智慧路灯杆安全管家系统研制

王香玉，钟炜俊，唐升，刘玉洁

（珠海城市职业技术学院，广东珠海，519090）

0 引言

随着5G网络建设大规模提速，各运营商积极部署5G基站建设，基站建设数量和密度成倍增加，建设难度也随之提高，共享电力设备成为一种优选且必然的解决方案。城市管理部门在进行城市规划和建设时，将路灯杆作为一种公共资源，除沿用原有的路灯功能，还增加了外挂5G基站、安防摄像头、无线WiFi、气象采集、大气环境检测等设备。为了完成所述增加的功能，需要另外分配一组电源来给它们供电，与路灯电源分开，还需要增加设备安装柜和杆上安装位。这样就会带来两个安全问题，第一由于增加了一组电源且一般来说设备安装柜会处于灯杆的下部，连接线多设备多，存在因下雨或积水而引起漏电的风险，从而引发行人触电。第二路灯杆上增加了设备箱、外挂杆后安装更多的设备后负载重量增加，导致路灯杆的倾斜，而且这种智慧路灯杆一般安装在繁华地区，杆子倾斜随时会倒塌伤及过路行人。而具备上述安全隐患的路灯杆平时很难及时发现，只有在恶劣天气情况下容易发生安全事故。然而，现有的电线杆安全排查工作仍然停留采用传统方式，进行人工排查测量记录，不仅费时费力，有时还查不出问题，而且无法实现实时监控，一旦发生事故无法及时处理。

综上，本项目主要围绕智慧路灯杆如何实现实时监控、智能预警等功能展开研究，提出智慧路灯杆安全管家解决方案。在智慧路灯杆的电源引入处增加漏电流、漏电压的检测，在路灯杆的垂直位置安装高精度传感器以检测垂直度，利用以太网通信技术，将监测到的数据发送到管理中心服务器，发现问题及时报警，漏电时断电保护，并上报信息到监控中心，设备维护人员可以尽快修复处理，这样可降低城市管理部门维护成本，提高工作效率和质量，高效保障市民生命安全。

1 总体设计思路

智慧路灯杆安全管家系统的总体框图设计如图1所示，主要包括以下部分：智慧路灯杆体内的安全监测器、控制中心机房的服务器，以及检修技术人员手持移动终端设备[3]。安全监测器采集智慧路灯杆的工作参数，包括漏电流、漏电压、倾斜角，然后利用有线通信网络将监测工作参数传回到服务器管理平台，管理人员通过电脑浏览器以Web方式登录后台管理系统，即可实时远程监测智慧路灯杆状态。

图1 系统总体框图

本系统设计主要分为硬件终端和应用软件两部分，其中硬件终端为智慧路灯杆安全监测器，应用软件部分包括上位机的管理系统以及客户端的应用程序。本文主要探讨智慧路灯杆安全监测器研制。

2 安全监测器硬件设计

安全监测器是本系统核心主体，它主要由主控模块STM32，倾斜角和漏电传感器，以太网通信模块，GPS模块，以及电源模块组成，如图2所示。

图2 安全监测终端硬件结构

2.1 主控模块

主控模块功能主要为采集路灯漏电和杆倾斜两大安全指标数据，并且实现远距离数据传输。为满足本系统实现低功耗、高性能、可外拓功能的设计要求，主控芯片选用了意法半导体的STM32F407VET6，相对于STM32F1，主要优势如下[1]：

(1)更先进的内核

STM32F4为Cortex M4内 核，与Cortex M3内 核 的STM32F1相比，还带FPU和DSP指令集。

(2)更低的功耗

STM32F40x的功耗为238μA/MHz，而STM32F1高达421μA/MHz。

(3)更高的性能

STM32F4最高运行频率可达168MHz，相当于FLASH零等待周期；而STM32F1只能到72MHz，且需要等待周期。

(4)更多的资源

STM32F4片内SRAM为192KB，拥有摄像头接口（DCMI）、加密处理器（CRYP）、USB高速OTG等。

(5)更强的外设功能

STM32F4的模数转换速度更快、ADC/DAC工作电压更低、IO复用功能强大、USART和SPI通信速度更快。

2.2 倾斜角传感器

路灯杆的倾斜角是指杆和竖直面的夹角。目前路灯杆倾斜度的测量方法有两大类。一类采用经纬仪测量，另一类采用光学测量的方法。经纬仪测量，精度较差，容易受周围环境以及人为因素影响。而光学测量虽然精度高，但成本高。而这两种方式均需依赖人工操作，且都存在无法实现实时测量的弊端[2]。本项目采用三轴加速度的方法测量，无论坐标系如何转动，重力加速度始终均指向地心，以重力加速度为参考，测量重力加速度在X、Y、Z三个轴上的重力分量，利用三角函数公式，可算出XY轴的平面与重力线的夹角为倾斜角，如图3所示。

图3 倾斜角测量原理

本项目三轴加速度传感器选用了MMA8451Q，该款传感器为智能低功耗三轴容性微机械数字加速度计，分辨率为14位，自带智能低功耗控制，电流仅消耗6μA~165μA，通过编程控制可设置中断节省整体功耗[3]。如图4所示，MMA8451Q通过I2C接口与MCU通信，而且MMA8451Q体积小，非常符合本系统设计要求。

图4 倾斜角传感器电路原理图

2.3 漏电传感器

目前金属灯杆的使用越来越普遍，而金属灯杆的电气部分（灯头、灯泡、导线、接线端子、路灯附件（镇流器、启辉器、保险等）全部安装在金属灯杆上（或灯杆内部）。由于种种原因导致电气绝缘损坏或老化故障直接使得金属灯杆杆体带电。解决路灯漏电问题的方法多种多样，本系统提出一种通过采集电气运行参数对其进行检测从而判断是否参在路灯杆漏电故障的方法，电气运行参数主要为漏电流。漏电流检测拟采用开口式互感线圈获取信号，如图5所示。如果用电端有漏电，则火线零线中电流不相等，感应线圈中就能检测到信号[4]，如图6所示。经放大器放大整理后送往主控模块进行A/D处理，主控模块根据设定的阈值来判断报警以及漏电保护动作，通过参考标准《GB13955-2005》和《GB/T3805-2008》本系统对灯杆的漏电阈值设为30mA。为实现有效保护，电流互感器选择检测灵敏度小于5mA，远小于漏电开关的动作电流。另外还可在电路回路中串个电阻，从而实现漏电压的监测。

图5 开口式互感器

图6 漏电传感器测量原理

2.4 以太网通信模块

主控芯片STM32F407VET6内置一个10/100 MB以太网MAC控制器, 只需外加一个PHY芯片, 即可实现网络通信功能[5]。本系统PHY芯片选择SMSC公司生产的LAN8720A，它内置10-BAST-T/100BASE-TX全双工传输模块, 支持10 Mbps和100 Mbps两种传输速率。通过自协商的功能，可实现与目的主机最佳的连接方式，包括确定速度和传输模式。LAN8720A还支持Auto-MDIX自动翻转功能,无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接[6]。

LAN8720A作为STM32的以太网芯片，接口为简化媒体独立接口RMII, 其特点是信号线少，这样就可占用较少的I/O，只再加上自带网络变压器的RJ45头, 便可组成一个10/100 MB自适应网卡。图7为LAN8720A硬件设计原理图。

图7 LAN8720A硬件设计原理图

2.5 电源模块

安全监测终端采用5V电源适配器供电，由于系统主控芯片，PHY芯片等多处需要使用3.3V工作电压，所以需要进行电压转换。转换芯片选用AMS1117-3.3，它是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器[7]，使用非常方便，只需将5V正极接到芯片的Vin,负极接到GND，那么Vout即可输出3.3V电压。AMS1117-3.3硬件电路原理图如图8所示。

图8 AMS1117-3.3硬件设计原理图

3 安全监测器软件设计

根据本系统的功能需求，在安全监测器硬件基础上进行相应的软件设计，主要包括在STM32F407VET6采集倾斜角和漏电传感器数据信息，通过TCP/IP协议与上位机通信，实现数据远程传输。软件总体设计框图如图9所示。由于TCP/IP协议庞大，不适用于嵌入式系统开发[8]。本系统选用了LwIP协议栈实现以太网的TCP/IP通讯。LwIP是瑞典计算机科学院开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，具有功能完善、开源和占用内容少等特点，它通过内容共享方式使得“精简版”的TCP/IP协议适用于资源有限的嵌入式系统[9]。由于篇幅受限，软件各部分具体功能函数在此不作赘述。

图9 安全监测器软件总体设计

4 系统测试

安全监测器完成研制后，接入智慧路灯杆安全管家管理系统平台，在广东某生态小镇进行了实验。在PC或手机端输入系统平台的IP地址、正常登录，即可进行相关的浏览及操作。查看9米4号杆监控点，在系统中可以监测到其具体地理位置，灯杆倾斜度为0.052°，杆体漏电压为0.7V、漏电流为16mA，如图10所示，从而判断该杆体倾斜处于正常状态，杆体有轻微漏电流。

图10 系统实时监测灯杆倾斜角、漏电压、漏电流

另外本系统可以保留历史数据，如若由漏电流超过告警阈值则会发出告警信息，从图11中可以看出9米4号杆的历史数据及趋势图，数据都处于红线（告警阈值）范围内，其中漏电流平均约15mA，有轻微漏电。

图11 系统监测数据折线图

5 结语

本项目设计开发了一套基于STM32F407VET6和以太网通信模块LAN8720的智慧路灯杆安全管家系统。该系统利用传感器采集到的数据经STM32F4处理后和传输到路由器，通过PC终端远程采集智慧路灯杆安全工作参数，一旦有异常报警，城市管理部门可即刻进行处理，从而提升新型智慧城市数字化、智能化管理能力。经运行测试，该系统实现设计功能，性能指标达到预期目标。