基于LoRa的低功耗可调限高龙门架设计

摘要：在当前限高龙门架的应用中，存在结构固定、警示单一，且无法回收再用等问题。基于当前龙门架设计的不足，提出了一种基于无线扩频LoRa技术的低功耗可调限高龙门架设计，同时研究了基于LoRa的低功耗物联通信架构以及相应的图像识别传感器网络结构，并通过双通道实现数据的可靠传输。最后通过实验验证了本装置可行性及其低功耗等特性，装置具备可调限高、声光报警、记录等功能。

关键词：龙门架;LoRa技术;无线传输;图像处理;低功耗

0    引言

随着城市化进程的加快，输电线路线底过往大型施工车辆增多，由于道路施工，过高车辆经过线底，因净空距离不足导致线路对地放电的线路跳闸事故时有发生。

为保证线路的安全运行，通常要在线侧道路上安装限制车辆高度的龙门架，由于现有龙门架的高度限制都是固定的，所以存在高度调节灵活性差、消耗快等缺点，并且无法在有特殊需求的情况下进行相对的操作应用;同时，交叉跨越的输电线路在受到大风、地陷、树木生长、温度变化等因素影响时，相应的交叉跨越的距离会有一定的变化，所以固定式的限高龙门架无法在放电间距变小的情况下进行调节，以致在高速公路上有过高车辆经过线底时线路会发生放电，进而引发严重的事故。所以根据实际架空输电线路，对其变化的交叉跨越距离进行准确测量，并作出相应的预警和调整是十分关键的。

在这样的实际应用需求下，针对可调限高龙门架的架构进行搭建，设计研究相应升降控制系统，可进一步预防因线路下方净空距离不足而发生的跳闸事故;同时，综合考虑低电压、超低功耗、性能可靠等因素，设计集声光警示及过程记录等功能于一身的可调高度限高龙门架，其具有十分广阔的应用前景。

1    可调节限高龙门架方案设计

1.1    主体框架结构

作为应用于高压输电线路下的限高龙门架，其主体结构主要采用高强度绝缘材料，顶部杆体利用高强度绝缘材料进行搭建。同时内部利用多只高强度的绝缘伸缩杆体构架，通过滑轮拼接以实现调节龙门架高度的功能。

根据国内外工程导线对公路交叉跨越距离的要求，以及110 kV、220 kV输电线路跨越公路时导线对公路路面的最小垂直距离的规定，即设计其总高度为5 100 mm，对于其他等级公路，可适当降低或者提高限制标准[1]。根据以上规程要求，设计可调节升降龙门架尺寸图，如图1所示。

其中伸缩杆体结构主要采用滑轮组进行升降，升降控制箱主要由主动机构、滑轮组机构、执行机构和控制系统组成，通过与监测装置后台的综合处理，从而完成滑轮组升降限高主杆操作。

1.2    通信及识别采集装置设计

为识别在一定距离范围内将要通过的高于限制高度的车辆，设计装置通过在线监测系统以及传感器测量装置进行反馈。识别限高采集装置，采用整体机构化的设计原理，主要由数据采集器和高度识别传感器组成。系统固定安装位置为龙门架顶端的中点附近，取正对车辆运行的方向，故相应受到的干扰较少，并可通过转动进行测量装置的调节。

为得到相应的测量数据，获取准确的测量高度、距离、角度等参数，要搭建以下五个测控单元：信息采集模块、图像识别部分模块、单片机控制模块、通信传输模块、远程监控模块。测量装置基于LoRa通信技术进行数据的输送和读取，其具有传输距离远、多节点、功耗低、可靠性高的优点。另外，该装置系统图像采集部分在原有多功能立杆监控装置控制主机集成的基础上，采用基于4G传输通信和LoRa通信技术结合的一体化通信设计，实现道路测量数据和外破图像的实时回传。同时还可将监控的外破图像数据一并通过4G专网传送至后台主站，进行过程记录，其中多功能监控装置配置一个200万像素红外夜视球机和一个全彩星光级枪机，以实现全天监控回传的目的。

2    基于LoRa技术的通信及图像采集识别研究

2.1    基于LoRa的低功耗物联通信架构

为实现龙门架的在线调节以及实時数据的准确回传，本文研究通过在可调节龙门架上布置集成LoRa通信组件和各类传感器，实现采集信息的快速识别以及监控图像的准确回传。

各传感器之间需建立关联通信，通过每个传感器独立的LoRa组件与电箱中LoRa基站进行互通，完成各传感器信息的交互。同时，LoRa组件可以通过间隙跳跃的通信协议进行自动组网，并将从传感器处获得的感知数据通过两通道进行传输：其一通过内置光缆线路传输至识别系统，其二通过4G传输通信回传至系统监控内网。

为了使监测信息更加具有针对性，龙门架传感器所获取的数据要有根据重要性分类的划分。针对数据的重要程度，通常可划分为一般日常记录数据及重要突发性数据。第一类数据对传输的时效性以及优先级都要求较低，即可通过周期传输通道进行交互;重要突发性数据要求传输数据要及时同步至后台，对时效性要求最高，并要保证传输通道的优先级。因此，通过通道的区分和分时分段传输，可以高效利用通信协议进行数据传输。

将各通道抽象成为线性链式网络，为避免无线传输干扰，LoRa基站间多跳自组网中，每个基站在一个给定的时隙上，利用分配的信道将网关本地传感器采集到的数据传输至后台云端。本文将LoRa基站分成两组，编号为奇数的LoRa基站作为一组，编号为偶数的节点则是另一组。在一个发送时隙内，一组节点发送它们的数据，而另一组接收数据。

2.2    传感器识别系统

在基于LoRa的低功耗通信架构的基础上，为了识别一定距离范围内移动车辆的高度，本系统需再构建基于车辆特征的运动目标检测和跟踪的图像识别系统。当前传输质量较高的传感器为CMOS和CCD，这两者都是基于二极管将图像信息转换为数字信号进行工作的，但两者在处理之后进行数据传输的方面存在区别，其中CCD传感器在图像采集分辨率以及转换数据准确性方面更优异，因此本系统拟采用CCD图像传感器。

对于图像采集部分，采用专用芯片FPGA+DSP的采集系统，该专用芯片可以对图像及视频进行良好的数字化转换，并且对其他传感器部分进行同步。对于图像压缩部分，由DSP控制读取数据，针对具体的图像信息标准进行压缩，以减小信息传输的容量，提高识别运算速度。为了提高龙门架发出警示的灵敏性，本系统还需要提早获取远端测量的图像数据，故采用长焦镜头对车辆信息进行采集。

图像采集单元与基于LoRa的无线通信模块相结合，通过单片机RS485接收图像传感器信息，采集龙门架前方道路图像，并传输至嵌入式系统单元，以此对通道保护区内的异常高度车辆、大型超高机械等情况进行监控，并控制龙门架进行相应的高度调节以及限高警示报警。同时，前端多功能立杆外破监控装置通过4G通信通道将监控图片上传到后台主站，由后台智能分析模块对监控图片进行分析，判别是否有安全隐患发生。

2.3    低功耗设计

为使系统可以长时间保持稳定的传输及控制相应的高度，降低装置整体功耗、延长其使用寿命对于装置也是至关重要的[2]。在以上通信架构和传感器应用的基础上，为实现低电压、超低功耗等特点[3]，将车辆信息采集器置于休眠状态，其LoRa通信模块工作时也处于省电模式，图像识别监控装置会通过LoRa通信模块定时唤醒数据采集器，完成车辆数据的采集并定时上传至后台。

工作流程如下：休眠模式应在传感器工作间隙开启，并在每个休眠阶段打开信号接收窗口，以便确认通道中是否有“前导码”接收;每当收到一条“前导码”会立即唤醒休眠模式，以此实现周期性的开启和接收，该开启接收阶段的工作电流可以控制在1.5 mA以下，以降低空闲模式下的功耗。在确认接收信号的准确性后开启工作模式，即可通过内置电源和模数转换器完成数据接收处理，在该条信息处理完结后即可再次关闭。处理后的数据通过无线传输发送至后台，发送结束后发送关闭响应，再次进入外部低频的等待模式。整个过程网关每间隔5 min进行一次数据对比，采集外加发送时间整体控制在4 s以内，全系统的功耗可以控制在150 mA以下。在内置太阳能电源每小时接受光照2次的基础上，理论计算后本装置可持续运行100天以上。

3    实验验证

为了验证本文设计的可调龙门架对图像信息识别的准确和可靠性，及其是否符合整机功耗低、传输准确等设计思想，同时具备低电压、超低功耗、性能可靠等特点，本文以模拟某220 kV线路跨越道路区段为例，分别布置三处模型，针对不同高度模型的图像数据进行图像处理并得到最终的二值图像，经过图像扫描计算后，得到实验数据表1。由表1中数据可以看出，模型计算高度均略高于测量值，同时随着高度的增加误差增大，但相对误差最大未超過3%，证明整体误差在允许范围内，验证了本装置可以准确识别车辆高度，并完成相应的调节及预警。

4    结语

综上所述，现场实验验证了本文所述可调龙门架具备低功耗、无线传输、图像识别等特性，能实现针对输电线下车辆通行的精确采集、识别以及数据的双通道可靠传输。具备声光警示及过程记录功能的可调限高龙门架的研制，既能减少过高车辆对线路安全稳定运行的威胁，又能达到预防为主、记录为辅的安全警示作用。

[参考文献]

[1] 袁磊，孙丽萍，任涛龙，等.多功能作业车升降式作业平台强度分析及结构改进[J].大连交通大学学报，2013，34（4）：35-38.

[2] 郑宁，杨曦，吴双力.低功耗广域网络技术综述[J].信息通信技术，2017（1）：47-54.

[3] 邵嘉，庞成鑫，卢小姣，等.LPWAN技术在能源物联网领域应用研究[J].物联网技术，2018，8（12）：44-47.

收稿日期：2019-11-25

作者简介：周宇尧（1990—），男，贵州福泉人，工程师，从事输电线路运行与维护工作。