池供電有低功耗的需求以延長(zhǎng)電池使用壽命，在硬件設(shè)計(jì)上盡可能考慮低功耗器件后，還需要通過(guò)軟件層面的工作機(jī)制設(shè)計(jì)以進(jìn)一步降低功耗。在線監(jiān)測(cè)更多關(guān)注被測(cè)量的變化量大小，當(dāng)其變化較大時(shí)希望能及時(shí)獲取，如果被測(cè)量變化量不大甚至沒(méi)有變化，一直反復(fù)讀取其數(shù)值并沒(méi)有太多實(shí)際意義，尤其對(duì)于桿塔傾斜這類(lèi)緩變的物理量監(jiān)測(cè)而言更是如此。傾角測(cè)量裝置采取下位機(jī)主動(dòng)發(fā)送的方式，基于兩種情況觸發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送，一是在兩次采樣之間進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)相比上次的傾斜角度變化大于設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行發(fā)送，這種邏輯當(dāng)變化量很小時(shí)可以減少發(fā)送次數(shù)，從而降低功耗；二是當(dāng)超過(guò)一定的時(shí)間間隔沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)時(shí)，不管監(jiān)測(cè)的數(shù)值變化大小也發(fā)送一次，這種邏輯的目的時(shí)為了定期和上位機(jī)進(jìn)行通信，避免數(shù)據(jù)太久不更新影響用戶體驗(yàn)或者誤以為裝置發(fā)生宕機(jī)故障。通過(guò)合理的變化量閾值和發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)定將兩種模式相結(jié)合可以在減少通信次數(shù)和及時(shí)更新數(shù)據(jù)之間獲得一種平衡。由于串行通信是本系統(tǒng)中各功能模塊功耗較高的部分，因此這種模式對(duì)降低功耗起到顯著作用。

桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí)是間隔一定的時(shí)間采樣一次，在采樣和數(shù)據(jù)處理完成后，單片機(jī)沒(méi)有計(jì)算任務(wù)，處于空閑狀態(tài)，因此將單片機(jī)設(shè)置在定時(shí)中斷模式工作以降低功耗。通過(guò)定時(shí)器設(shè)置，每隔一定時(shí)間喚醒單片機(jī)循環(huán)執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的讀取、傾角計(jì)算和通信等既定功能，執(zhí)行完后再進(jìn)入睡眠模式。此外，慣性傳感器ICM-42605支持運(yùn)動(dòng)喚醒輸出控制信號(hào)，即當(dāng)傳感器檢測(cè)到角度變化時(shí)從其中斷引腳輸出信號(hào)，將該中斷信號(hào)和單片機(jī)的外部中斷連接。為簡(jiǎn)化程序邏輯，定時(shí)器中斷喚醒單片機(jī)工作時(shí)，關(guān)閉外部中斷，進(jìn)入睡眠模式前開(kāi)啟外部和串口中斷，確保處于睡眠模式期間一旦角度發(fā)生變化也能得到及時(shí)響應(yīng)。

當(dāng)裝置采用有線供電和通信時(shí)，通信管理機(jī)和傾斜角測(cè)量裝置之間通過(guò)RS-485接口直接相連，多數(shù)通信管理機(jī)均提供對(duì)Modbus RTU協(xié)議的支持，因此測(cè)量裝置部分也采用Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行通信以方便系統(tǒng)集成。桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置為從機(jī)，通信管理機(jī)為主機(jī)，根據(jù)主機(jī)的問(wèn)詢進(jìn)行響應(yīng)。這種模式下基本無(wú)需考慮低功耗，程序架構(gòu)主體采取循環(huán)執(zhí)行的邏輯，依次進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)計(jì)算以及等待通信等子程序。

在LoRa無(wú)線通信方式下，管理機(jī)外配支持Modbus RTU的LoRa無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)DTU實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置和管理機(jī)之間的無(wú)線到有線的轉(zhuǎn)換和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。DTU和管理機(jī)之間的Modbus RTU通信，DTU是從機(jī)，管理機(jī)是主機(jī)；DTU和傾斜角測(cè)量裝置之間的數(shù)據(jù)透?jìng)鳎瑑A斜角測(cè)量裝置主動(dòng)發(fā)送，DTU被動(dòng)接受。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)裝置按如下方法搭建：將桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置固定在長(zhǎng)桿上，利用鉛垂線方法確定垂直線，交叉的兩個(gè)水平儀確定基準(zhǔn)平面，長(zhǎng)桿移動(dòng)過(guò)程中桿會(huì)有一定的晃動(dòng)，從而可以模擬風(fēng)力等導(dǎo)致的桿塔輕微晃動(dòng)。考慮實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)便，而且當(dāng)傾角過(guò)大時(shí)可以認(rèn)為桿塔已倒塌或損毀，此時(shí)失去了在線測(cè)量的意義。實(shí)驗(yàn)選取在

XZ

平面內(nèi)進(jìn)行0～45°的傾斜度測(cè)試，每隔5°選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，不同單元輸出的傾斜角部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同單元輸出的傾斜角數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2中可以看出，根據(jù)加速度計(jì)直接計(jì)算出的角度誤差較大，而采用互補(bǔ)濾波法計(jì)算出來(lái)的角度在不同的系數(shù)下，相差誤差有一定程度的減小。當(dāng)加速度計(jì)測(cè)得的傾角占較高權(quán)重時(shí)，互補(bǔ)濾波器輸出的角度和實(shí)際角度更為接近，分析其原因，應(yīng)是桿上的加速度以重力加速度為主，桿子輕微晃動(dòng)疊加進(jìn)去的加速度經(jīng)過(guò)預(yù)處理可以得到一定的抑制。從相對(duì)精度看，當(dāng)權(quán)重系數(shù)

K

=0.35時(shí)，獲得的測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)精度可控制在1.30%以內(nèi)，已經(jīng)完全能夠滿足桿塔在線監(jiān)測(cè)的精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電力線路桿塔特別是臺(tái)區(qū)用桿塔的傾斜測(cè)量，以低功耗為設(shè)計(jì)考量的重要出發(fā)點(diǎn)，提出一種通過(guò)慣性傳感器獲取加速度和角速度的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)去極值平均濾波和互補(bǔ)濾波算法獲取傾斜角的電力線路桿塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，利用好常規(guī)的濾波算法，調(diào)節(jié)參數(shù)得當(dāng)，也能獲得較好的測(cè)量精度，這為桿塔傾斜監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)成本敏感的場(chǎng)合提供了一種低硬件開(kāi)銷(xiāo)的解決方案。本設(shè)計(jì)針對(duì)臺(tái)區(qū)場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置和通信管理機(jī)距離較近，因此點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接傳輸就可以滿足，如果能對(duì)手拉手的無(wú)線通信策略進(jìn)行研究，達(dá)到在功耗、通信距離和可靠性以及成本等多方面全面滿足用電側(cè)桿塔傾斜的監(jiān)測(cè)，這將會(huì)有更大的應(yīng)用空間。