CN110285853A - 一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及*** - Google Patents

一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及***，所述装置包括：状态采集单元、控制单元、通信单元及供电单元；所述状态采集单元用于采集线路环境数据，并将所述线路环境数据传输至所述控制单元；所述控制单元根据所述线路环境数据获取控制指令，并将所述控制指令发送至状态采集单元；所述通信单元基于LoRaWAN协议通信传递线路环境数据至服务器；所述供电单元用于向所述输电线路检测装置供电。本发明提供的一种基于LoRaWAN的输电线路多参量低功耗监测装置及***，实现了对多种传感器的数据接入，实现对线路状态的全面感知和综合判断；采用LoRaWAN通信技术，实现了设备的灵活自组网；装置集成度高，体积小巧，成本低，同时解决了安装维护的问题。

Description

一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及***
技术领域
本发明涉及输电线路监测领域，具体涉及一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及***。
背景技术
物联网技术可以提高对输电线路的感知能力，通过大规模传感器协同，结合信息通信网络，从而实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，从而实时了解设备工作状态，获知各种技术指标与参数，提高状态监测水平。但限于技术、机制等原因，传统在线监测装置与一次设备的集成度不高，一般独立安装维护，部分装置存在功能单一、结构庞杂、体积笨重、耗电巨大，受输电线路电磁环境影响大，组网方式不灵活，维护工作量大，设备智能化、小型化、集成化程度低。。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置及***，通过多种监测装置的接入，实现对线路状态的全面感知和综合判断；采用LoRaWAN通信技术，实现了设备的灵活自组网；装置集成度高，体积小巧，成本低，同时解决了安装维护的问题。
本发明第一方面提供一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置，所述装置包括：状态采集单元、控制单元、通信单元及供电单元；所述状态采集单元用于采集线路环境数据，并将所述线路环境数据传输至所述控制单元；所述控制单元根据所述线路环境数据获取控制指令，并将所述控制指令发送至状态采集单元；所述通信单元基于LoRaWAN协议通信传递线路环境数据至服务器；所述供电单元用于向所述输电线路检测装置供电。
作为一种可选方案，所述状态采集单元包括环境采集模块、导线测温模块、雷电电场感应模块和倾斜传感模块；所述环境采集模块用于采集光强、温度、湿度以及气压数据；所述导线测温模块用于测量导线的温度；所述雷电电场感应模块用于探测雷电电场；所述倾斜传感模块用于感应倾斜角度。
作为一种可选方案，所述通信单元包括LoRa射频模块、ARM分控制器以及射频天线，所述通信单元基于UART方式与所述控制单元连接。
作为一种可选方案，导线测温模块包括多个导线温度传感器及多个滤波电路，所述导线测温传感器设置于多个位置。
作为一种可选方案，所述供电单元包括光伏供电模块、后备电池、电源切换模块及低功耗稳压模块。
作为一种可选方案，所述控制单元通过I2C/SPI/ADC接口与状态采集单元连接。
作为一种可选方案，所述控制单元通过UART接口与通信单元的连接。
作为一种可选方案，所述监测***包括权利要求1只6任一项所述的输电线路监测装置以及后台服务器；所述输电线路监测装置用于监测线路状况信息，并将所述线路状况信息发送至所述后台服务器，并接受服务器的返回信息。
本发明第二方面提供一种输电线路监测***，所述监测***包括上述的输电线路监测装置以及后台服务器；所述输电线路监测装置用于监测线路状况信息，并将所述线路状况信息发送至所述后台服务器，并接受服务器的返回信息。
本发明的优点在于：本发明提供的一种基于LoRaWAN的输电线路多参量低功耗监测装置及***，实现了对多种传感器的数据接入，实现对线路状态的全面感知和综合判断；采用LoRaWAN通信技术，实现了设备的灵活自组网；装置集成度高，体积小巧，成本低，同时解决了安装维护的问题。
附图说明
附图1是本发明实施例中输电线路监测装置的***原理图；
附图2是本发明实施例中装置状态采集单元的原理示意图；
附图3是本发明实施例中装置LoRaWAN通信网络连接示意图；
附图4是本发明实施例中装置供电单元的原理示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合具体的实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
请参照图1，本发明实施例提供一种输电线路监测装置，所述装置包括：状态采集单元、控制单元、通信单元及供电单元；所述状态采集单元用于采集线路环境数据，并将所述线路环境数据传输至所述控制单元；所述控制单元根据所述线路环境数据获取控制指令，并将所述控制指令发送至状态采集单元；所述通信单元基于LoRaWAN协议通信传递线路环境数据至服务器；所述供电单元用于向所述输电线路检测装置供电。
所述状态采集单元包括环境采集模块、导线测温模块、雷电电场感应模块和倾斜传感模块；所述环境采集模块用于采集光强、温度、湿度以及气压数据；所述导线测温模块用于测量导线的温度；所述雷电电场感应模块用于探测雷电电场；所述倾斜传感模块用于感应倾斜角度。
所述供电单元由微型光伏和备用电源组成，为其它所有组件提供电源；所述状态采集单元用于采集线路环境微气象、倾斜、导线温度、雷电电场等传感数据，并基于I2C/SPI/ADC等方式与主控制单元连接；所述通信单元主要包括ARM分处理器和LoRa射频模块以SPI总线方式连接，可实现与网关及远端监控中心服务器的LoRaWAN协议通信；所述控制单元获取传感器实时数据，基于UART与通信单元ARM分控制器连接并发送通信及控制指令，实时采集剩余电量信息，并控制整个***的工作流程。
本实施例中提供的状态采集单元的原理如图2所示，包括环境采集模块、导线测温模块、雷电电场感应模块和倾斜传感模块，其中状态采集单元的环境采集模块基于微型低功耗高集成MEMS芯片设计，可实现对光强、温度、湿度、气压等数据的全面监控，功耗达到微瓦级，采用I2C的通信方式，传感器数据由主控制基于时钟唤醒实现周期性上报；导线测温模块包括多个不同位置的温度探头，避免单个传感器由于自身故障或接触不良等引起的测量误差，保证导线测温的高可靠性，功耗达到微瓦级，采用模拟信号/I2C/单总线等形式输出，由主控单元基于ULP协处理器轮询方式查询实时数据，在超过设定阈值区间时主控制单元可自动唤醒并完成数据上报；倾斜传感模块基于轴加速传感MEMS芯片设计，采用I2C/SPI的通信方式，并可设计触发阈值以主动向主控制单元发送中断信号，默认工作在低功耗监听模式；雷电电场感应模块基于集成式雷电感应MEMS芯片设计，采用I2C/SPI的通信方式，并可设计触发阈值以主动向主控制单元发送中断信号，默认工作在低功耗监听模式。
本实施例中的LoRaWAN通信网络的原理如图3所示，通信单元由LoRa射频模块、ARM分控制器、射频天线等组成，控制单元以UART方式与ARM分控制器进行连接，向其发送通信参数配置、入网指令、发送数据帧以及休眠指令，同时接受分控制器的接收数据帧、网络状态等信息；ARM分控制器运行LoRaWAN软件协议栈程序，用于实现对LoRaWAN数据报文的封装、解析、收发、信道及速率控制等，并与LoRa射频模块之间通过SPI的方式进行连接来实现其初始化以及LoRa数据帧的收发；LoRa射频模块与后级网关基于LoRaWAN协议进行无线通信，网关完成LoRa射频信号的接收，并基于专用网络向后台服务器转发数据。
本实施例中提供的供电单元的原理如图4所示，供电单元包括微型光伏供电***、后备电池、电源切换模块及低功耗稳压模块，其中微型光伏供电***由微型光伏电池板、锂电池充放电控制器和可充电锂电池组成，在光照充足时对锂电池进行充电，在无光照时由锂电池经充电管理模块接入电源切换模块；所述后备电池采用高能量密度的一次性锂电池，直接接入电源切换模块，用于外界环境导致的光伏供电***异常时的装置供电；所述电源切换模块可实现供电的自动切换，避免电池反充，并优选光伏***作为第一供电电源；所述稳压模块采用低功耗高效率低压降LDO线性稳压器，最大程度提高整个供电单元的效率和低功耗性能。
实施例二
本实施例提供一种输电线路监测***，所述监测***包括上述的输电线路监测装置以及后台服务器。
所述监测***的工作原理参照实施例一，在此不再赘述。
实施例三
本实施例中所提供的实施例一和实施例二提供的装置及***的使用方法，包含如下步骤：
步骤1：外设初始化
主控制单元和分控制器分别完成对自身外设和时钟的初始化，主控制单元发送指令至各个传感器模块对其进行初始化操作，分控制器发送SPI指令至射频模块对其进行初始化操作；
步骤2：LoRaWAN通信参数初始化
主控制单元查看通信参数初始化标志位，若为0则进行通信参数初始化，并将标志位置1，若为1则直接进入步骤3；通信参数初始化主要完成通信模式、通信信道、通信速率、发射功率、OTAA入网凭证等参数的配置，初始化完成则进入步骤3；
步骤3：LoRaWAN设备入网
主控制单元查看入网标志位，若为0则进行OTAA入网，入网成功后将标志位置1，如果入网失败则重复尝试入网，若重试次数超过最大重试次数则进入故障处理子流程，若标志位为1则直接进入步骤4；故障处理子流程：主控制单元将所有标志位清零，然后设置重启间隔，并存储故障事件至存储器，最后重启设备；
步骤4：运行状态判断
主控制查看自身寄存器获取唤醒源，如果唤醒源为周期性唤醒或者上电唤醒，则进入步骤5，如果为外部中断唤醒或ULP协处理器唤醒，则进入步骤6；
步骤5：LoRaWAN周期性数据上报
装置进入周期性上报模式，主控制单元轮询读取传感器数据并按预定义协议格式封装为数据帧，然后向分控制器发送数据上报指令，等待服务器返回，若返回失败或回复超时则重复发送，若尝试次数超过最大发送次数则进入故障处理子流程，发送成功则进入步骤7；
步骤6：LoRaWAN异常数据上报
装置进入异常数据上报模式，主控制单元根据当前唤醒源确定为雷电预警、导线过温故障或倾斜预警，读取相应传感器数据并按预定义协议格式封装为数据帧，并向分控制器发送数据上报指令，然后等待服务器返回，若返回失败或回复超时则重复发送，若尝试次数超过最大发送次数则重启模块，发送成功则进入步骤7；
步骤7：模块休眠
主控制完成唤醒源的设置和使能，同时发送休眠命令至分控制器，等待所有外部设备休眠完成后自身也进入低功耗休眠模式，等待装置的下一次唤醒。
本发明实施例提供的上述技术方案及附图，用于对本发明的进一步说明而非限制，另外应当说明的是，本领域普通技术人员应当知晓，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (8)

1.一种基于LoRaWAN的输电线路监测装置，其特征在于，所述装置包括：状态采集单元、控制单元、通信单元及供电单元；
所述状态采集单元用于采集线路环境数据，并将所述线路环境数据传输至所述控制单元；
所述控制单元根据所述线路环境数据获取控制指令，并将所述控制指令发送至状态采集单元；
所述通信单元基于LoRaWAN协议通信传递线路环境数据至服务器；
所述供电单元用于向所述输电线路检测装置供电。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路监测装置，其特征在于，所述状态采集单元包括环境采集模块、导线测温模块、雷电电场感应模块和倾斜传感模块；
所述环境采集模块用于采集光强、温度、湿度以及气压数据；
所述导线测温模块用于测量导线的温度；
所述雷电电场感应模块用于探测雷电电场；
所述倾斜传感模块用于感应倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的一种输电线路监测装置，其特征在于，所述通信单元包括LoRa射频模块、ARM分控制器以及射频天线，所述通信单元基于UART方式与所述控制单元连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种输电线路监测装置，其特征在于，导线测温模块包括多个导线温度传感器及多个滤波电路，所述导线测温传感器设置于多个位置。
5.根据权利要求4所述的一种输电线路监测装置，其特征在于，所述供电单元包括光伏供电模块、后备电池、电源切换模块及低功耗稳压模块。
6.根据权利要求1至3任一项所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述控制单元通过I2C/SPI/ADC接口与状态采集单元连接。
7.根据权利要求1至3任一项所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述控制单元通过UART接口与通信单元的连接。
8.一种输电线路监测***，其特征在于，所述监测***包括权利要求1至7任一项所述的输电线路监测装置以及后台服务器；
所述输电线路监测装置用于监测线路状况信息，并将所述线路状况信息发送至所述后台服务器，并接受服务器的返回信息。
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