CN109962977A - 一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特点是，包括：树莓派终端、服务器终端和Web终端，所述服务器终端分别与树莓派终端、Web终端信号连接，树莓派终端为可穿戴式设备。本发明采用4G网络进行无线传输，在传输中采用WebRTC技术实现树莓派终端与Web终端的实时通信，服务器终端由nodejs服务器和打洞服务器实现端到端的连接和消息的转发。其操作方便简单，应用在高压输电设备检修领域可以大幅度减少检修工作量，提高检修效率。还公开了其操控方法，该操控方法科学合理，适用性强，效果佳。

Description

一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统及其操控方法

技术领域

本发明属于输电设备检修领域，是一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统及其操控方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展，输电设备作为电能输送的重要组成部分，其安全可靠运行成为电力系统稳定运转的重要环节。目前，随着电网规模不断扩大，输电设备更新换代导致其结构变得复杂多样、检修流程的步骤也日益增多，这就要求检修人员具备扎实的专业技能、丰富的经验和准确的判断力，但对于培训检修人员的周期和经费不容小觑，这也阻碍了检修进度，降低了检修质量。

实现高压输电设备检修首要任务是对设备进行排查。目前，在高压输电设备检修领域，针对输电设备检修的研究侧重于对智能设备的投入和使用，以智能设备检修方式代替传统人工检修方式成为目前主流的检修方式，如针对输电设备检测的无人机、智能小车等在结合通信和传感等技术层面对设备进行拍照取材并将视频信息传输到技术人员观测端进行分析。但是受到光照、拍摄角度、电磁干扰的影响，采集的信息存在偏差，在一定程度上降低了检修效率。

近几年随着科技的发展，可穿戴式设备活跃在人们的生产生活中，可穿戴式设备是探索人和科技全新交互的方式，设备可根据人的行为来获取信息，并结合终端来对采集到的信息分析处理；目前，针对可穿戴式设备的使用主要集中于人们的生活和娱乐中，如智能手环，VR智能体感手柄等。而应用可穿戴式设备对输电设备进行检修的研究少之又少，若将可穿戴式设备应用到输电线路检修领域，发挥可穿戴式设备的优势，将弥补传统人工检修方式的不足，提高检修效率的同时也降低了检修工作量。

发明内容

本发明的构思基础是，以树莓派芯片作为可穿戴式设备的开发主板，由于树莓派芯片具有开源、外形小巧、有独立的操作系统、有较好的兼容性和扩展性等优良特性，同时树莓派芯片本身也具有较强的编解码能力以及板载网络等功能，因此选用树莓派芯片具有很大的实用价值；选用实时通信(Web Real-Time Communication，WebRTC)技术，WebRTC技术相较于传统通讯方式不需安装插件即可实现视频通信、升级方便，同时它基于JavaScript开发的且开源，本身拥有优秀的跨平台能力和实时通信能力，WebRTC技术将通信、网络传输等模块和协议内置到浏览器中从而屏蔽底层硬件和操作系统之间的差异，减轻服务器端的压力。

本发明的目的是克服传统检修工作中检修人员对新设备检修会产生误判的影响、培训检修人员的经费高和周期长、检修工作步骤繁杂，同时现代检修方式中智能设备在输电设备检修领域的使用存在缺陷等问题，提出一种能够减少检修工作量的同时提高工作效率的结构简易，操作便捷的基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统；并提供科学合理，适用性强，效果佳的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统的操控方法。

实现本发明的目的之一采用的技术方案是:一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，它包括树莓派终端、服务器终端和Web终端，所述服务器终端分别与树莓派终端、Web终端信号连接，所述树莓派终端为本发明的可穿戴式设备。

所述树莓派终端包括：树莓派芯片、显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块，所述树莓派芯片为核心部件分别与显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块电连接。

所述显示模块为VGA高清单目显示屏，VGA高清单目显示屏与树莓派芯片的HDMI视频输出接口连接。

所述信息采集模块为高清USB摄像头，高清USB摄像头与树莓派芯片的USB 接口连接。

所述供电模块为外接电源，外接电源与树莓派的5V接口电连接。

所述无线通信模块为4G移动wifi设备，4G移动wifi设备为树莓派芯片提供网络。

所述服务器终端在云服务器上搭建，由nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器组成并提供树莓派终端和Web终端建立连接和消息的转发。

所述Web终端采用JavaScript、HTML5、CSS3、AJAX、PHP和jQuery实现，完成界面编写、数据存储、数据查询和视频通信功能。

实现本发明的目的之二采用的技术方案是:一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，它的操控方法步骤为：

1)检修人员佩戴可穿戴式设备并按下开机按钮，同时检修人员打开4G wifi 设备并对输电设备进行检修，可穿戴式设备采集输电设备视频信息并通过服务器终端传输到Web终端。同时，检修人员可通过VGA高清单目显示屏看到Web终端传输过来的检修方案，实施检修工作；

2)树莓派终端和Web终端通过IP地址和端口号连接到服务器终端，两个终端通过nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器建立传输通道，然后服务器终端响应两个终端请求完成视频流和文本流的传输。

3)技术人员登录到Web终端，打开视频传输界面并点击登录和呼叫按钮建立起两个终端之间的连接，此时，技术人员能够看到树莓派终端传输过来的输电设备视频信息并进行拍照和录制视频，然后技术人员根据观测的输电设备视频信息查询后台数据库中存储的检修方案并将其发送至树莓派终端的VGA高清单目显示屏上；同时技术人员也能够在Web终端软件系统中实现管理用户名、存储检修方案、查询历史记录、按照关键字或设备类型号查询检修方案功能。

本发明一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统，采用4G网络进行无线传输，在传输中采用WebRTC技术实现树莓派终端与Web终端的实时通信，服务器终端由nodejs服务器和打洞服务器实现端到端的连接和消息的转发。本系统实现了在4G网络下视频信息的实时传输、文字和检修方案的传输、检修方案的存储和历史记录的查询等功能。本发明一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统的操控方法，操作方便简单，应用在高压输电设备检修领域可以大幅度减少检修工作量，提高检修效率，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1为一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统总体结构框图；

图2为图1中树莓派终端展开状态结构框图；

图3为图1的WebRTC总体框架图；

图4为树莓派终端和Web终端基于WebRTC的具体通信流程图；

图5为Web终端软件系统模块图；

图6为具体操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明再作进一步详细说明。

参照图1，本发明的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统，包括树莓派终端1、服务器终端2和Web终端3，所述服务器终端2分别与树莓派终端 1、Web终端3建立信号连接，所述树莓派终端1为可穿戴式设备。

参照图1和图2，所述的树莓派终端1包括：树莓派芯片、显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块，所述树莓派芯片为核心部件分别与显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块电连接。所述显示模块为VGA高清单目显示屏，VGA高清单目显示屏与树莓派芯片的HDMI视频输出接口连接。所述信息采集模块为高清USB摄像头，高清USB摄像头与树莓派芯片的USB接口连接。所述供电模块为外接电源，外接电源与树莓派的5V接口电连接。所述无线通信模块为4G移动wifi设备，4G移动wifi设备为树莓派芯片提供网络。所述服务器终端2在云服务器上搭建，由nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器组成来提供树莓派终端和Web终端建立连接和消息的转发。所述Web终端3采用JavaScript、HTML5、CSS3、AJAX、PHP和jQuery实现，完成界面编写、数据存储、数据查询和视频通信功能。所述数据存储在以Web-Base方式在网站主机上的MySQL数据库中，系统基于B/S架构，实现了集成树莓派终端1、服务器终端2、Web终端3于一体的软硬件结合的高压输电设备检修辅助系统。

参照图1和图3，本系统采用WebRTC技术实现视频和文本的传输，所述视频信息通过WebRTC视频引擎模块使用VP8编码技术进行编解码处理，所述文本信息由H.264编码技术编码成字节流进行传输。在网络条件良好的情况下，本系统的传输延迟可以忽略，达到实时传输的目的；同时本系统可根据网络的抖动情况自适应调整码率使视频质量达到最佳状态。

服务器终端2由nodejs服务器和打洞服务器(STUN/TURN)搭建组成，采用Socket.io将WebSocket和轮询机制封装成了通用接口，当树莓派终端1或Web 终端3通过IP地址和端口号请求服务器时，服务器终端2通过connection事件对socket请求做出响应并建立连接。当树莓派终端1和Web终端3通过服务器建立连接后，服务器终端2通过自行实现的线程池来完成消息的转发；同时采用ICE协议综合运用STUN/TURN机制来建立不同网络之间的呼叫连接，从而解决NAT穿透问题，实现4G网络下的通信。

参照图1和图4，树莓派终端1和Web终端3通过服务器终端2建立连接后，树莓派终端1和Web终端3采用WebRTC技术在4G网络下通信，具体执行步骤如下：

1)树莓派终端1和Web终端3通过IP地址和端口号分别与服务器终端2 建立连接。

2)树莓派终端1和Web终端3通过getUserMedia事件获取本地视频流，并将获取的视频数据封装成MediaStream媒体流。

3)Web终端3创建PeerConnection对象，并将封装好的MediaStream媒体流加载到PeerConnection实例对象中，在创建对等连接对象后将ICE处理器参数加载到PeerConnection对象中，实现NAT穿透。

4)Web终端3和树莓派终端1将连接服务器产生的Connection对象数据转为JSON格式数据，并判断当前数据类型进行相应操作。

5)Web终端3通过createOffer()方法创建一个offer信令，包括Web终端 3的视频SDP描述。

6)Web终端3通过setLocalDescription()方法将SDP描述加载到 PeerConnection对象中，然后通过服务器终端2发送给树莓派终端1。

7)树莓派终端1接收到Web终端3传来的offer信令后，树莓派终端1同样创建一个PeerConnection对象，并将offer信令中的SDP描述通过 setRemoteDescription()方法保存起来。

8)树莓派终端1通过createAnswer()方法创建一个answer信令，包括树莓派终端1的视频SDP描述。

9)树莓派终端1通过setLocalDescription()方法将SDP描述加载到PeerConnection对象中，然后通过服务器终端2发送给Web终端3。

10)Web终端3收到树莓派终端1的answer信令后，将answer信令中的SDP 通过setRemoteDescription()方法保存起来。

11)通过offer/answer交换对方的SDP描述后，树莓派终端1和Web终端 3根据SDP描述创建视频Channel，然后收集Candidate数据，这里Candidate 数据主要指终端的网络信息，如公网、本地IP和端口信息等。

12)Web终端3收集Candidate信息后，PeerConnection对象通过 oniceCandidate接口给Web终端通知，然后Web终端将收到的Candidate信息通过服务器终端2传送给树莓派终端1，树莓派终端1通过PeerConnection对象的AddIceCandidate方法保存起来。

13)树莓派终端1收集Candidate信息后，PeerConnection对象通过OnIceCandidate接口给树莓派终端1通知，然后树莓终派端1将收到的 Candidate信息通过服务器终端2传送给Web终端3，Web终端3通过 PeerConnection对象的AddIceCandidate方法保存起来。

14)这样树莓派终端1和Web终端3就建立了视频、文本信息传输的P2P 通道，Web终端3收到树莓派终端1传输过来的视频信息流会通过 PeerConnection对象的OnAddStream回调接口返回树莓派终端1标识的 MediaStream并将其加载到video标签上渲染出来。

参照图1和图5，所述Web终端3可分为接口模块、检修管理模块、人员管理模块和历史记录模块。所述接口模块又可分为建立连接模块、接收图像模块、传输检修方案模块，所述接口模块为与树莓派终端1通信的界面，其中所述建立连接模块实现与树莓派终端1建立连接；所述接收图像模块实现接收和处理树莓派终端1传输的实时视频流；所述传输检修方案模块实现技术人员向树莓派终端1发送文字和检修方案。所述检修管理模块可分为录入检修方案模块、按设备类型号检索检修方案模块、按关键字检索检修方案模块、查看设备图像模块。所述录入检修方案模块实现向SQL数据库存储检修方案；所述按设备类型号检索检修方案模块实现按设备类型号对方案的检索；所述按关键字检索检修方案模块实现按关键字对方案的检索；所述查看设备图像模块实现查看本地存储设备图像信息。所述人员管理模块包括录入技术人员信息模块、录入检修人员信息模块，其中所述录入技术人员信息模块实现向数据库存储技术人员信息；所述录入检修人员信息模块实现向数据库存储检修人员信息。所述历史记录模块包括录入检修记录模块、查看历史检修记录模块；其中所述录入检修记录模块实现向数据库中存储检修记录；所述查看历史检修记录子模块实现查看数据库中存储的历史检修记录。Web终端3实现了检修方案的录入、检索，现场数据的存储和历史数据的查询功能。

参照图1和图6，一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统的操控方法步骤为：

1)检修人员佩戴可穿戴式设备并按下开关按钮，即树莓派终端1自启进入工作状态，同时检修人员打开4G wifi设备并对输电设备进行检修，可穿戴式设备随着人的意向采集视频信息，由高清USB摄像头采集输电设备信息，将采集到的视频信息编码处理后发送至服务器终端2，同时检修人员可通过VGA高清单目显示屏看到Web终端3传输过来的检修方案，实施检修工作；

2)服务器终端2中的nodejs服务器是一个基于JavaScript来编写服务器的高度可伸缩的编程语言，拥有异步非阻塞I/O、事件驱动、单线程、跨平台等优良特性。基于上述优良特性，树莓派终端1和Web终端3通过IP地址和端口号连接到服务器，树莓派终端1和Web终端3通过WebRTC的Network Stream API和RTCPeerConnection API建立UDP连接，服务器终端2响应请求并进行视频流和文本流的传输，然后在两个终端通过nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器建立传输通道，一旦握手成功，HTTP协议升级为WebSocket协议，浏览器和服务器双方以全双工模式传输数据；当通话结束时，关闭握手即可断开连接；

3)技术人员登录到Web终端3，打开视频传输界面并输入用户名点击登录按钮，系统会提示成功连接至服务器，然后输入树莓派终端1的登录id并点击呼叫按钮则建立起两个终端之间的连接，技术人员能够看到树莓派终端1传输过来的设备视频信息并可以进行拍照和录制视频操作，然后技术人员根据观测的输电设备视频信息查询后台数据库中存储的检修方案并将其发送至树莓派终端1的VGA高清单目显示屏上；同时技术人员也能够在Web终端3软件系统中实现管理用户名、存储检修方案、查询历史记录、按照关键字或设备类型号查询检修方案功能。

本发明是根据发明目的，采用现有技术之有机的组合，为本领域提供的一种创新的系统和操控方法，解决了现有技术的难题，为高压输电设备检修提供了新的技术手段。本发明的硬件均为现有技术的市售产品，软件由熟悉本领域的人员依据网络传输协议、视频编解码技术、通信原理编制，容易实施。

本发明的适用范围不仅仅局限于此，任何熟悉该领域技术的人员根据本发明的技术方案所得出的其他实施方式也同样属于本发明所保护的范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，它包括：树莓派终端、服务器终端和Web终端，所述服务器终端分别与树莓派终端、Web终端信号连接，所述树莓派终端为可穿戴式设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述的树莓派终端包括：树莓派芯片、显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块，所述树莓派芯片为核心部件分别与显示模块、信息采集模块、供电模块、无线通信模块电连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述显示模块为VGA高清单目显示屏，VGA高清单目显示屏与树莓派芯片的HDMI视频输出接口连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述信息采集模块为高清USB摄像头，高清USB摄像头与树莓派芯片的USB接口连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述供电模块为外接电源，外接电源与树莓派的5V接口电连接。

6.根据权利要求2所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述无线通信模块为4G移动wifi设备，4G移动wifi设备为树莓派芯片提供网络。

7.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述服务器终端在云服务器上搭建，由nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器组成并提供树莓派终端和Web终端建立连接和消息的转发。

8.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，所述Web终端采用JavaScript、HTML5、CSS3、AJAX、PHP和jQuery实现，完成界面编写、数据存储、数据查询和视频通信功能。

9.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的高压输电设备检修辅助系统,其特征是，它的操控方法步骤为：

1)检修人员佩戴可穿戴式设备并按下开机按钮，同时检修人员打开4G wifi设备并对输电设备进行检修，可穿戴式设备采集输电设备视频信息并通过服务器终端传输到Web终端，同时，检修人员通过VGA高清单目显示屏看到Web终端传输过来的检修方案，实施检修工作；

2)树莓派终端和Web终端通过IP地址和端口号连接到服务器终端，两个终端通过nodejs服务器和STUN/TURN打洞服务器建立传输通道，然后服务器终端响应两个终端请求完成视频流和文本流的传输；

3)技术人员登录到Web终端，打开视频传输界面并点击登录和呼叫按钮建立起两个终端之间的连接，此时，技术人员能够看到树莓派终端传输过来的输电设备视频信息并进行拍照和录制视频，然后技术人员根据观测的输电设备视频信息查询后台数据库中存储的检修方案并将其发送至树莓派终端的VGA高清单目显示屏上；同时技术人员也能够在Web终端软件系统中实现管理用户名、存储检修方案、查询历史记录、按照关键字或设备类型号查询检修方案功能。