高压电塔倾斜数据监控系统设计

王越胜，陈 星

(杭州电子科技大学自动化研究所，浙江杭州310018)

0 引言

高压电塔发生倒塌、倾斜等事故时，使得山区或高原大风地区通讯不正常。以往，采用直升机进行巡检，但是耗资大，而且由于航道过低，容易造成安全事故，巡航繁琐。针对这个问题，本论文设计的系统主要运用在高压电塔的倾斜安全方面的监控，运用角度传感器进行数据采集，GPRS和RF模块进行无线数据传输，上位机软件进行数据的分析和保存。在国外有些地区已经应用的相当成熟，而我国电力系统检测安全类产品的研发起步较晚，且客观条件有限。所以，在现场数据远程监控功能系统的推进中，此类产品仍具有很广泛的市场［1］。本文设计的系统的主要功能为:上位机数据处理、GPRS无线网络传输、RF无线传输、倾斜检测和自主供电系统。主要运用场所为山区、高原等地。可以应付大风、极端大雪和低温冰冻等天气。

1 高压电塔倾斜数据监控系统的硬件设计

整个系统工作过程如图1所示:按不同的高压电塔在其上安装若干个倾斜传感器(适当地区可以安装温度、湿度、风力等传感器)，检测倾斜角度，一个电塔的若干个传感器组成无线局域网，按一定的时间传输给终端。再通过GPRS无线网络传输给基地终端。通过上位机软件将这些数据进行分析，勾画出电塔倾斜及其他参数，以此数据可以做到防护和定位维修。

图1 高压电塔倾斜角报警系统框图

1.1 倾斜角传感器

SCA100T与主控芯片相互连接，采用模拟SPI与单片机通信。SCA100T是一个内部有两个工字梁的硅微机械传感器［2］，其中D02的测量范围为正负90°，使用SPI通信。

1.2 无线传感网络

UTC-1212SE模块如图2所示，是一款比较新颖的RF无线模块，传输距离有300－900m。抗干扰能力强，支持串口通信，不需要再写驱动，支持中断唤醒功能，功耗低［3］。在节点与GPRS模块之间的传输就是用此模块组建无线网络［4，5］，每个电塔按不同需求安放RF节点，数据经无线网络传输到位于电塔底部的RF无线终端上，然后经过GPRS［6，7］传输给数据基站。串口传输至PC机用上位机软件进行数据分析存储。

图2 RF无线模块框图

1.3 太阳能、风能供电系统

由于本系统运用地点基本都是人烟罕至的地方，长期给系统供电也是一个比较难解决的事情。该系统使用锂电池，虽然系统也做到低功耗，但是考虑到能长期使用，还是加装了太阳能以及风能供电系统。在平时工作时以太阳能和风能为主并给电池充满电量，在无风太阳光能量不足的情况下改用电池供电。

2 软件设计

2.1 RF数据协议设计

从机发送数据包采用格式:包头－包长－ID－数据－校验－包尾。传送数据包括:传感器数据、温度数据、电池电压数据、时间戳数据等。主机发送命令数据包:包头－ID－命令－命令参数－校验－包尾。需要实现的命令功能有以下几种:校时、设定采样周期、设定ID。命令数据包格式如下:包头－ID－命令码－采样周期－时间戳－校验－包尾。

2.2 解包过程

(1)接受到包头后，先匹配ID，若ID不匹配则解包结束，丢弃错误包不做处理，若匹配转至(2)。

(2)读取命令字段，确定数据包长，读取完整包，判断包尾，若包尾不正确则解包结束，丢弃错误包不做处理，若包尾正确转至(3)。

(3)进行校验和处理，结果有误则解包结束，丢弃错误包不做处理，若结果正确转至(4)。

(4)解析命令，解包结束。

2.3 上位机软件的具体实现

本系统上位机软件采用C#编写，系统中的串行通信功能使用了 COM控件，由于GPRS通信［8］的数据传输速度远低于电脑的工作速度，故使用COM的事件触发方式，提高上位机的运行效率。

上位机软件流程如图3所示。先关闭通信端口，设置端口参数:波特率为9.6Kb/s，数据位为8位，停止位为2位，这些参数必须与下位机程序里的设置一致，否则将导致通信失败。设置完成以后，打开通信端口，一旦上位机收到响应帧，中断子程序(即接收中断入口)，至接收数据完毕，存储数据，退出中断。然后通过标志位检查响应帧的命令号，以及计算校验码检查响应帧是否出错。若核对无误，说明响应帧是完整的，提取其数据域部分的数据，经过数据包解包协议，进行数据解析，然后在界面上显示。

图3 上位机软件流程图

3 现场测试与结果

此实验在本校附近构建模拟高压电塔测得数据，上位机软件接受和现实正常。抗干扰能力强。实验数据经过几天测试，基本都正常。

4 结束语

本文以高压电塔数据监测为研究对象，开发了整套能运用于山区、高原地区的电塔安全监测系统，定时或实时监控电塔，使电力系统更加安全。系统抗干扰能力强，功耗低，能保证长时间稳定工作。但是系统在测量精度上还有所欠缺，一些高温、低温严寒地区的抗干扰能力也还有待提高。

［1］ 朱晓艳.我国电力产业管制治理结构理论与实证研究［D］.杭州:浙江大学，2005:41－45.

［2］ 村田制作所.sca100t_inclinometer_datasheet_8261800b2_0.pdf［DB/OL］.http://www.vti.fi，2011 －09 －20.

［3］ 杭州威步技术有限公司.NewMsg-UTC1212SE V1.5.pdf［DB/OL］.http://www.newmsg.com，2011 －09 －22.

［4］ 郑家莉，黄炜.无线远程监控系统的核心技术研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2004，(6):13－16.

［5］ 陈基伟，陈小菊.基于GPRS的无线远距离数据采集传输装置［J］.机电工程，2011，28(10):1 246－1 249.

［6］ 孟祥鹏，刘雯.基于GPRS远程数据采集系统［J］.濮阳职业技术学院，2008，21(1):21－24.

［7］ 夏小东.基于单片机的远程无线控制系统设计［J］.煤矿机械，2011，32(8):222－224.

［8］ 袁思达.基于GPRS的嵌入式数据传输终端的设计与实现［J］.电脑知识与技术，2011，7(33):8 177－8 178.