CN113691017B - 一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统 - Google Patents

一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统 Download PDF

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Abstract

一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，包括现场无线通信局域网、远程通信广域网，所述现场无线通信局域网包括传感器数据采集端、ZigBee无线通信模块、现场数据监控客户端；传感器数据采集端通过ZigBee无线通信模块连接现场数据监控客户端。所述远程通信广域网包括4GDTU无线通信模块、远程数据监控客户端；现场数据监控客户端通过4GDTU无线通信模块连接远程数据监控客户端。本发明一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，能够有效避免现有有线数据传输系统对铁塔组立施工造成的影响，实现对组塔施工全过程的工程参数的实时传输。

Description

一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统
技术领域
本发明涉及输电线路组塔施工无线通信领域，尤其涉及一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统。
背景技术
铁塔组立施工的安全性和可靠性对于特高压工程建设的质量具有重要影响。目前输电线路组塔施工领域应用传感器技术的工程大多采用线缆传输信号，这种数据传输方式建设费用高，由于线缆较长，在进行故障维护时不易排查。建成有线通信网络后如需增加新设备，则需要重新布线，这极大地增加了施工现场的工作量。并且在铁塔上装设线路复杂的有线传输网络会提高组塔系统的安装难度，还会影响抱杆的整体受力情况，不利于铁塔组立的正常施工。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，能够有效避免现有有线数据传输系统对铁塔组立施工造成的影响，实现对组塔施工全过程的工程参数的实时传输。
本发明采取的技术方案为：
一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，包括现场无线通信局域网、远程通信广域网，所述现场无线通信局域网包括传感器数据采集端、ZigBee无线通信模块、现场数据监控客户端；传感器数据采集端通过ZigBee无线通信模块连接现场数据监控客户端；
所述远程通信广域网包括4GDTU无线通信模块、远程数据监控客户端；现场数据监控客户端通过4GDTU无线通信模块连接远程数据监控客户端。
所述传感器数据采集端包括电源管理模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块；数据处理模块分别连接数据采集模块、数据发送模块；电源管理模块分别连接数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块，为这些模块提供供电电源。
所述现场数据监控客户端包括数据接收模块、远程数据发送模块；所述数据接收模块与数据发送模块通信连接，远程数据发送模块与4GDTU无线通信模块通信连接。
所述远程数据发送模块包括第一电源管理单元、第一数据处理单元、第一状态指示单元；第一电源管理单元分别连接第一数据处理单元、第一状态指示单元，为这些单元提供供电电源；
第一数据处理单元连接第一状态指示单元；
第一数据处理单元，采用数据边缘算法，降低数据传输的延时；
第一状态指示单元，用于显示系统状态。
所述远程数据监控客户端包括远程数据接收模块，远程数据接收模块与4GDTU无线通信模块通信连接；远程数据接收模块包括第二电源管理单元、第二数据处理单元、第二状态指示单元、SIM卡模块、转串口模块；
第二电源管理单元分别连接第二数据处理单元、第二状态指示单元、SIM卡模块；
第二数据处理单元分别连接第二状态指示单元、SIM卡模块、转串口模块；
远程数据接收模块接收到数据后，通过转串口模块进行串口通信转换，将串口数据传输至远程数据监控客户端并实时显示。
所述现场无线通信局域网采用星形网络拓扑结构，包括协调器、终端，协调器连接多个终端。
本发明一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，技术效果如下：
1)本发明对无线传输网络进行自组建，将原有传感器信号有线传输方式转变为无线传输形式。
2)本发明采用无线传感器局域网与广域网互联技术，实现了施工现场技术人员与远端户内技术专家对组塔施工状态的同步监控。
3)本发明采用现场通信多信道巡检和远程数据边缘计算，将现场数据回传延时降至毫秒级、远程降至秒级，实现实时动态监测。
附图说明
图1为本发明监控系统总体连接示意图。
图2为本发明的传感器数据采集端硬件连接示意图。
图3为本发明中近\远程数据通信连接示意图。
图4为本发明中近\远程通信网络数据传输示意图。
图5为本发明中传感器数据采集端星型拓扑结构图。
图6为本发明中远程数据发送模块硬件连接示意图。
图7为本发明中远程数据接收模块硬件连接示意图。
具体实施方式
一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，包括现场无线通信局域网、远程通信广域网。
所述现场无线通信局域网包括传感器数据采集端1、ZigBee无线通信模块2、现场数据监控客户端3；传感器数据采集端1通过ZigBee无线通信模块2连接现场数据监控客户端3。
所述远程通信广域网包括4GDTU(Data Transfer Unit)无线通信模块4、远程数据监控客户端5；现场数据监控客户端3通过4GDTU无线通信模块4连接远程数据监控客户端5。
所述4GDTU无线通信模块4选用WH-G405tf模块，采用网络透传模式，根据G405tf模块官方网站给定的WH_G405tf_software V1.0.2配置软件进行相关参数配置。
所述传感器数据采集端1包括电源管理模块6、数据采集模块7、数据处理模块8、数据发送模块9；数据处理模块8分别连接数据采集模块7、数据发送模块9；电源管理模块6分别连接数据采集模块7、数据处理模块8、数据发送模块9，为这些模块提供供电电源。
传感器数据采集端1采用现场通信多信道巡检技术。
数据处理模块8为传感器数据采集端1的控制核心，其型号为STC12LE5616AD单片机，单片机工作电压为3.3V。
数据发送模块9采用ZigBee无线通信技术，由于XBee-PRO900HP射频模块提供设备间关键数据的可靠传输，模块间引脚兼容性高，体积小，建立ZigBee通信不需要任何配置，选择其作为ZigBee无线通信模块。将数据发送模块9置为发射模式，采用透明模式的串口通信接口。其中，数据处理模块8输出端与数据发送模块9输入端加装ADUM1201隔离芯片用来保证元件正常工作时不受干扰。
电源管理模块6包含的电源为12.6V电池组，电池组与一个DC-DC电源管理芯片连接，为数据采集模块7、数据发送模块9供电。
所述现场数据监控客户端3包括数据接收模块10、远程数据发送模块11；所述数据接收模块10与数据发送模块9通信连接，远程数据发送模块1与4GDTU无线通信模块4通信连接。
现场数据监控客户端3为工业三防平板，电池电源电压为12.6V，采用Z8350/RK3399六核CPU、lntel Gen 8-LP/Mali-T860 GPU，其操作系统为Win10系统，具由标准USB3.0、USB2.0接口。电源采用3.7V/12000mAh的聚合物锂离子电池，支持3G/4G模组，全机可改装扩展。
数据接收模块10为ZigBee无线通信模块，采用ZigBee无线通信技术，所述数据接收模块设置为接收模式，采用API模式的串口通信接口。
SIM卡槽直接沿用平板电脑SIM模块进行移植。对USIM_DATA用USIM_VDD电源10K上拉处理，保证USIM_DATA在三态时有一个稳定的高电平，以提高驱动能力；在USIM_VDD和GND之间并联一个0.1uF及47pF左右的电容。
所述远程数据发送模块11包括第一电源管理单元13、第一数据处理单元14、第一状态指示单元15。第一电源管理单元13分别连接第一数据处理单元14、第一状态指示单元15，为这些单元提供供电电源。第一数据处理单元14连接第一状态指示单元15。
第一数据处理单元14，以单片机G405tf为核心，采用数据边缘算法，降低数据传输的延时；
第一状态指示单元15，用LED指示灯显示系统状态，POWER灯上电常亮，WORK灯在模块运行后常亮，NETLIGHT灯指示网络连接状态，网络连接后闪烁，LINKA和LINKB分别指示与传感器数据采集端1和远程数据监控客户端5的连接状态5
所述远程数据监控客户端5包括远程数据接收模块12，远程数据接收模块12与4GDTU无线通信模块4通信连接。远程数据接收模块12包括第二电源管理单元16、第二数据处理单元17、第二状态指示单元20、SIM卡模块21、转串口模块22。第二电源管理单元16分别连接第二数据处理单元17、第二状态指示单元20、SIM卡模块21。第二数据处理单元17分别连接第二状态指示单元20、SIM卡模块21、转串口模块22。远程数据接收模块12接收到数据后，通过转串口模块2进行串口通信转换，将串口数据传输至远程数据监控客户端5并实时显示。
第二电源管理单元16、第二数据处理单元17、第二状态指示单元20与第一电源管理单元13、第一数据处理单元14、第一状态指示单元15具有相同硬件\电路。
SIM卡模块21设计符合ISO 7813-3标准的SIM卡接口，自动识别3.0V和1.8V SIM卡，增装TVS管用于静电保护。
转串口模块22为USB转TTL串口模块，采用CH340G转换芯片，将所接收到的数据通过串口通信转换，传送至PC端。
组塔施工过程状态监控系统采用多个无线传感器，而传输数据时需要组网简单、路由协议简明、可靠性相对较高、时延低的网络拓扑。如图5所示，现场无线通信局域网采用星形网络拓扑结构，星型网络拓扑结构网络由一个协调器18和多个终端19组成，各终端不能直接通信，协调器发出指令，故无线传感器网络拓扑拟采用星形网络拓扑结构。
所述ZigBee无线通信模块2选用XBee-PRO900HP射频模块，采用分簇算法对施工现场无线通信局域网中的传感器数据采集端1的网络节点分簇，包括以下分簇步骤：
S1：以其中一个传感器数据采集端作为协调器18，协调器18坐标位置是(0,0)，以其为中心，构建坐标轴。
局域网各个节点的坐标如式(1)所示。
η＝-(10nlgξ+κ) (1)
各个节点的距离ξ的大小如式(2)所示。
式(2)中，κ表示现场的信号强度；n表示信号传输和现场环境之间的关联性。
S2：设置参考节点，使每个参考节点的位置固定，参考节点位置设置为(x1,y1)、(x2,y2)、
(x3,y3)，
S3：基于三边定位法将，其他传感器数据采集端作为终端19进行坐标定位。
未知终端的坐标如式(3)所示。
局域网网络节点被分为相同的n个簇，其扇形角度如式(4)所示。
所述未知终端与x轴之间的夹角如式(6)所示。
其中，k表示局域网网络节点所在的簇的编号，如式(7)所示。
一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，其数据传输过程如下：
步骤1：数据采集模块7将采集到的输电线路组塔施工各节点的现场数据，以UART串口通信方式传输至数据发送模块9。
步骤2：数据发送模块9将数据发送到施工现场无线通信局域网中，现场数据监控客户端3通过UART串口通信方式间隔接收数据发送模块9传输的数据，并在施工现场实时显示。
步骤3：现场数据监控客户端3通过远程数据发送模块11将接收到的数据发送到远程通信广域网中。
步骤4：远程数据监控客户端5通过UART串口通信方式将远程通信广域网中的数据进行接收解码，实时显示传输的远程组塔施工各节点的状态数据。

Claims (5)

1.一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，包括现场无线通信局域网、远程通信广域网，其特征在于：所述现场无线通信局域网包括传感器数据采集端(1)、ZigBee无线通信模块(2)、现场数据监控客户端(3)；传感器数据采集端(1)通过ZigBee无线通信模块(2)连接现场数据监控客户端(3)；
所述现场无线通信局域网采用星形网络拓扑结构，包括协调器(18)、终端(19)，协调器(18)连接多个终端(19)；
所述远程通信广域网包括4GDTU无线通信模块(4)、远程数据监控客户端(5)；现场数据监控客户端(3)通过4GDTU无线通信模块(4)连接远程数据监控客户端(5)；
ZigBee无线通信模块(2)采用分簇算法对施工现场无线通信局域网中的传感器数据采集端(1)网络节点分簇，包括以下分簇步骤：
S1：以其中一个传感器数据采集端作为协调器(18)，协调器(18)坐标位置是(0,0)，以其为中心，构建坐标轴；
终端(19)所接收的信号强度为η，终端(19)与参考节点之间的距离为ξ，η与ξ的转换关系如式(1)所示；
η＝-(10nlgξ+κ)(1)；
终端(19)与参考节点之间的距离ξ的大小如式(2)所示；
式(2)中，κ表示现场的信号强度；n表示信号传输和现场环境之间的关联性；
S2：设置参考节点，使每个参考节点的位置固定，参考节点位置设置为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)；
S3：基于三边定位法将，其他传感器数据采集端作为终端(19)进行坐标定位；
未知终端的坐标如式(3)所示；
局域网网络节点被分为相同的p个簇，其扇形角度如式(4)所示；
所述未知终端与x轴之间的夹角如式(5)所示；
其中，k表示局域网网络节点所在的簇的编号，如式(6)所示；
2.根据权利要求1所述一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，其特征在于：所述传感器数据采集端(1)包括电源管理模块(6)、数据采集模块(7)、数据处理模块(8)、数据发送模块(9)；
数据处理模块(8)分别连接数据采集模块(7)、数据发送模块(9)；
电源管理模块(6)分别连接数据采集模块(7)、数据处理模块(8)、数据发送模块(9)，为这些模块提供供电电源。
3.根据权利要求2所述一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，其特征在于：所述现场数据监控客户端(3)包括数据接收模块(10)、远程数据发送模块(11)；所述数据接收模块(10)与数据发送模块(9)通信连接，远程数据发送模块(1)与4GDTU无线通信模块(4)通信连接。
4.根据权利要求3所述一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，其特征在于：所述远程数据发送模块(11)包括第一电源管理单元(13)、第一数据处理单元(14)、第一状态指示单元(15)；
第一电源管理单元(13)分别连接第一数据处理单元(14)、第一状态指示单元(15)，为这些单元提供供电电源；
第一数据处理单元(14)连接第一状态指示单元(15)；
第一数据处理单元(14)，采用数据边缘算法，降低数据传输的延时；
第一状态指示单元(15)，用于显示系统状态。
5.根据权利要求1所述一种输电线路组塔施工远近场无线监控系统，其特征在于：所述远程数据监控客户端(5)包括远程数据接收模块(12)，远程数据接收模块(12)与4GDTU无线通信模块(4)通信连接；
远程数据接收模块(12)包括第二电源管理单元(16)、第二数据处理单元(17)、第二状态指示单元(20)、SIM卡模块(21)、转串口模块(22)；
第二电源管理单元(16)分别连接第二数据处理单元(17)、第二状态指示单元(20)、SIM卡模块(21)；
第二数据处理单元(17)分别连接第二状态指示单元(20)、SIM卡模块(21)、转串口模块(22)；
远程数据接收模块(12)接收到数据后，通过转串口模块(22)进行串口通信转换，将串口数据传输至远程数据监控客户端(5)并实时显示。
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