CN115077481A - 一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，包括LoRa无线模块、图像采集模块、杆塔倾斜监测模块、状态检测站、数据分析处理模块和辅助定位模块；所述LoRa无线模块采用LoRa无线通信方式实现系统的通信功能；所述图像采集模块用于采集杆塔视频或图像信息；所述杆塔倾斜监测模块用于对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测；所述状态检测站用于接收所述杆塔倾斜监测模块检测的杆塔的监测结果。本发明通过设置LoRa无线模块，使得杆塔在数据状态传输时，均使用低功耗和远距离的LoRa无线通信方式，相比GSM、GPRS等技术，无需额外的流量，不依赖基站建设，节约了成本。

Description

一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统

技术领域

本发明属于杆塔倾斜监测技术领域，具体涉及一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统。

背景技术

杆塔是架空输电线路中用来支撑输电线的支撑物。在暴风雨雪的恶劣天气，杆塔容易被外力强行倾斜甚至导致倒塌，危及整个电网的安全，因此需要一种杆塔倾斜监测系统。

目前现有的杆塔倾斜监测系统还存在一些问题：通讯复杂，造成运营成本高，需支付GSM流量费用，依赖服务商的基站建设，同时不方便对杆塔倾斜的倾斜度进行检测，为此我们提出一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，包括LoRa无线模块、图像采集模块、杆塔倾斜监测模块、状态检测站、数据分析处理模块和辅助定位模块；

所述LoRa无线模块采用LoRa无线通信方式实现系统的通信功能；

所述图像采集模块用于采集杆塔视频或图像信息；

所述杆塔倾斜监测模块用于对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测；

所述状态检测站用于接收所述杆塔倾斜监测模块检测的杆塔的监测结果；

所述数据分析处理模块用于分析所述杆塔倾斜监测模块计算得到杆塔的实际倾斜度、倾斜角，并在倾斜度、倾斜角大于设定的安全阈值则进行报警；

所述辅助定位模块用于通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测。

优选的，所述LoRa无线模块包括第一通信单元、第二通信单元和集中控制器,所述第一通信单元包括设置与杆塔上的第一单片机、第一LoRa模块、第二太阳能收集模块和第一电源，所述第二通信单元包括第二单片机、第二LoRa模块、第二太阳能收集模块和第二电源，所述集中控制器包括第三单片机、第三LoRa模块、第三太阳能收集模块和第三电源；所述第一单片机、所述第二单片机和所述第三单片机与所述第一LoRa模块、第二LoRa模块和第三LoRa模块均通过I2C连接。

优选的，所述图像采集模块包括传感器单元、电池单元、摄像头单元和通信单元，所述通信单元用于所述图像采集模块和所述状态检测站建立通讯连接，所述电池单元为硬件设备进行供电，所述传感器单元用于采集杆塔的数据。

优选的，所述杆塔倾斜监测模块包括主控制器、电源单元、第一倾角传感器和第二倾角传感器，所述主控制器通过导线与所述电源单元，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器与所述主控制器通信连接，所述第一倾角传感器设置于特高压杆塔2/3处，所述第二倾角传感器设置于横担上。

优选的，所述杆塔倾斜监测模块中杆塔倾斜计算模型为下：

顺线倾斜度＝[L1*sin(Ah1)+L2*(Ah1)]/(L1+L2)；

横向倾斜度＝[L1*sin(Av1)+L2*(Av1)]/(L1+L2)；

其中Ah1和Ah2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的水平倾斜角；Av1和Av2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的垂直倾斜角；L1是第一倾角传感器到地面的距离；L2是第二倾角传感器与第一倾角传感器之间的距离；

综合倾斜度＝sqrt(顺线倾斜度的平方+横向倾斜度的平方)；

其中不同高度的铁塔，最大允许倾斜范围ΔL下按以下算法计算：

ΔL＝杆塔高度(H)×杆塔允许倾斜度。

优选的，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器均为SCL3300倾角传感器。

优选的，所述数据分析处理模块还用于进行杆塔的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，并在一段时间内倾斜角度呈现逐渐增大或突然增大趋势时，进行预警。

优选的，所述辅助定位模块的工作步骤包括：获取杆塔水平垂直位移和倾斜角度数据以及校核定位参数。

优选的，所述获取杆塔水平垂直位移以及校核定位参数是根据北斗定位得出杆塔与卫星之间的距离关系，进而校准位置参数，表达方式如下：

式中，R₁表示杆塔与卫星之间的距离；X₁、Y₁、Z₁均表示卫星的位置坐标；x₂、y₂、z₂均表示杆塔的位置坐标；R_r表示卫星到杆塔的真实距离；R_d表示电离层；R_w表示获取计算数据时造成的误差。

优选的，所述校核定位参数中的坐标为大地系下的坐标，经过两次坐标变换转换为站心坐标系下进行计算，转换公式如下：

式中，x、y、z表示大地系坐标；h₀表示平移；z₁表示z坐标减去h₀平移得出；

进一步根据大地系下的坐标经过平移h₀和载机航向角、俯仰角、横滚角三次旋转，得出载机的坐标系；表达方式如下：

式中，x₂、y₂、z₂表示载机航向角坐标；x₃、y₃、z₃表示俯仰角坐标；x₄、y₄、z₄表示横滚角坐标；α_f表示载机航向角；β_f表示俯仰角；γ_f表示横滚角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过设置LoRa无线模块，使得杆塔在数据状态传输时，均使用低功耗和远距离的LoRa无线通信方式，相比GSM、GPRS等技术，无需额外的流量，不依赖基站建设，节约了成本；

(2)本发明通过设置杆塔倾斜监测模块，能够方便对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测，方便增加杆塔在使用时的安全性；

(3)本发明通过设置辅助定位模块，能够通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测，增加杆塔的检测效果。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明LoRa无线模块的结构框图；

图3为本发明杆塔倾斜监测模块的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，包括LoRa无线模块、图像采集模块、杆塔倾斜监测模块、状态检测站、数据分析处理模块和辅助定位模块；

所述LoRa无线模块采用LoRa无线通信方式实现系统的通信功能；

所述图像采集模块用于采集杆塔视频或图像信息；

所述杆塔倾斜监测模块用于对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测；

所述状态检测站用于接收所述杆塔倾斜监测模块检测的杆塔的监测结果；

所述数据分析处理模块用于分析所述杆塔倾斜监测模块计算得到杆塔的实际倾斜度、倾斜角，并在倾斜度、倾斜角大于设定的安全阈值则进行报警；

所述辅助定位模块用于通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测。

本实施例中，优选的，所述LoRa无线模块包括第一通信单元、第二通信单元和集中控制器,所述第一通信单元包括设置与杆塔上的第一单片机、第一LoRa模块、第二太阳能收集模块和第一电源，所述第二通信单元包括第二单片机、第二LoRa模块、第二太阳能收集模块和第二电源，所述集中控制器包括第三单片机、第三LoRa模块、第三太阳能收集模块和第三电源；所述第一单片机、所述第二单片机和所述第三单片机与所述第一LoRa模块、第二LoRa模块和第三LoRa模块均通过I2C连接。

本实施例中，优选的，所述图像采集模块包括传感器单元、电池单元、摄像头单元和通信单元，所述通信单元用于所述图像采集模块和所述状态检测站建立通讯连接，所述电池单元为硬件设备进行供电，所述传感器单元用于采集杆塔的数据。

本实施例中，优选的，所述杆塔倾斜监测模块包括主控制器、电源单元、第一倾角传感器和第二倾角传感器，所述主控制器通过导线与所述电源单元，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器与所述主控制器通信连接，所述第一倾角传感器设置于特高压杆塔2/3处，所述第二倾角传感器设置于横担上。

本实施例中，优选的，所述杆塔倾斜监测模块中杆塔倾斜计算模型为下：

顺线倾斜度＝[L1*sin(Ah1)+L2*(Ah1)]/(L1+L2)；

横向倾斜度＝[L1*sin(Av1)+L2*(Av1)]/(L1+L2)；

其中Ah1和Ah2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的水平倾斜角；Av1和Av2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的垂直倾斜角；L1是第一倾角传感器到地面的距离；L2是第二倾角传感器与第一倾角传感器之间的距离；

综合倾斜度＝sqrt(顺线倾斜度的平方+横向倾斜度的平方)；

其中不同高度的铁塔，最大允许倾斜范围ΔL下按以下算法计算：

ΔL＝杆塔高度(H)×杆塔允许倾斜度。

本实施例中，优选的，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器均为SCL3300倾角传感器。

本实施例中，优选的，所述数据分析处理模块还用于进行杆塔的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，并在一段时间内倾斜角度呈现逐渐增大或突然增大趋势时，进行预警。

本实施例中，优选的，所述辅助定位模块的工作步骤包括：获取杆塔水平垂直位移和倾斜角度数据以及校核定位参数。

本实施例中，优选的，所述获取杆塔水平垂直位移以及校核定位参数是根据北斗定位得出杆塔与卫星之间的距离关系，进而校准位置参数，表达方式如下：

式中，R₁表示杆塔与卫星之间的距离；X₁、Y₁、Z₁均表示卫星的位置坐标；x₂、y₂、z₂均表示杆塔的位置坐标；R_r表示卫星到杆塔的真实距离；R_d表示电离层；R_w表示获取计算数据时造成的误差。

本实施例中，优选的，所述校核定位参数中的坐标为大地系下的坐标，经过两次坐标变换转换为站心坐标系下进行计算，转换公式如下：

式中，x、y、z表示大地系坐标；h₀表示平移；z₁表示z坐标减去h₀平移得出；

进一步根据大地系下的坐标经过平移h₀和载机航向角、俯仰角、横滚角三次旋转，得出载机的坐标系；表达方式如下：

式中，x₂、y₂、z₂表示载机航向角坐标；x₃、y₃、z₃表示俯仰角坐标；x₄、y₄、z₄表示横滚角坐标；α_f表示载机航向角；β_f表示俯仰角；γ_f表示横滚角。

实施例2

请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，包括LoRa无线模块、图像采集模块、杆塔倾斜监测模块、状态检测站、数据分析处理模块和辅助定位模块；

所述LoRa无线模块采用LoRa无线通信方式实现系统的通信功能；

所述图像采集模块用于采集杆塔视频或图像信息；

所述杆塔倾斜监测模块用于对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测；

所述状态检测站用于接收所述杆塔倾斜监测模块检测的杆塔的监测结果；

所述数据分析处理模块用于分析所述杆塔倾斜监测模块计算得到杆塔的实际倾斜度、倾斜角，并在倾斜度、倾斜角大于设定的安全阈值则进行报警；

所述辅助定位模块用于通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测。

本实施例中，优选的，所述LoRa无线模块包括第一通信单元、第二通信单元和集中控制器,所述第一通信单元包括设置与杆塔上的第一单片机、第一LoRa模块、第二太阳能收集模块和第一电源，所述第二通信单元包括第二单片机、第二LoRa模块、第二太阳能收集模块和第二电源，所述集中控制器包括第三单片机、第三LoRa模块、第三太阳能收集模块和第三电源；所述第一单片机、所述第二单片机和所述第三单片机与所述第一LoRa模块、第二LoRa模块和第三LoRa模块均通过I2C连接。

本实施例中，优选的，所述图像采集模块包括传感器单元、电池单元、摄像头单元和通信单元，所述通信单元用于所述图像采集模块和所述状态检测站建立通讯连接，所述电池单元为硬件设备进行供电，所述传感器单元用于采集杆塔的数据。

本实施例中，优选的，所述杆塔倾斜监测模块包括主控制器、电源单元、第一倾角传感器和第二倾角传感器，所述主控制器通过导线与所述电源单元，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器与所述主控制器通信连接，所述第一倾角传感器设置于特高压杆塔2/3处，所述第二倾角传感器设置于横担上。

本实施例中，优选的，所述杆塔倾斜监测模块中杆塔倾斜计算模型为下：

顺线倾斜度＝[L1*sin(Ah1)+L2*(Ah1)]/(L1+L2)；

横向倾斜度＝[L1*sin(Av1)+L2*(Av1)]/(L1+L2)；

其中Ah1和Ah2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的水平倾斜角；Av1和Av2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的垂直倾斜角；L1是第一倾角传感器到地面的距离；L2是第二倾角传感器与第一倾角传感器之间的距离；

综合倾斜度＝sqrt(顺线倾斜度的平方+横向倾斜度的平方)；

其中不同高度的铁塔，最大允许倾斜范围ΔL下按以下算法计算：

ΔL＝杆塔高度(H)×杆塔允许倾斜度。

本实施例中，优选的，所述辅助定位模块的工作步骤包括：获取杆塔水平垂直位移和倾斜角度数据以及校核定位参数。

本实施例中，优选的，所述获取杆塔水平垂直位移以及校核定位参数是根据北斗定位得出杆塔与卫星之间的距离关系，进而校准位置参数，表达方式如下：

式中，R₁表示杆塔与卫星之间的距离；X₁、Y₁、Z₁均表示卫星的位置坐标；x₂、y₂、z₂均表示杆塔的位置坐标；R_r表示卫星到杆塔的真实距离；R_d表示电离层；R_w表示获取计算数据时造成的误差。

本发明的原理及优点：通过设置LoRa无线模块，使得杆塔在数据状态传输时，均使用低功耗和远距离的LoRa无线通信方式，相比GSM、GPRS等技术，无需额外的流量，不依赖基站建设，节约了成本；通过设置杆塔倾斜监测模块，能够方便对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测，方便增加杆塔在使用时的安全性；通过设置辅助定位模块，能够通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测，增加杆塔的检测效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：包括LoRa无线模块、图像采集模块、杆塔倾斜监测模块、状态检测站、数据分析处理模块和辅助定位模块；

所述LoRa无线模块采用LoRa无线通信方式实现系统的通信功能；

所述图像采集模块用于采集杆塔视频或图像信息；

所述杆塔倾斜监测模块用于对杆塔的倾斜度、倾斜角进行监测；

所述状态检测站用于接收所述杆塔倾斜监测模块检测的杆塔的监测结果；

所述数据分析处理模块用于分析所述杆塔倾斜监测模块计算得到杆塔的实际倾斜度、倾斜角，并在倾斜度、倾斜角大于设定的安全阈值则进行报警；

所述辅助定位模块用于通过北斗定位系统对杆塔进行定位，同时对杆塔的沉降量进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述LoRa无线模块包括第一通信单元、第二通信单元和集中控制器,所述第一通信单元包括设置与杆塔上的第一单片机、第一LoRa模块、第二太阳能收集模块和第一电源，所述第二通信单元包括第二单片机、第二LoRa模块、第二太阳能收集模块和第二电源，所述集中控制器包括第三单片机、第三LoRa模块、第三太阳能收集模块和第三电源；所述第一单片机、所述第二单片机和所述第三单片机与所述第一LoRa模块、第二LoRa模块和第三LoRa模块均通过I2C连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述图像采集模块包括传感器单元、电池单元、摄像头单元和通信单元，所述通信单元用于所述图像采集模块和所述状态检测站建立通讯连接，所述电池单元为硬件设备进行供电，所述传感器单元用于采集杆塔的数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述杆塔倾斜监测模块包括主控制器、电源单元、第一倾角传感器和第二倾角传感器，所述主控制器通过导线与所述电源单元，所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器与所述主控制器通信连接，所述第一倾角传感器设置于特高压杆塔2/3处，所述第二倾角传感器设置于横担上。

5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述杆塔倾斜监测模块中杆塔倾斜计算模型为下：

顺线倾斜度＝[L1*sin(Ah1)+L2*(Ah1)]/(L1+L2)；

横向倾斜度＝[L1*sin(Av1)+L2*(Av1)]/(L1+L2)；

其中Ah1和Ah2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的水平倾斜角；Av1和Av2分别是第一倾角传感器和第二倾角传感器的垂直倾斜角；L1是第一倾角传感器到地面的距离；L2是第二倾角传感器与第一倾角传感器之间的距离；

综合倾斜度＝sqrt(顺线倾斜度的平方+横向倾斜度的平方)；

其中不同高度的铁塔，最大允许倾斜范围ΔL下按以下算法计算：

ΔL＝杆塔高度(H)×杆塔允许倾斜度。

6.根据权利要求4所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器均为SCL3300倾角传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述数据分析处理模块还用于进行杆塔的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，并在一段时间内倾斜角度呈现逐渐增大或突然增大趋势时，进行预警。

8.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述辅助定位模块的工作步骤包括：获取杆塔水平垂直位移和倾斜角度数据以及校核定位参数。

9.根据权利要求8所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述获取杆塔水平垂直位移以及校核定位参数是根据北斗定位得出杆塔与卫星之间的距离关系，进而校准位置参数，表达方式如下：

式中，R₁表示杆塔与卫星之间的距离；X₁、Y₁、Z₁均表示卫星的位置坐标；x₂、y₂、z₂均表示杆塔的位置坐标；R_r表示卫星到杆塔的真实距离；R_d表示电离层；R_w表示获取计算数据时造成的误差。

10.根据权利要求8所述的一种基于LoRa无线调制技术的杆塔倾斜监测系统，其特征在于：所述校核定位参数中的坐标为大地系下的坐标，经过两次坐标变换转换为站心坐标系下进行计算，转换公式如下：

式中，x、y、z表示大地系坐标；h₀表示平移；z₁表示z坐标减去h₀平移得出；

进一步根据大地系下的坐标经过平移h₀和载机航向角、俯仰角、横滚角三次旋转，得出载机的坐标系；表达方式如下：

式中，x₂、y₂、z₂表示载机航向角坐标；x₃、y₃、z₃表示俯仰角坐标；x₄、y₄、z₄表示横滚角坐标；α_f表示载机航向角；β_f表示俯仰角；γ_f表示横滚角。

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