CN107687838B - 一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统及方法，该系统分为激光发射端部分和激光接收端部分。激光发射端部分，通过单片机实现继电器的定时吸合或断开，实现激光器断续发射激光，向激光接收端传递光信号。激光接收端部分，当受光器接收到激光照射时，则微控制器会侦测到受光器中一组电路连通出现高电平，通过微控制器记录高电平的持续时间，将电信号翻译成相应的摩尔斯电码符号，并与接收端内预置的口令逐位比对。若出现符合的摩尔斯密码字段，则说明铁塔倾斜状态正常，并向远程监控中心，发送报告铁塔状态正常。否则，报告铁塔倾斜报警。该激光检测系统对铁塔倾斜状态的检测方法效率高，实现简单，精确度高，具有较好的使用价值。

Description

一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统及方法，特别涉及一种由激光发射端和接收端组成的激光传感器系统平台对目标铁塔进行定时检测方法，属于激光传感器系统在铁塔倾斜度检测方面的应用领域。

背景技术

自电气时代以来，人类在电的使用上应用方式越来越多，对电能的依赖程度也越来越高，以至于越来越多的电塔被树立在楼宇和高山田野之间。而到了高度信息化的今天，这些高耸的铁塔中又出现了多种多样用途不同的通信铁塔。特别地，近年来受城市化进程影响，城市人口不断增多，面积不断扩大。为了尽可能的将通信信号覆盖到城市用户群，大量的通信基站需要集中建设在城市中，这也就导致了通信铁塔数量上的猛增这些铁塔的大量建设象征着人类文明的发展与繁荣，标志着人类社会在快速奔向信息化。但是，各种多用途的铁塔在为人们提供服务的同时，其本身大面积的扩张建设也带来了些许问题，最常见的问题就是对于供电及通信等的铁塔发生倾斜时候该如何准确检测。容易发现，这些铁塔应用广泛且遍布各类地形，容易遭受到风、地面下陷等自然因素和人为因素的影响而发生倾斜，如果一些细小的变化得不到及时的发现和处理，问题会进一步扩大导致服务中断。更为严重的是城市内的铁塔倒塌可能会威胁到路人的安全，这将会造成不可估量的损失。由此可见，通过有效的技术手段完成铁塔倾斜检测显得十分重要。

铁塔倾斜的传统检测方式是人工巡回检测，其中大多采用铅垂仪等垂直检测仪器进行简单判断。这种方式的缺点是十分低效，工作量较大，成本较高。而且，这些铁塔往往被搭建在一些偏远地区，由于人力、物力以及周围环境等因素的制约，难以对铁塔实现全面检测。

为解决铁塔倾斜检测的问题，近年来我国涌现了一些新的检测方法。常见的有基于传感器技术和无线通信技术的在线监测方式，即利用倾角传感器对铁塔的倾斜度进行监测，通过无线网络将铁塔的倾斜数据实时上传至监控中心，同时监控中心可远程对监测前端进行各种参数的设置(赵猛.基于倾角传感器的移动通信铁塔形变预警系统设计[D].武汉理工大学,2014.)。这种方式做到了实时的信息获取，并且精确度也有了相应的提升。但是这种方式也存在着问题，比如传感器需要在常规温度下才能正常工作，否则检测精度会降低。受地形影响而维护难度大又是另一问题。除了在线监测方式之外，部分地区还使用GPS精密单点定位的方式检测垂直铁塔的倾斜状态。主要利用卫星通信并结合坐标系统来进行状态检测和数据分析(龚佑兴.GPS单点定位研究[D].长沙：中南大学,2004.)。但是这种方式定位精度较低，并且实现成本很高。以目前的技术发展来看并不适用于大规模应用。

随着现代化城市建设的加快，电力及通信等各种铁塔广泛应用，并开始大量的遍布于城市的各个角落。以往的常规铁塔倾斜检测方法多有不适用之处，人们需要更为简单、稳定、高效的铁塔倾斜检测方法。

发明内容

为了，本发明提供一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统及方法，该方法针对电力类和通信类的各种铁塔，利用激光检测系统实现一种易实现，稳定性高，易维护，成本低的铁塔倾斜检测的新方法。本发明涉及到激光和微控制器应用技术，能够适应不同的地理环境，成本更低，容易实现，可进行大规模应用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，包括激光发射端以及安装在铁塔上的激光接收端，其中，激光发射端在预设时刻以规律的激光发射形式向激光接收端发送摩尔斯电码；激光接收端对接收到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，若解码后的口令正确则向远程监控中心发送铁塔姿态正常的消息，若激光接收端未按时或正确接收到口令则向远程监控中心发送铁塔倾斜的警报消息。

作为本发明的进一步优化方案，所述激光发射端与激光接收端之间的水平距离为10-500m。

作为本发明的进一步优化方案，所述激光发射端发出的激光光斑打在激光接收端的受光器的中心。

作为本发明的进一步优化方案，所述激光发射端包括用于供电的太阳能供电模块以及点状平行光束激光光源、单片机、继电器、支架，其中，点状平行光束激光光源通过支架安装固定，且点状平行光束激光光源发出的激光光斑打在激光接收端的受光器的中心；单片机根据预设程序控制继电器的通断，使得点状平行光束激光光源在预设时刻以规律的激光发射形式向激光接收端发送摩尔斯电码。

作为本发明的进一步优化方案，所述激光接收端包括用于供电的电源以及受光器、微控制器芯片、网络模块，其中，受光器是由若干光电检测元件组成的感光面阵，用于检测照射到受光器上的激光信号；微控制器芯片根据受光器检测到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，并对解码后的口令进行判别后将判断结果通过网络模块发送至远程监控中心。

作为本发明的进一步优化方案，所述微控制器芯片和网络模块集成在开发板上。

作为本发明的进一步优化方案，所述光电检测元件是光敏电阻，激光发射端发射的点状激光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值大幅降低，形成电流通路产生高电平，从而被激光接收端的微控制器侦测。

另一方面，本发明还提供一种基于如上述任一所述的基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统进行检测的方法，包括以下具体步骤：

步骤1，将激光接收端安装在铁塔上，激光发射端安装在与激光接收端之间保持有效距离的物体上，且确保激光发射端发出的激光光斑能够打在激光接收端的受光器的中心；

步骤2，激光发射端在预设时刻以规律的激光发射形式向激光接收端发送摩尔斯电码；

步骤3，激光接收端对接收到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，若解码后的口令正确则向远程监控中心发送铁塔姿态正常的消息；若激光接收端未按时或正确接收到口令则向远程监控中心发送铁塔倾斜的警报消息。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中有效距离为激光发射端与激光接收端之间保持10-500m的水平距离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用了激光方向性好、亮度高的特性，使点状激光照射到激光接收端的受光器上的光敏电阻时，光敏电阻的阻值将大幅降低从而形成电流通路产生高电平，从而被激光接收端的微控制器侦测。该系统工作时，激光发射端通过控制激光的发射时长来有规律地发送摩尔斯电码，激光接收端的受光器接收到激光照射并对发射端所发送的摩尔斯电码进行解码，如果验证正确则判断铁搭姿态正常，如果接收端始终接收不到激光照射或解码后电码有误则判断铁塔倾斜。铁塔倾斜检测的结果可进一步由接收端微控制器控制系统通过网络发送至远程控制中心的计算机给出铁塔倾斜警报。本发明针对电力类和通信类的各种铁塔，利用激光检测系统实现一种易实现，稳定性高，易维护，成本低的铁塔倾斜检测的新方法。本发明涉及到激光和微控制器应用技术，能够适应不同的地理环境，成本更低，容易实现，可进行大规模应用。

附图说明

图1是激光检测系统示意图；

图2是激光发射端示意图；

图3是激光发射端工作流程图；

图4是受光器感光面阵上的光敏电阻的排列示意图；

图5是受光器50组电路与微控制器芯片引脚连接示意图；

图6是激光接收端工作流程图。

图7是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明隶属于激光传感器系统在铁塔倾斜度检测方面的应用领域。具体涉及到由激光发射端和接收端组成的激光传感器系统平台对目标铁塔进行定时检测。其中利用了激光方向性好、亮度高的特性，使点状激光照射到接收端受光器上的光敏电阻时，光敏电阻的阻值将大幅降低从而形成电流通路产生高电平，从而被接收端微控制器侦测。该系统工作时，激光发射端通过控制激光的发射时长来有规律地发送摩尔斯电码，激光接收端的受光器接收到激光照射并对发射端所发送的摩尔斯电码进行解码，如果验证正确则判断铁搭姿态正常，如果接收端始终接收不到激光照射或解码后电码有误则判断铁塔倾斜。铁塔倾斜检测的结果可进一步由接收端微控制器控制系统通过网络发送至远程控制中心的计算机给出铁塔倾斜警报。

本发明基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统使用到激光和微控制器应用技术，该激光检测系统分为两个组成部分，即激光发射端和激光接收端，如图1所示。

下面通过具体实施例对整个检测系统进行逐一介绍：

1、对于激光发射端部分，其主要结构如附图2所示。激光发射端具体由点状激光光源、太阳能板、太阳能供电用智能电源模块，锂电池、STC51单片机、时钟模块、继电器模块和激光器支架构成。点状激光光源采用波长为650nm，功率为5mw的低功耗点状平行激光光源，采用定焦激光模组；太阳能电池板采用功率为3W，电压为6V的单晶太阳能电池板；智能电源模块将太阳能电池板在日光下转化的电能存储在聚合物锂电池(10000mAH)中作为电源；由电压为5V，电流为500mA的聚合物锂电池为激光发射端系统进行24小时供电，维持激光发射端系统的运行；时钟模块可采用DS3231高精度时钟模块；继电器触发端采用光耦隔离的方式，增强抗干扰能力，同时支持低电平触发；支架采用360°可调节的万向支架以方便安装时激光器指向激光接收端的受光器。安装过程中需要利用支架将激光器固定以防自身倾斜。安装激光器时可以利用单筒望远镜人工辅助使激光点状红点能照射到激光接收端受光器的中心。

激光发射端的控制部分较为简单。利用STC51单片机不间断读取DS3231时钟模块中的时间信息。当达到设定的[DS,DE]检测时间时，通过单片机控制实现继电器开关的吸合和断开。当继电器吸合开关，则电路闭合，激光光源打开，向激光接收端发射点状红激光；当继电器开关断开，则停止发射激光。

为了防止检测时间段内，激光光源以外的其它干扰光源被是认为是发射端所发出激光，造成激光接收端的误检测。本发明中的激光发射端采用向接收端发送特定摩尔斯电码的方式来排除其它干扰光源造成的误检测。激光发射端通过有规律地控制发射端继电器吸合和断开的开关时间，使接收端微控制器可以依据接收到激光信号的时长来判断该信号表达的是摩尔斯电码中的“点(.)”或者“划(-)”，实现向接收端发送摩尔斯电码的功能。具体地，令点状红激光照射时间为t，当需要发送一个摩尔斯电码“点(.)”，则激光照射时间持续为T＜t≤2T；当需要发送一个摩尔斯电码“划(-)”，则激光照射时间持续为2T＜t≤3T。激光发射端每发送完一个电码，激光器关闭5T时间后再发送后续电码。

如表1所示，由于激光接收端所用光敏电阻在受到激光照射时，其阻值的变化会有延时(这也造成了接收端对激光进行接收会有延时)，通常光敏电阻阻值下降需要30ms左右，上升需要20ms左右。因此，激光照射时间应当考虑到光敏电阻阻值下降和上升的延时，适当增加照射时间以及两次连续照射应当保证适当的时间间隔。使电阻在前一次电码发送完成后能有足够的时间恢复其阻值，再发送下一个电码。

表1 5506型号光敏电阻参数信息表

根据以上分析，本专利中激光发射端通过激光所发密码设定为：“HELLO”，其对应的摩尔斯电码为：“......-...-..---”。前文中时间间隔T可取值为1-5s，倾斜检测的检测起止时间DS可取00:00时刻，DE可取00:30时刻，并在检测时间段内不间断地重复发送“HELLO”摩斯电码。

如图3所示，激光发射端系统的具体工作过程如下：

(1)启动激光发射端系统；

(2)判断是否到达指定检测时间段的起始时间DS时刻；

(3)如果到达指定时间点DS，同时当前时间在[DS,DE]内，则利用STC51单片机控制继电器实现吸合或断开激光器的供电电路，来发射或关闭点状红激光。按照“HELLO”的摩尔斯电码“......-...-..---”依次发送每个电码。否则，重复执行步骤(2)；

(4)判断当到达指定停止发射时间DE时刻，则STC51单片机断开继电器关闭激光器，停止摩尔斯电码的发送，回到步骤(2)，否则，重复执行步骤(3)。

2、对于激光接收端部分，其主要由受光器、开发板(包含微控制器芯片、网络模块)和电源组成。开发板可采用STM32F103ZET6系列开发板，该系列开发板所搭载STM32F103ZET6处理芯片其引脚达到144个；网络模块可采用ENC28J60网络模块，实现与远程监控中心计算机之间的通信发回铁塔检测结果；电源可选择接通铁塔供电系统供电或者采用发射端类似的太阳能电池供电方案以实现电压5V，电流1A的24小时持续供电；受光器是一个由大量光敏电阻元件组成的感光面阵，来实现对发射端所发射的点状红激光的传感探测。经测试，本发明中受光器可采用直径为R(R＝5mm)的5506型号的光敏电阻实现，其相关参数如附表1所示。5506型光敏电阻最大工作电压为150VDC，最大功耗为100mw，光谱峰值为540nm。在有强光照射下(例如该专利才采用的红激光)和无光照射下，其阻值有极大变化，从而可以实现所连接电路的高低电平的变化(电路通断)。

受光器的感光面阵采用行Row(Row＝50)个和列Col(Col＝50)个的光敏电阻元件所密集整齐拼成的感光面阵，如图4所示。其中，受光器每行的Col个光敏电阻全部并联形成1组检测电路。依此方式，整个受光器可以得到共Row组检测电路。当发射端点状激光照射到受光器上时，其光斑至少打在受光器上一个光敏电阻，则该光敏电阻所在的一行的1组电路将被连通，输出高电平，从而可进一步判断接收到激光信号。也即：只要点状激光的光斑照射到受光器上，便能实现Row组检测电路中的至少1组检测电路连通，该路检测电路将输出高电平，即认为检查到该激光的照射。通过大量紧凑排列地光敏电阻元器件，从而总是可以使激光能够照射到某个光敏电阻元件上，避免光斑照射到元件之间的死角导致检测遗漏。

受光器所连接的控制系统由开发板(含STM32F103ZET6微控制器芯片和网络模块组成)构成。其中受光器Row组检测电路与微控制器IO引脚之间的电路连接示意图如附图5所示。图中D编号标识光检测元件，P编号标识引脚。图中使用了其中的100个引脚。微控制器在指定的检测时间段[DS,DE]内，持续检测是否接收到发射端的激光，并将收到的激光照射的时间长t，按照当T＜t≤2T时表示当前发送一个摩尔斯电码“点(.)”；当2T＜t≤3T时表示当前发送一个摩尔斯电码“划(-)”进行解码。当接收端到的全部电码被解码后其中任一段与预置的口令(当前设置为“HELLO”)相匹配，则认为激光发射端与接收端未发生相对位移，也即铁塔当前未发生倾斜。于是接收端微控制器系统通过网络向远程监控中心的计算机发送检测结果，则一次铁塔倾斜检测过程结束。否则，则发送警报提示当前铁塔发生倾斜。按照上述步骤，通过每天进行检测便可以及时获取铁塔的是否倾斜的状态。

如图6所示，激光接收端系统的具体运行步骤如下：

(1)启动激光接收端检测系统；

(2)判断当前时间是否到达指定检测时间段[DS,DE]内；

(3)如果到达指定检测时间段DS时刻，则接收端检测是否有激光照射到受光器上(微控制器判断受光器某一组电路连通出现高电平)。否则，重复执行步骤(2)；

(4)如果检测到激光信号，则接收端的微控制器开始计时，记录激光信号(电路连通的高电平)持续时间t。如果没有检测到激光信号，则持续检测。如果超过有效时段的DE时刻仍未检测到激光信号，则向远程监控中心发送警报；

(5)检测高电平电信号是否终止；

(6)如果高电平电信号终止，则停止计时。否则，重复执行步骤(5)；

(7)判断时间t所在范围，如果T＜t≤2T，则记录信号对应摩尔斯电码为“点(.)”，如果2T＜t≤3T，则记录该信号对应摩尔斯电码为“划(-)”，如果t不在指定范围内，则说明发射端故障或者其它原因，接收端向远程监控中心发送警报；

(8)将检测时间段[DS,DE]内，步骤(7)所识别的完整电码按摩尔斯电码进行译码，并与预置口令的对应位进行比较；

(9)如果所有代码中的一段与设定的口令相同，则向远程监控中心的计算机发送铁塔状态正常。否则，向远程监控中心发送铁塔倾斜警报。

本发明还提供了一种基于上述基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统进行检测的方法，如图7所示，包括以下具体步骤：

步骤1，启动整个激光检测系统；

步骤2，激光发射端定时有规律地发射激光，以达到发送特定摩尔斯电码的目的；

步骤3，激光接收端的受光器接受到激光的照射，形成电路通路；

步骤4，激光接收端的微控制器检测到电路通路后的高电平后，依据高电平持续时间，将激光照射时间解码为电码符号；

步骤5，光接收端的微控制器合并所有电码，并与预置口令进行比较，若完全相符则向远程监控中心报告发送铁塔姿态正常的消息；若不完全相符则向远程监控中心发送铁塔倾斜的异常消息。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，包括激光发射端以及安装在铁塔上的激光接收端，其中，

所述激光发射端包括用于供电的太阳能供电模块以及点状平行光束激光光源、单片机、继电器、支架，其中，点状平行光束激光光源通过支架安装固定，且点状平行光束激光光源发出的激光光斑打在激光接收端的受光器的中心；单片机根据预设程序控制继电器的通断，使得点状平行光束激光光源在预设时刻以规律的激光发射形式向激光接收端发送摩尔斯电码；

激光接收端对接收到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，若解码后的口令正确则向远程监控中心发送铁塔姿态正常的消息，若激光接收端未按时或正确接收到口令则向远程监控中心发送铁塔倾斜的警报消息。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，所述激光发射端与激光接收端之间的水平距离为10-500m。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，所述激光发射端发出的激光光斑打在激光接收端的受光器的中心。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，所述激光接收端包括用于供电的电源以及受光器、微控制器芯片、网络模块，其中，受光器是由若干光电检测元件组成的感光面阵，用于检测照射到受光器上的激光信号；微控制器芯片根据受光器检测到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，并对解码后的口令进行判别后将判断结果通过网络模块发送至远程监控中心。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，所述微控制器芯片和网络模块集成在开发板上。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统，其特征在于，所述光电检测元件是光敏电阻，激光发射端发射的点状激光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值大幅降低，形成电流通路产生高电平，从而被激光接收端的微控制器侦测。

7.基于如权利要求1至6中任一所述的基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测系统进行检测的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，将激光接收端安装在铁塔上，激光发射端安装在与激光接收端之间保持有效距离的物体上，且确保激光发射端发出的激光光斑能够打在激光接收端的受光器的中心；

步骤2，激光发射端在预设时刻以规律的激光发射形式向激光接收端发送摩尔斯电码；

步骤3，激光接收端对接收到的激光信号进行摩尔斯电码解码验证，若解码后的口令正确则向远程监控中心发送铁塔姿态正常的消息；若激光接收端未按时或正确接收到口令则向远程监控中心发送铁塔倾斜的警报消息。

8.根据权利要求7所述的基于激光传感器系统的铁塔倾斜检测方法，其特征在于，步骤1中有效距离为激光发射端与激光接收端之间保持10-500m的水平距离。

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