基于物聯網技術的輸電桿塔運維監測系統新型設計與應用

國網山東省電力公司青島公司 魏 振 王政國

NB-IoT（基于寬帶蜂窩通信網絡的新型窄帶智能物聯網通信技術）是指運用3GPPT的技術標準而設計實施的窄帶物聯網網絡通信基礎技術，它主要指的是一種面向用于長距離、低功耗速率、低功耗、多頻段終端終點業務的窄帶智能應用設備的網絡通信基礎技術，系統的通信功耗低、成本低、連接網絡能力強、覆蓋區域能力強等這是它的NB-IoT 主要技術優勢，特別是最適合面向遠距離、多節點終端業務智能應用設備的窄帶物聯網網絡通信基礎技術。NB-IoT 主要是低功耗速率窄帶高寬度窄帶物聯網通信技術，采用的端接口到點終端系統基礎架構。

隨著目前物聯網在移動通信行業發展中的廣泛應用，實現了一種人與物之間的移動通信無線連接。2016年6月，該相關應用技術標準的三個版本核心內容已經基本編寫工作完成，并正式開始對外公開發布了3GPP LTE R13版本，形成了推動我國基于NBIoT 的第一套應用技術標準使用信息系統技術標準安全管理體系與技術應用系統網絡安全管理體系架構，這樣就有效地地促使了推動我國形成NB-IoT 技術應用信息系統相關基礎信息技術和相關應用網絡生態安全鏈條的健康發展，有利于有效推動我國物聯網技術相關基礎技術向乃至全國更多不同技術行業和各領域應用進行更加規范化的推廣與廣泛規范使用[1]。

在輸電桿塔傾斜度監測系統的領域上，前人們大多數用ZigBee 組網技術、GSM 模塊或GPRS 模塊與上位機軟件來達成遠程監測的目的。而泛在電力物聯網也得到快速的發展，把物聯網相關技術應用到電力領域上，可以極大的減少經濟損失，能很大程度上提高對電力的利用率[2]。RIFD 通信技術和NB-IoT 技術無論在功耗上、傳輸距離上、成本上都比原有的無線網絡技術占有絕對的優勢，所以本系統在基于低功耗廣域網的基礎上與傾斜傳感器MPU6050相結合，完成了對輸電桿塔狀態的遠程實時在線監測系統。

1 系統的整體設計

1.1 系統設計原則

系統的設計是本著提高目標系統的簡單性、經濟性、適應性、完整性、一致性、靈活性、可靠性、系統的運行效率和安全性為基本原則，并適用于中型、大型的多點實時在線監測系統，實現區域化監控、自由化檢索、智能化管理等基本功能[3]。系統設計的原則來源主要分為以下三個方面。

相對復雜的氣象環境。由于輸電桿塔監測系統安裝在室外環境，更多的是安裝在野外環境，受氣象條件因素的影響非常大，所以，必須保證系統在各種復雜的氣象條件下依然能夠正常運行并且數據準確。

相對復雜的地理環境。野外的輸電桿塔一般都處在高山、河流附近和較空曠的地理位置，有些特殊的地理位置會對無線網絡傳輸有著干擾性，比如森林樹木茂盛和高山巖石較多。所以，就必須保證系統的無線傳輸硬件有著很強的抗干擾性，能夠使數據實時的、準確的傳輸下去。

材料以及成本。在中國，輸電桿塔的數量龐大，所以本實驗在設計之初就想到了低成本的基本原則，本實驗中選用的主控芯片、無線網絡傳輸模塊、傳感器模塊、電源模塊都屬于低成本，并且使用壽命極長，功能特性也足以應對本系統的應用，極大的滿足了系統設計的初衷。

1.2 系統設計方案

根據有關部門的大量統計的輸電桿塔傾斜事故可以知道，地理位置處于野外、采空區、高山等極差地理環境的輸電桿塔非常容易造成電力事故，如傾斜、倒折、平移等。常年發生的電力事故會經常性影響輸電系統的正常運行，因此輸電桿塔在線實時監測系統滿足的一些參數就顯得尤為重要，如切斜參數要精準、數據傳輸要穩定、在線監控要實時等。并且，現有的線路檢修和巡檢會浪費大量的人力物力，特別是對有一些存在安全隱患的桿塔不能及時發現，所以還要保證能夠快速的確定所發生事故輸電桿塔所在地，及時派人檢修。只有達到這些，才能從最根本上解決偏遠山區的輸電桿塔線路安全運行與快速檢修的難題。本文為了更大程度上解決以上的難題，設計了一種基于低功耗廣域網的實時在線監測系統。其中無線網絡技術NB-IoT 技術與RIFD 組網技術在通信距離和速率上可以完美的勝任，傾斜傳感器MPU6050數據測量精準并且不易失幀，每個節點都具有單獨的測量模塊設備。

1.3 系統的功能

眾所周知，輸電線路是一個很大的系統，牽扯到的輸電桿塔更是數不勝數。所以本輸電桿塔在線監測系統具有強大且穩定的分析、統計以及顯示功能，最重要的是能夠直觀明了的給出輸電桿塔實時狀態的報警通知。然后結合管理人員通過云平臺數據信息進行分析處理，最后對檢修人員下達命令，及時對事故或者隱患進行解決，保證輸電線路的穩定運行。本系統以電力物聯網為核心，以輸電桿塔傾斜度為主要監測參數，搭建了一整套監測系統。通過RIFD 技術，可以完美的解決野外等偏遠地區沒有網絡的問題。并且系統中可以自由添加傳感器，如風向、風速傳感器等，在傳感器方面可以按照需要添加。除此之外，系統還有如下幾點功能：

系統采用太陽能電池板與鋰電池相結合的供電方式，并且通過軟件設計使系統更加低功耗，在運行方面可以得到極大的保證；本系統可以延伸至多個子節點，可以完成對大區域輸電桿塔傾斜狀態的在線遠程監控，這樣可以解決平常人工巡檢無法到達或者相對困難位置的窘境；系統穩定性強。在學校范圍內進行多次試驗，系統環境適應能力強，并且具有較強的抗干擾能力；通過NB-IoT 模塊將數據上傳云平臺后，登錄賬號可以在云平臺設置相應的報警觸發值，報警通知等。可以使輸電桿塔運行人員更加方便處理、節約時間、減少損失等。

2 系統硬件設計

2.1 傾斜傳感器

MPU6050本系統監測對象對輸電桿塔的傾斜度參數，而此參數是衡量輸電桿塔狀態的重要因素，因此一定要保障數據的可靠性、穩定性和準確性。本系統采用型號為MPU6050的三軸加速度傳感器。傾斜角度傳感器MPU6050為目前全球業內首例整合性6軸高速運動圖像處理系統組件，相較于多數的組件解決方案，免除了傳統組合六軸陀螺儀與六軸加速器運動時間與轉軸之差的巨大問題，減少了大量的組件封裝占用空間，大約在4×4×0.9mm，在國際業界認為是極具革命性的產品尺寸，并且成本低廉。

MPU6050的快速剎車制動角度與行駛速度狀態感應條件檢測器的條件感應范圍分別為±250、±500、±1000與±2000°/sec（DPS），可準確性地實時追蹤快速與慢速車輛剎車時的動作。并且還在每個MPU6050模塊內部分別設有一條自帶直流穩壓電源控制線路，可以兼容3.3V 或5V 的嵌入式系統。支持多個MPU 的倉庫代碼源碼DMPU 倉庫是一個官方自動調制解調器檢測算法資源倉庫，配合卡爾曼自動濾波器調制解調的算法，能夠在各種沒有動態姿勢測量值的環境下準確性地檢測各個輸出模塊的當前姿態測量值的狀態，姿態測量值在當前測量時的準確精度范圍可以直接達到0.01度。其中DMP 是InvenSense MPU（運動處理器）設備獨有的硬件特性，它可以通過傳感器數值計算四元數，執行設備校準。DMP 映像（固件）存儲在MPU 的非永久性存儲器上，需要在每次芯片上電時更新到DMP 內，以使能此功能。

2.2 NB-IoT 網絡模塊

本產品系統目前采用的模塊是上海穩恒電子科技有限公司公司生產的產品型號名稱為N-WHNB73的一種NB-IoT 網絡模塊，總的來說，本產品系統目前使用的這種NB-IoT 網絡模塊主要因為具有以下四種基本優勢：

廣覆蓋。較傳統的GPRS 等無線網絡連接技術，NB-IoT 網絡模塊將能夠提供經過改進之后的無線網絡覆蓋率和增益，達到了164dBm，比傳統現有的無線網絡技術增強20dB，覆蓋面積可以擴大約100倍。

基本具備同時支持我國海量無線設備的網絡連接的覆蓋能力。比傳統現有網絡技術可以提高50-100倍的網絡接入設備數量，NB-IoT 的一個超大扇形連接區域就能夠同時支持10萬個設備連接，滿足大量設備聯網要求。并且它還支持低網絡延時的高敏感度和易于優化的無線網絡管理架構，抗干擾能力極強。

低功耗。在一套完整的檢測系統中，NB-IoT 模塊負責向云平臺發送數據，處于極其重要的地位。NBIoT 模塊在工作狀態時，最大發射電流為302mA，最大接收電流為64.5mA。空閑狀態時為4.3mA，休眠狀態僅5μA。所以用在終端上的NB-IoT 終端模塊的平均待機時間大大提高了達到了10年之久。

待機成本低。本產品系統所用的終端NB-IoT終端模塊待機成本平均不足5美元，在網絡連接方面可以直接復用現有的移動通信基站設備，相比需要重新建網的無線通信模塊，更加節省成本。

2.3 云平臺

在完成子節點和主節點各部分軟件設計之后，需要進行注冊云平臺，修改云平臺中的相應協議和參數，保證與系統軟硬件能夠進行數據交互。首先在一個云計算平臺中需要添加網絡設備型號信息，通信協議可以選擇Modbusrtu，Modbusr 這是一種串行通信協議，非常容易用來進行系統部署和日常維護，目前已經存在很多使用于通信串口、以太網以及其他能夠支持各種互聯網協議的連接網絡的最新版本，通常可以用來構建連接網絡數據流的采集與處理監測器并控制到云系統中。

3 系統的功能測試與應用

在輸電桿塔傾斜度監測系統的軟硬件設計完成后，應對系統進行功能性測試，主要包括RFID 模塊點對點通信測試、RFID 模塊多跳組網通信測試、NB-IoT 模塊實時數據上傳測試與報警功能測試。整個輸電桿塔傾斜度監測系統共具有三個節點，兩個子節點與一個主節點，均是制作的模擬輸電桿塔。系統測試采用的機制是整體位于東北農業大學校園內，長期處于室外運行。

3.1 點對點通信測試

在整個監測系統運行前，首先進行RFID 點對點通信測試。RFID 點對點通信可靠、穩定是整個系統通信網絡的基礎。將兩個子節點放置在東北農業大學校園內，子節點1固定設置在南區體育館附近，子節點2設置在電氣與信息學院附近，兩節點直線距離大約為750m，兩個節點均包含有RFID 通信模塊。子節點1南區體育館發送測試信息，子節點2連接電腦，用串口調試助手等待接收信息并打印。若綠燈呈規律性閃亮，則說明子節點2接收數據成功。在通過反復進行測試，實驗結果表明，在校園內樹木、教學樓等地況極其復雜的環境下RFID 的點對點通信距離約為1km。在此范圍內數據可以可靠傳輸。

3.2 實時數據上傳測試

多跳通信測試后，開始進行數據實時上傳云平臺測試。將子節點1、子節點2和主節點長時間放置在相應的位置，整體位置處于東北農業大學校內。數據上傳云平臺后可以通過移動端和電腦端觀看實時數據，電腦端需要賬號登錄所注冊云平臺，移動端可以通過微信小程序、短信、郵箱來實時查看。如果任何節點（模擬輸電桿塔）出現傾斜或倒塌，云平臺會通過電腦端和手機端發送報警通知。我們選定時間為2019年7月28日來作為實驗數據測試。

3.3 報警功能測試

報警測試中還是選取子節點1作為對象。本實驗中，我選定的數據參數是繞X 軸旋轉的pitch，初步設定觸發值為1.5，如果模擬桿塔在晃動傾斜中此參數超出預定的觸發值，則會有報警通知。當桿塔恢復原狀時，也會提示用戶桿塔恢復正常。在設定觸發值時，可以在三個參數里面設定多個，此實驗只設定一個觸發值，方便測試報警功能。移動端可以通過郵箱，短信和微信公眾號獲取報警信息，電腦端云平臺也可以獲取報警信息。