基于物聯網的桿塔傾斜在線監測系統

摘要：桿塔傾斜是一個常見的問題，可能會導致安全隱患和設備損壞。為了及時監測和預防這一問題，基于物聯網的桿塔傾斜在線監測系統應運而生。該系統通過在桿塔上安裝傾斜傳感器，實時監測桿塔的傾斜角度，并利用物聯網技術將監測數據傳輸至后臺服務器進行實時分析和處理。一旦發現桿塔傾斜超出安全范圍，系統會立即發出警報，提醒相關人員及時處理，以避免事故的發生。這一系統的出現大大提高了桿塔的安全性和穩定性，為電力行業的發展提供了有力支持，相信在保障電力設施安全運行方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：桿塔傾斜；系統需求；功能實現；數據采集

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0094-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

我國地理分布廣泛，地質條件復雜多樣，輸電線路多采用架空線路形式。電力桿塔傾斜、沉降問題日益突出，嚴重威脅著輸電線路和通信網絡的安全[1]。傳統的桿塔傾斜監測方式往往存在監測不及時、數據不準確等問題，無法滿足電網運行安全的要求。因此，基于物聯網的桿塔傾斜在線監測系統應運而生。該系統通過結合傳感器、通信模塊和數據處理設備等智能硬件設備，實現對桿塔傾斜角度、變化趨勢等數據的實時采集和分析，幫助電力企業有效管理和維護輸電線路設施，確保電網運行安全穩定。

1 系統需求分析

1.1 系統性能需求

桿塔是電力輸電線路的重要組成部分，其傾斜可能導致線路故障甚至倒塔，給電網運行帶來嚴重的安全隱患。系統的主要功能是實時監測桿塔的傾斜情況并及時報警。為滿足這一要求，系統須具備以下性能。

高精度監測能力：桿塔傾斜是微小的變化，但可能對電網安全產生重大影響。因此，監測系統需要能夠實時準確地監測桿塔的傾斜角度，并及時發出預警信號。

高可靠性和穩定性：監測系統須具備高可靠性的硬件設備和穩定的軟件系統，能在惡劣環境條件下正常運行，并持續穩定地監測桿塔的傾斜情況。

高效的數據處理和分析能力：桿塔傾斜在線監測系統會產生大量監測數據。系統須具備高效的數據處理和分析算法，能實時處理和分析監測數據，并進行預警處理。

1.2 系統技術需求

系統需將采集到的桿塔傾斜角度等數據實時傳輸至后臺進行分析處理，為管理人員提供決策依據。系統功耗需≤1W，并支持擴展多種傳感器接入，包括風力、溫度、外力破壞、山火等各種檢測。桿塔傾斜角度的準確性要求如下。

桿塔順線傾斜角范圍在±10°內，精度≤±0.05°。

桿塔橫向傾斜角范圍在±10°內，精度lt;±0.05°。

當桿塔傾斜角度出現異常時，系統須及時發送預警信息。

1.3 系統整體性需求

為提供良好的用戶體驗，系統須滿足以下整體性需求：支持在線用戶數量200萬；平穩運行時間7×24小時；系統頁面打開時間低于2秒；CPU使用率小于75%。

2 系統結構設計

本項目開發的桿塔傾斜在線監測系統采用基于MEMS技術[2]的高性能三維運動姿態測量系統，實現三維姿態傾角測量。結合物聯網技術，實現桿塔傾斜遠程在線監測系統。該系統可應用于電力輸配電網、城市建設等場景，有效監測桿塔的傾斜情況，及時發現問題并采取措施，保障電力設施的安全運行。圖1 為系統總體結構圖。

感知層：負責實時采集桿塔的傾斜角度、環境溫度、風速等數據。感知層可根據實際需求靈活部署各類傳感器節點，如傾斜傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、振動傳感器、圖像傳感器等。

網絡層：負責將感知層采集的數據傳輸至云平臺。網絡層可選擇不同的通信方式，如NB-IoT、Lo?RaWAN、GPRS等，以適應不同的應用場景。

應用層：負責數據的存儲、分析、展示，并提供報警信息推送、用戶管理、系統配置等功能。應用層可基于Web開發，便于用戶通過瀏覽器訪問系統。

感知層與網絡層之間可使用LoRa、ZigBee等短距離無線通信技術，網絡層與應用層之間可使用GPRS、4G、5G等移動通信技術或以太網等有線通信技術。

2.1 硬件設計

系統下位機分為三部分：MCU 單元、NB-IoT 模組[3]和傾角測量單元。角度傳感器能采集桿塔傾角數據，并通過NB-IoT上傳，同時能執行下發命令。終端的主控程序在Keil MDK嵌入式開發環境下進行編程和調試。圖2為產品實物圖。

MCU控制程序是桿塔狀態監測的主導模塊，負責終端的定時喚醒、休眠等所有功能的控制和調配，通過協調各控制模塊使終端正常運行。設備上電后先進行自檢，通信正常時由傳感器采集參數并發送至監控中心，當測量值超過閾值時發送報警信息。網絡消息接收模塊負責接收云端發來的信息，系統收到消息后通過消息處理模塊對命令進行數據解析、保存和執行。

在信息處理模塊中，可通過平臺下發指令，遠程控制設備監測狀態，調整監測時長間隔和觸發值等信息，根據實際環境靈活配置。

2.2 軟件設計

云平臺管理由設備中心、數據監測、警報模塊、用戶管理、系統管理5個模塊組成。結構圖如圖3所示。在數據監測模塊中，可查看設備的前后傾斜角度、水平傾斜角度；在報警模塊中，有平臺警報和短信警告兩種方式，可設置接收警告短信的接收人，并查看終端上傳的所有警告信息；在設備中心模塊中，可錄入、刪除、修改設備信息，靈活實現終端的接入和移除。通過云平臺管理與終端建立連接，在云平臺管理界面輸入終端設備的IMEI、IMSI號碼進行信息識別，并由云平臺管理向終端設備分配指定ID，最后通過通信調試，完成數據的正常傳輸。圖3為云產品結構圖。

3 系統功能實現

3.1 硬件功能實現

3.1.1 數據采集部分

傾角測量單元采用雙軸傾角傳感器SCA100TD02實現傾角檢測。其工作原理基于微機電系統（MEMS） 技術，通過內部的加速度計來檢測物體在X 軸和Y軸方向上的加速度變化，從而計算出物體相對于水平面的傾斜角度。通過使用雙軸傾角傳感器，用戶可以實時監測物體的傾斜狀態，提高生產效率和安全性[4-5]。SCA100T-D02的角度信息以11位數字量形式輸出，其數字量與角度的關系為：

α = arcsin Dout - Doffset／sensitivity

式中：α為檢測的角度；Dout 為X或Y方向的輸出數字量;Doffset 為 0°時輸出的數字偏移量，標稱值為1024；sensitivity 為靈敏度對應的數字量，標稱值為819。

3.1.2 系統通信部分

系統采用4G通信模塊進行系統通信，MCU先發出寄存器指針和傳感器地址，由MCU讀取傳感器存儲單元的測量值，將結果存于存儲單元并通過串口傳遞至4G模塊。設備采集數據過程中，首先是傳感器采集數據，MCU處理數據，數據由設備通過串口，發送數據到4G通信模塊模組。4G通信接收到指令后，通過MQTT協議發送給事先配置的物聯網平臺，接著應用服務器與物聯網平臺數據交互獲取數據。

3.2 軟件功能實現

監控面板如圖4、圖5所示，監控面板中顯示有設備總數量、設備在線數量和設備離線數量，還能通過模塊的內嵌地圖顯示面板查看設備所在具體位置。

設備管理模塊是對終端設備管理，當有新的設備，需要將新設備的信息錄入后臺才能實現實時監測。在本平臺，如圖6設備中心模塊面板可以錄入、刪除或者修改終端設備信息；在本模塊中還能設置報警人，對操作人員進行授權。同時，閾值管理功能允許在后臺手動設置閾值，以實現不同環境下的靈活控制。

數據管理模塊中，可以查看年、月、日的桿塔傾斜角度的報表，圖7是部分曲線的變化，在界面的左側是表格樣式的數據，可以看到是具體哪個時間段桿塔傾斜角度的具體數值。右側是曲線圖，通過曲線圖可以更加直觀看到隨著桿塔搖擺產生的角度變化。

4 系統優勢

1） 桿塔傾斜在線監測系統可實現實時監測。該系統采用現代化的監測設備，能夠實時監測桿塔的傾斜情況，顯著提高了監測的準確性和及時性。

2） 桿塔傾斜在線監測系統具有高度自動化特點。相較于傳統需要人工干預的監測方法，在線監測系統能夠自動進行監測和數據采集，有效提升了監測的可靠性和穩定性。

3） 桿塔傾斜在線監測系統還具備數據分析和預警功能。系統能夠對采集到的數據進行分析和處理，通過算法識別出潛在的傾斜風險，并及時發出預警信號。

4） 桿塔傾斜在線監測系統采用基于3D-MEMS技術的高精度雙軸傾角傳感器芯片，該芯片能夠精確測量物體的傾角，測量精度可達0.01度。同時，它能在惡劣環境下穩定工作，不易受到外界干擾。

5） 桿塔傾斜在線監測系統底端數據傳輸采用4G 通信模塊技術，該技術具有高速數據傳輸能力、低延遲特性、廣泛覆蓋范圍和穩定性，并支持大規模設備連接。選擇4G通信模塊作為通信方式，并結合程序設計，預計能夠滿足系統5年的工作時長需求。

5 結束語

隨著物聯網技術的快速發展和普及，各行各業都在積極探索如何利用物聯網技術提高生產效率、降低成本、改善服務質量。在電力行業，桿塔傾斜是一個常見且十分重要的問題，因為桿塔傾斜可能導致電力設備損壞，甚至引發安全事故。本文研究的桿塔傾斜在線監測系統具有諸多優勢：系統可實現全天候、全方位的監測，不受時間和空間的限制；能夠實時傳輸和分析數據，提供及時準確的監測結果；還可實現遠程控制和智能化管理，為電力設備的維護和管理帶來便利。

未來，基于物聯網的桿塔傾斜在線監測系統具有廣闊的發展前景。隨著物聯網技術的不斷成熟和應用，監測系統的性能將不斷提升，監測數據的精度和準確性將進一步提高，系統的穩定性和可靠性也將得到增強。同時，監測系統還可與其他智能設備和系統進行集成，實現更加智能化的監測和管理，為電力行業的發展注入新的活力。

參考文獻：

[1] 江星華，萬東.電力桿塔傾角和沉降狀態組網監測系統設計[J].物聯網技術，2024，14（4）：43-45.

[2] 許祥.基于MEMS的邊坡振動與傾角監測技術研究[D].濟南：齊魯工業大學，2024.

[3] 安成名.基于國密算法的一體化NB-IoT安全通訊模組[Z].深圳：深圳市燃氣集團股份有限公司， 2021-04-17.

[4] 陸仲達，梁春旭，徐鳳霞.基于遠距離無線電和窄帶物聯網的桿塔姿態監測系統[J].科學技術與工程，2023，23（12）： 5118-5128.

[5] 孫建鵬.基于LoRa無線網絡通信技術的輸電桿塔傾斜監測系統設計[D].哈爾濱：東北農業大學，2023.

【通聯編輯：代影】