一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置。

背景技术

电网的安全稳定运行事关国计民生，得到了各方面的高度重视，特别是输电线路，涉及地域广阔，经常遭遇洪水、台风、地震等自然灾害的破坏以及施工机械等人为因素的破坏，导致输电杆塔倾斜、杆塔倒塌以及线路断裂等恶性损害。因此，输电杆塔运行状态监测是保证线路安全可靠运行的有效手段。

现有的监测方法和手段存在诸多缺陷，监测装置电源不可靠、功耗大、通信传输不可靠、及时性差、偏远地区监测困难，无法满足线路安全运行需求。于是，设计者拟针对基于低功耗技术的输电杆塔实时状态智能监测系统展开研发，重点突破高功耗、高成本、实时性差等问题。

现有的无线自组网监测系统设备具有传输距离短、设备功耗过高，成本过高的缺陷，基于LORA通信模块低耗长距通信的能力，构建MESH通信网络，解决输电杆塔监测系统及终端高功耗、高成本的问题。

现有技术中，一种高压输电线路智能监测系统及监测方法(CN110416914A)，在监测终端上设置有UWB引导模块，结合多旋翼无人机上摄像头，对输电杆塔实时监测和对测量点周围进行巡检。然而该方法中无人机成本过高，当野外环境恶劣时，无人机损耗大并且无人机续航问题严峻，连续作业时间短，需要频繁更换电池或充电，无法做到实时监测。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺点，提供了一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置，包括铝合金外壳、智能监测电路板和高效率太阳能充电装置，该装置运行功耗低于0.5w,能够在MESH网络中实现七跳。本发明使用LORA通信技术，装置及监控系统能量利用率高，具备低功耗能力，终端具备太阳能充电电路板，锂电池能够做到边充电边供电，并且各传感器模块价格低廉，智能监测终端通过铝合金外壳固定在输电杆塔上，结构稳定，能够做到实时监测。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置，包括铝合金外壳、智能监测电路板和高效率太阳能充电装置；

智能监测电路板固定在铝合金外壳内部；

高效率太阳能充电装置包括太阳能电池板、电池模块和太阳能充电电路板；太阳能电池板和太阳能充电电路板电连接，智能监测电路板和高效率太阳能充电装置电连接；

电池模块和太阳能充电电路板固定在铝合金外壳内部，太阳能电池板固定在支撑架顶部，铝合金外壳固定在支撑架的杆上，位于太阳能电池板下方；支撑架连接输电杆塔。

进一步地，所述智能监测电路板上设置有电源接口、微控制器、电源管理模块、温湿度传感器、GPS/BD定位模块、陀螺仪模块、LORA通信模块和全向天线；

电源管理模块与微控制器电连接，温湿度传感器、GPS/BD定位模块、陀螺仪模块、LORA通信模块和微控制器电连接，全向天线与LORA通信模块电连接；

微控制器用于定期控制温湿度传感器、GPS/BD定位模块以及陀螺仪模块采集输电杆塔数据；温湿度传感器用于测量大气的温度和湿度；GPS/BD定位模块用于测量输电杆塔的位置信息，包括经度、纬度和海拔；陀螺仪模块用于测量输电杆塔的倾斜程度；LORA通信模块用于连接不同节点的输电杆塔，组成MESH网络，实时传输输电杆塔数据到监控平台；全向天线用于增强信号强度，使输电杆塔数据的传输距离更远。

进一步地，太阳能充电电路板包括DC-DC升压模块和锂电池充电管理模块；DC-DC升压模块连接太阳能电池板和锂电池充电管理模块；

DC-DC升压模块中内置MPPT算法，将太阳能转化为电能；

锂电池充电管理模块实现对锂电池的充电管理与过压保护。

进一步地，智能监测电路板使用四根M3铜柱固定在铝合金外壳内部，智能监测电路板顶面与铝合金外壳留有间隙。

进一步地，太阳能充电电路板与太阳能电池板使用USB连接器相连。

进一步地，铝合金外壳背面开孔用于将智能监测电路板中设置的全向天线从铝合金外壳背面的开孔处伸出，全向天线与LORA通信模块电连接，设置在铝合金外壳背面，全向天线用于增强信号强度，使采集的输电杆塔数据传输距离更远；

铝合金外壳顶部设有开孔用于将智能监测电路板中GPS/BD定位模块外接的有源天线伸出，有源天线用于接收卫星信号数据。

进一步地，LORA通信模块包括处理器和射频芯片，处理器采用STM32F103系列，采用Cotex-M3架构；

LORA通信模块具有低功耗，低成本的优势，能够用于实现MESH组网，实现数据长距离传输。

进一步地，微控制器采用MSP430系列作为主控CPU，微控制器包括主处理域、低功耗域和外设域。

进一步地，所述铝合金外壳采用IP68级别防水材料。

进一步地，所述电池模块放置在智能监测电路板下方，位于太阳能充电电路板表面，与电源管理模块电连接，并与太阳能充电电路板电连接，实现边充电边放电的功能，有效提高装置在输电杆塔环境下的寿命。

相比与现有技术，本发明的优点在于：

本发明中太阳能电池板与铝合金外壳通过支撑架连接，所述智能监测电路板中微控制器作为核心，控制温湿度传感器、GPS/BD定位模块、陀螺仪模块实时采集数据，并通过LORA通信模块传输，所述LORA通信模块作为MESH网络的硬件基础，使得采用本发明的监控系统能够实现传输距离远和无序分布节点多跳通信的无线自组网功能。

本发明提供的一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置能量利用率高，具备低功耗能力。

本发明中的材料均为市面上常见材料，各模块价格低廉，与微控制器电连接可以实现数据采集与传输，体积小，结构简单。

本发明的一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置牢靠程度高，通过支撑架固定铝合金外壳，线路板使用四根M3铜柱固定在外壳底部，提高了装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置的正面结构图；

图2为本发明实施例中一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置的侧面结构图；

图3为本发明实施例中智能监测电路板的结构图；

图4为本发明实施例中微控制器的连接示意图；

图5为本发明实施例中微控制器的供电电路原理图；

图6为本发明实施例中GPS/BD定位模块的连接示意图；

图7为本发明实施例中LORA通信模块的电路原理图；

图8为本发明实施例中太阳能充电电路板的原理图；

图9为本发明实施例中一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置各模块的连接示意图；

图10为本发明实施例中一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置的数据采集控制与传输逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合附图及实施，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种具有输电杆塔信息实时监测与传输功能的装置，如图1、图2、图3所示，包括铝合金外壳16、智能监测电路板5和高效率太阳能充电装置；

智能监测电路板5固定在铝合金外壳16内部；

高效率太阳能充电装置包括太阳能电池板14、电池模块2和太阳能充电电路板1；太阳能电池板14和太阳能充电电路板1电连接，智能监测电路板5和高效率太阳能充电装置电连接；

电池模块2和太阳能充电电路板1固定在铝合金外壳16内部，太阳能电池板14固定在支撑架15顶部，铝合金外壳16固定在支撑架15的杆上，位于太阳能电池板14下方；支撑架15连接输电杆塔。

如图9所示，所述智能监测电路板5上设置有电源接口8、微控制器6、电源管理模块9、温湿度传感器10、GPS/BD定位模块12、陀螺仪模块11、LORA通信模块7和全向天线13；

电源管理模块9与微控制器6电连接，温湿度传感器10、GPS/BD定位模块12、陀螺仪模块11、LORA通信模块7和微控制器6电连接，全向天线13与LORA通信模块7电连接；

微控制器6用于定期控制温湿度传感器10、GPS/BD定位模块12以及陀螺仪模块11采集输电杆塔数据；温湿度传感器10用于测量大气的温度和湿度；GPS/BD定位模块12用于测量输电杆塔的位置信息，包括经度、纬度和海拔；陀螺仪模块11用于测量输电杆塔的倾斜程度；LORA通信模块7用于连接不同节点的输电杆塔，组成MESH网络，实时传输输电杆塔数据到监控平台；全向天线13用于增强信号强度，使输电杆塔数据的传输距离更远。

如图6为GPS/BD定位模块12的连接示意图，GPS/BD定位模块12的电路包括GPS/BD定位芯片U3、第三电阻R3、第二二极管D2、电池座BT1、第二LED灯LED2、第二电阻R2、第九电容C9、第一天线接口RF1和第一连接座J1。

在一个具体的实施例中，GPS/BD定位芯片U3的型号为S1216F8，GPS/BD定位芯片U3的引脚3连接第二LED灯LED2，引脚11连接第一天线接口RF1，引脚16、17分别连接到第一连接座J1的引脚4和引脚2，引脚22连接电池座BT1和第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第二二极管D2。

电池座BT1的型号为BS-2-1，GPS/BD定位模块12的电路还包括稳压电源提供电压以及IPX天线接口连接有源天线才能正常工作获取经度、纬度等信息。为了存储上一次获得的经度、纬度等信息，电路中接入后备电池座BAT1，这样当GPS/BD定位模块12的电路掉电之后不至于丢掉信息。

当连接座BD-GPS连接上电源VCC3V3时，GPS/BD定位芯片U3会进入冷启动状态，GPS/BD定位芯片U3相连的有源天线会与卫星进行数据交互主要是经度、纬度、海拔等重要信息，GPS/BD定位芯片U3相连的有源天线获取到NMEA-0183协议格式的数据，通过GPS/BD定位芯片U3的引脚20和引脚21进一步与图4的微控制器进行数据交互，微控制器对获得的数据进行解析并发送。

在一个具体的实施例中，LORA通信模块7的电路原理图如图7所示，LORA通信模块7包括处理器，处理器外围电路，复位电路，JTAG烧录接口电路以及射频模块接口。

处理器外围电路包括高频晶振X3、低频晶振X4，第十二电容C12、第十三电容C13、第十八电阻R18、第二十四电容C24、第二十五电容C25、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、第二十二电容C22、第二十三电容C23，复位电路包括第十二电阻R12、第十一电容C11、第二开关SW2，JTAG烧录接口电路包括第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十电容C10和第一牛角座JTAG1。

在一个具体的实施例中，LORA通信模块7的处理器的型号为STM32F103系列，射频模块的型号为SX1278。

为了采用自主化MESH组网协议实现可自组修复的组网架构，采用LORA技术进行低功耗通信。LORA通信模块7是实现MESH传输的硬件基础，同时MESH传输是检测输电杆塔倾斜状态的设备节点的核心传输方式，它允许设备节点通过多跳的方式将采集到的监测数据回传到监控平台。当LORA通信模块7上电之后，模块首先开启广播MESH信息，判断附近有否有有效路由，如果存在就按照有效路由发送待发送数据，如果没有就开启MESH路由发现过程，使用洪泛路由请求信息，等待接收来自其他节点的路由应答信息，然后加入新的路由或者进行路由更新，之后按照有效路由发送待发送数据。

太阳能充电电路板1的电路原理图如图8所示，太阳能充电电路板1包括DC-DC升压模块3和锂电池充电管理模块4；DC-DC升压模块3连接太阳能电池板14和锂电池充电管理模块4；

DC-DC升压模块3中内置MPPT算法，将太阳能转化为电能；

锂电池充电管理模块4实现对锂电池的充电管理与过压保护。

太阳能充电电路板1的电路如图8所示，太阳能充电电路板1的电路包括DC-DC升压模块3、锂电池充电管理模块、锂电池输出电压升压电路、电压突变抑制电路。

在一个具体的实施例中，DC-DC升压模块3中升压芯片的型号为SPV1040系列，锂电池充电管理模块4的型号为L6924系列，锂电池输出电压升压电路的型号为FP6276BXR-G1。

DC-DC升压模块3包括第一升压芯片U6、第四电阻R4、第二十六电容C26、第五电阻R5、第三二极管D3、第二十七电容C27、第六电阻R6、第七电阻R7、电阻R11、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第二十八电容C28，第一升压芯片U6的引脚1连接第四电阻R4、第二十六电容C26和第五电阻R5，第二十六电容C26的另一端接地，第四电阻R4的另一端接第一升压芯片U6的引脚8，连接第四电阻R4的另一端连接第三二极管D3，第三二极管D3的另一端连接第一升压芯片U6的引脚4，第一升压芯片U6的引脚7连接第六电阻R6和第二十七电容C27、第二十七电容C27的另一端连接第七电阻R7和第一升压芯片U6的引脚6，第六电阻R6的另一端连接第八电阻R8和第一升压芯片U6的引脚4，第八电阻R8的另一端连接锂电池充电管理模块4的引脚1。

锂电池充电管理模块4包括电池管理芯片U7、第二十九电容C29、第三LED灯LED3、第四LED灯LED4、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第三十电容C30、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24，电池管理芯片U7的引脚1和引脚2连接第二十九电容C29、第二十九电容C29的另一端接地，电池管理芯片U7的引脚3和引脚4分别连接第二十电阻R20和第二十一电阻R21，第二十电阻R20的另一端连接第三LED灯LED3，第二十一电阻R21的另一端连接第四LED灯LED4，电池管理芯片U7的引脚10和引脚11连接锂电池输出电压升压电路输入端。

锂电池输出电压升压电路包括第二升压芯片U5、第三十一电容C31、第一电感L1、第三十二电容C32、第二十七电阻R27、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第四二极管D4，第二升压芯片U5的引脚1和引脚2连接第一电感L1，第一电感L1的另一端连接锂电池充电管理模块4电池输出端，第二升压芯片U5的引脚8连接第四二极管D4。

DC-DC升压模块3连接太阳能电池板14和锂电池充电管理模块4，用于为锂电池充电管理模块提供足够稳定的电压，太阳能电池板14用于将太阳能的充电电压转化为稳定电压为锂电池充电，锂电池输出电压升压电路用于提高锂电池输出电压，为智能监测系统主体提供足够稳定的电压，电压突变抑制电路用于抑制锂电池输出电压升压电路输出电压突变。

进一步地，智能监测电路板5使用四根M3铜柱17固定在铝合金外壳16内部，智能监测电路板5顶面与铝合金外壳16留有间隙。

进一步地，太阳能充电电路板1与太阳能电池板14使用USB连接器相连。

进一步地，铝合金外壳16背面开孔用于将智能监测电路板5中设置的全向天线13从铝合金外壳背面的开孔处伸出，全向天线13与LORA通信模块7电连接，设置在铝合金外壳16背面，全向天线13用于增强信号强度，使采集的输电杆塔数据传输距离更远；

智能监测电路板5上方即铝合金外壳16顶部设有长7厘米宽1厘米的开孔18用于将智能监测电路板5中GPS/BD定位模块12外接的有源天线伸出，有源天线用于接收卫星信号数据。

在一个具体的实施例中，LORA通信模块7包括处理器和射频芯片，处理器采用STM32F103系列，采用Cotex-M3架构；

LORA通信模块7具有低功耗，低成本的优势，能够用于实现MESH组网，实现数据长距离传输。

处理器具有五种低功耗模式，可以有效控制各外设工作电流、从而降低设备整体的功耗；五种低功耗模式可以按照用户需求自由切换，制定适合的低功耗方案。在同等处理性能下，该处理器具有更低的功耗。

在一个具体的实施例中，如图4为微控制器的连接示意图，微控制器6采用MSP430系列作为主控CPU，微控制器6包括主处理域、低功耗域和外设域。

在一个具体的实施例中，如图5为微控制器供电电路原理图，供电电路包括低功耗降压芯片U2、开关SW1、第一保险丝F1、第六电容C6、第八电容C8、第七电容C7、第五电容C5、第一电阻R1、第一LED灯LED1、瞬态电压抑制二极管D1。

低功耗降压芯片U2的引脚3分别与第一保险丝F1、第六电容C6、第八电容C8的一端连接，第六电容C6、第八电容C8的另一端接地，第一保险丝F1的另一端连接开关SW1，低功耗降压芯片U2的引脚2和4与瞬态电压抑制二极管D1、第七电容C7、第五电容C5、第一电阻R1的一端连接，第七电容C7、第五电容C5的另一端接地，第一电阻R1的另一端连接第一LED灯LED1，第一LED灯LED1另一端接地。

在一个具体的实施例中，低功耗降压芯片U2的型号为AMS117-3.3，保险丝F1的型号为JK-NSMD100，瞬态电压抑制二极管D1的型号为P6SMB6.8CA。

采用低功耗降压芯片U2AMS117-3.3作为5V转3.3V降压芯片，与其他型号的降压芯片相比，AMS117内部集成过热保护和限流电路，具有输出电压精度高、抗干扰能力强，成本低等优点。

进一步地，所述铝合金外壳16采用IP68级别防水材料。

进一步地，所述电池模块2放置在智能监测电路板5下方，位于太阳能充电电路板1表面，与电源管理模块8电连接，并与太阳能充电电路板1电连接，实现边充电边放电的功能，有效提高装置在输电杆塔环境下的寿命。

在一个具体的实施例中，太阳能充电电路板上放置着电池模块，与智能监测电路板的电源管理模块电连接，可直接给智能监测电路板供电，太阳能充电电路板设有电池充电连接座，电池模块与电池充电连接座电连接，当电池模块电量不足时，电。

如图10为数据采集控制与传输逻辑示意图。在智能监测电路板电源供电电路开关闭合之后，微控制器进入初始化状态，等待一分钟之后微控制器会对连接的温湿度传感器、GPS\BD定位芯片模块、陀螺仪模块进行数据采集，然后将数据发送给LORA通信模块就进入低功耗模式，等待一分钟之后再次采集数据。而当LORA通信模块上电之后，模块首先开启广播MESH信息，判断附近有否有有效路由，如果存在就按照有效路由发送待发送数据，如果没有就开启MESH路由发现过程，使用洪泛路由请求信息，等待接收来自其他节点的路由应答信息，当节点接收到其他节点的路由请求信息之后，添加并建立到达其他节点的反向路由，并通过逐跳单播发送路由应答信息，然后其他节点把该节点加入新的路由或者进行路由更新，之后按照有效路由发送待发送数据。

以上实施例的各种技术特征可以任意组合，为使描述简便，未对上述实施例中的各种技术特征所有可能组合进行全面的描述，然而，只要是这些特征的技术组合不存在矛盾，都应当认为是本申请书记载范围。

尽管已经对上述实施例进行了较为详细的描述，但不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的技术人员，凡是利用本发明说明书或者附图，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些都是本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。