基于LoRa的變電站巡檢監控系統的設計

韓寅超,張 健,黃曉華

(1．南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2．江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院吳江分院，江蘇 蘇州215000)

1 引言

隨著國家大力發展電力科學技術，電網的建設運檢量越來越大、電力體制的改革也越來越深入，我國的電力系統的機械化、自動化、智能化程度正在大幅度地提升。變電站的巡視檢查制度是確保變電站設備正常安全運行的有效措施。目前變電站采用傳統的例行及特殊巡視、日常維護等工作，需要變電運行人員或操作隊班組成員定期去往各個變電站、配電站進行巡檢工作，用人工采集的方式收集大量數據，并且需要做很多繁瑣的周期性、重復性、機械性的工作。但是隨著電網建設的體量越來越大，變電站、配電站的數量愈發增多，這將會使得變電站、配電站日常工作增加很大的工作量[1-3]。針對以上問題需研發一款具有越障性能、低成本、結構緊湊、高效率的變電站巡檢機器人。搭載紅外熱成像攝像頭、高清運動攝像頭、音頻信號接收器等傳感器。能夠按照提前設定好的路線，對變電站內的設備進行拍照、測溫、聲音采集、功能性巡視。同時，還需要實現終端與嵌入式系統的無線通訊，使得巡檢人員能夠遠距離對設備進行控制、并分析終端所反饋的信息。

隨著物聯網技術的發展，萬物互聯時代的到來，對特定設備或物體的智能化識別、定位、跟蹤、監管已逐漸走入人們的生活。LoRa 是近年來興起的一種專用于無線電調制解調的技術，LoRa 融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，具有遠距離、低功耗、多節點、低成本、抗干擾特性，同時屬于低速率小數據傳輸。相比于4G 不需要經過云，同時也每個終端也不需要SIM 卡；相比藍牙、WIFI，又克服了傳輸距離短、需要環境支撐的缺點，適合變電站環境，故采用此技術作為通訊手段[4-5]。

2 系統總體設計

針對現有的變電站環境進行深度調研和分析，設計了變電站機器人系統，其機械結構如圖1所示，機器人底盤采用履帶擺臂式，履帶結構具有一定的越障能力，配合前端擺臂，能夠完成臺階的攀爬；云臺方面采用二自由度設計，配置紅外熱成像攝像頭和運動攝像頭，能夠實現全方位的視覺監測和溫度感知。

控制系統設計如圖2所示，系統采用三層模型，分別為執行層、控制層、傳輸層。執行層分為運動驅動部分和傳感器部分，運動驅動器接收來自控制層傳來的調速信號和方向信號，對底盤和云臺進行物理層面的實際控制。傳感器部分捕捉溫度、位姿信息、前向距離、行進速率、磁條導軌偏移等信息，傳輸給控制層?？刂茖油ㄟ^運動驅動程序實現控制功能、通過傳感器接口獲取環境信息，并通過通訊模塊將必要的信息傳遞給終端。傳輸層包括LoRa數傳模塊和圖傳模塊，圖傳模塊獨立于嵌入式系統，將采集到的圖像傳送至終端處理。LoRa數傳模塊負責通訊交換數據，并調制解調無線信號。

3 監控系統硬件設計

3.1 硬件總體設計

監控系統包括圖傳和數傳部分，存在數據量的區別，故分別使用兩套傳輸模塊，監控系統硬件如圖3所示，移動機器人通過無線模塊將數據信號和圖像信號傳遞給終端的接收端，圖像信號因為數據量大，各個機器人需要配置獨立的圖傳接收模塊，并進行圖像信號處理，其中包括A/D信號轉換、分時傳輸等。最后經過視頻采集卡，通過USB接口傳輸給PC終端，數傳信號直接由LoRa DTU匯總通過COM口傳輸給PC。最終應用層協議會對其進行區分處理。

3.2 LoRa模塊原理

LoRa模塊采用SX1276芯片作為LoRaTM遠程調制解調器，可以實現超長距離的擴頻通訊，抗干擾能力強。分為電源電路、復位時鐘電路、射頻電路、接口電路。其中射頻電路為核心電路，如圖4所示，接收數據和發送數據是分開的，使用射頻開關PE4259 控制收發。在發射端，用電感電容匹配電路加一個橢圓濾波器，再進入射頻開關；接收端直接使用電感電容匹配電路，同時添加隔直電容。射頻開關后端使用一個三階的型濾波器，來除去發射的2次諧波、3次諧波和雜散，同時濾除從接收端來的干擾信號[6]。

4 監控系統軟件設計

監控系統傳輸層的軟件部分主要包括協議實現、并發通訊、GUI界面交互。

4.1 協議實現

為區別從不同發射端來源以及不同數據類型的數據，需在用戶層自定義協議，協議由協議包頭和數據和校驗碼組成。數據包如圖5所示，包頭由起始字節、機器人編號、數據類型、數據長度組成。數據類型包括運動控制、控制信息反饋、環境變量反饋、shell 命令、心跳監測等。機器人編號用于區分是哪一個機器人發來的命令。數據長度表示后部分數據所占字節數。數據部分則作為參數傳入相應的模塊。校驗采用CRC校驗，實現通訊的檢錯，保證通訊穩定性。

4.2 并發通訊

在機器人端的通訊過程中，如果在處理過程中有另一個指令到達，則需要同時處理兩個或多個指令。需要進行并發處理，并發IO方式有多進程編程、多線程編程、select、epoll[7]?？紤]到系統的資源占用和實時性。以多線程和epoll并用實現并發處理。

機器人端的通訊流程圖如圖5所示，首先主線程會進行一些初始化操作，然后創建定時匯報任務的線程，該任務啟動后就獨立運行，除同步機制外不受其他任務影響終止，直到系統失電。接著監聽串口的讀緩沖區，采用epoll機制觸發式監聽，當接收到數據后，首先通過起始字節和校驗位對接收到的數據進行幀劃分和可靠性檢驗，接著依次對劃分好的數據幀根據數據類型進行解析和機器人編號校對，對于編號不匹配的命令會忽略返回，如果編號匹配成功，會將數據分割并創建新的線程，代入數據執行指定的任務。

這里reshell 功能為例，reshell 是一種遠程終端命令行的操作，是針對開發人員的功能，使開發人員不需要實地去連接控板調試程序，直接在上位機終端界面中即可調試更改Linux系統內部的程序，使用popen函數實現此功能。當識別命令的數據類型為COM_SHELL 時，創建一個新的線程運行此模塊，輸入數據幀中保存的字符串值，代入popen，popen 的返回值即為shell 命令的反饋字符串，將其拷貝至緩沖區，并打包成數據幀的格式，數據類型為MSG_SHELL，然后鎖上用以發送數據的互斥鎖發送數據，該鎖主要是實現同步的功能，即保證同一時間最多只能有一個線程使用串口發送數據，避免同時發送數據產生的干擾，最后解除互斥鎖調用pclose，任務終止，線程退出。其他子線程任務的執行過程也類似shell命令。

4.3 GUI界面交互

GUI 是終端軟件的主體部分，需要調用通訊模塊傳遞用戶的操作，并直觀顯示通訊模塊反饋回來的信息。本GUI界面采用MFC作為架構，采用VC++編程語言[8]，需要輸入相應密碼進行操作，密碼信息保存于嵌入式系統端，通過無線通訊傳輸后進行驗證，之后才能進行操作。界面上控件的功能包括控制底盤和云臺運動、磁條導航開關、通訊端口的開關、Linux reshell、雙目攝像的捕捉、拍照存儲、位姿速度前向測障等信息顯示。

5 監控系統調試

在變電站巡檢監控構建完畢后，在GUI界面（如圖6、圖7）首先測試Linux reshell 的實現，通過無線通訊，實現執行shell命令，終端正常輸出反饋信息，通信成功。嵌入式系統端會將采集到的信息，如履帶速率、小車位姿等，同樣通過LoRa DTU傳輸過來，并定時刷新。使用自定義協議區分接收數據的類型。在圖像通訊方面，使用Open CV 庫函數讀圖并顯示于Picture 控件[9]，圖6中左像為運動攝像頭采集到的視覺圖像，右像為紅外熱成像攝像頭采集到的溫度信息轉化而成的云圖，并對中心和最值溫度進行了標注顯示。在運動控制方面，能夠手動控制機器人底盤及云臺的5個自由度，能夠設置預設速度從而對底盤的運動進行調速。并能夠選擇磁導航模式，機器人通過系統內部的磁條導航算法進行自動巡檢。

6 結束語

本系統將物聯網技術融入電網行業，采用了嵌入式技術、無線通訊技術以及計算機技術，實現了一套完備的變電站巡檢機器人系統。該系統執行層負責實現底層的數據采集和執行機構的控制操作，控制層負責處理分析上下兩層傳送來的信息，傳輸層負責實現無線的數傳圖傳。除此以外，在PC 終端，開發了一套能夠數據處理并直觀顯示的GUI 程序，測試正常，系統操作界面簡單明了。針對用戶，實現了機器人運動控制，并能夠采集環境信息、遠程監控；針對系統調試人員，能夠直接通過reshell進行遠程調試，具有較高的實用價值。