杆塔状态监测装置的制作方法

1.本技术涉及杆塔状态监测技术领域，特别是涉及一种杆塔状态监测装置。


背景技术：

2.众所周知，杆塔在电力输电线路与通信网络的覆盖中起到了桥梁架接的重要作用。由于雨雪、大风等自然灾害，以及煤矿开采、工程施工等人为破坏，杆塔塔体倾斜、变形等塔体受损的情况时有发生。塔体受损会造成输电线路和通信网络中断，甚至导致发生杆塔倒塌等重大的安全事故，造成大面积停电，影响民众的生活
3.传统的杆塔状态监测装置，配置数据采集模块进行杆塔状态数据的监测，并配置gps(global positioning system，全球定位系统)单点定位模块，采用 gps单点定位方式进行杆塔位置的定位，便于工作人员进行后续维修工作。由于gps单点定位具有定位精度低的缺点，传统的杆塔状态监测装置，输出的杆塔位置定位信息偏差较大，不利于后续维修工作的顺利开展。因此，传统的杆塔状态监测装置，具有监测结果不可靠的缺点。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，提供一种杆塔状态监测装置，提高监测结果的可靠性。
5.一种杆塔状态监测装置，包括主控模块、数据采集模块、卫星导航精密单点定位模块和电源模块；所述主控模块连接所述数据采集模块、所述卫星导航精密单点定位模块和所述电源模块；
6.所述数据采集模块用于监测被监测杆塔的状态数据，得到采样信号发送至主控模块；所述卫星导航精密单点定位模块用于向所述主控模块提供导航参数；
7.所述主控模块用于根据所述采样信号得到所述被监测杆塔的状态信息，根据所述导航参数确定所述被监测杆塔的位置信息，以及结合所述状态信息和所述位置信息，得到并输出杆塔状态监测结果。
8.在其中一个实施例中，所述数据采集模块包括倾斜检测单元和应力检测单元，所述倾斜检测单元和所述应力检测单元分别连接所述主控模块。
9.在其中一个实施例中，所述倾斜检测单元为双轴倾角传感器。
10.在其中一个实施例中，所述应力检测单元为振弦式应力传感器。
11.在其中一个实施例中，杆塔状态监测装置还包括气象传感模块，所述气象传感模块连接所述主控模块。
12.在其中一个实施例中，杆塔状态监测装置还包括通信模块，所述通信模块连接所述主控模块。
13.在其中一个实施例中，所述通信模块包括蜂窝移动通信单元和北斗短报文通信单元；所述蜂窝移动通信单元和所述北斗短报文通信单元均连接所述主控模块。
14.在其中一个实施例中，所述电源模块包括电源管理单元、主电池、太阳能板和备用
电池；所述主电池连接所述太阳能板和所述电源管理单元，所述电源管理单元连接所述备用电池和所述主控模块。
15.在其中一个实施例中，杆塔状态监测装置还包括存储模块，所述存储模块连接所述主控模块。
16.在其中一个实施例中，杆塔状态监测装置还包括加密模块，所述加密模块连接所述主控模块。
17.上述杆塔状态监测装置，配置卫星导航精密单点定位模块向主控模块提供导航参数，并由主控模块根据导航参数确定被监测杆塔的位置信息，由于卫星导航精密单点定位模块提供的导航参数具有高精度的特点，有利于提高位置信息的定位精度，进而提高杆塔状态监测结果的可靠性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为一实施例中杆塔状态监测装置的组成框图；
20.图2为一实施例中的定位曲线图；
21.图3为另一实施例中的定位曲线图；
22.图4为一实施例中双轴倾角传感器的x轴测试数据；
23.图5为一实施例中双轴倾角传感器的y轴测试数据；
24.图6为一实施例中倾斜检测单元的工作流程示意图；
25.图7为一实施例中应力检测单元的工作流程示意图；
26.图8为一实施例中电源模块的组成框图；
27.图9为另一实施例中杆塔状态监测装置的组成框图；
28.图10为一实施例中气象传感模块的工作流程示意图；
29.图11为一实施例中北斗短报文通信单元的工作流程示意图。
具体实施方式
30.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
32.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
33.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上
下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
34.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种杆塔状态监测装置，包括主控模块100、数据采集模块200、卫星导航精密单点定位模块300和电源模块400。主控模块100连接数据采集模块200、卫星导航精密单点定位模块300和电源模块400。数据采集模块200用于监测被监测杆塔的状态数据，得到采样信号发送至主控模块100；卫星导航精密单点定位模块300用于向主控模块100提供导航参数。主控模块100用于根据采样信号得到被监测杆塔的状态信息，根据导航参数确定被监测杆塔的位置信息，以及结合状态信息和位置信息，得到并输出杆塔状态监测结果。
35.其中，主控模块100可以是包含各类控制器和控制芯片及其外围电路，具备逻辑运算功能的电路模块。该控制芯片，可以是单片机、dsp(digital signalprocess，数字信号处理)芯片或fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)芯片。在一个实施例中，主控模块100为意法半导体公司低功耗处理器。该处理器具有开发周期短、性能强、性价比较好、方便硬件裁剪等优点，有利于提高杆塔状态监测装置的工作性能。数据采集模块200是包含各类传感器件，可以对被监测杆塔进行状态数据采样的硬件模块。该传感器件，可以是摄像头、应力传感器、倾角传感器中的一个或多个。卫星导航精密单点定位(precise point positioning，ppp)模块300是包括卫星接收机，可以获取并提供导航参数的硬件模块。例如，该卫星导航ppp模块300可以是北斗ppp模块。电源模块400是可以向外输出电能的装置，该电源模块400可以包含电磁感应单元，基于电磁感应原理向输电线路获取电能；也可以包含电能存储模块。进一步的，该电能存储模块，可以是储能电池组或超级电容。
36.具体的，一方面，数据采集模块200监测被监测杆塔的状态数据，得到采样信号发送至主控模块100，再由主控模块100根据采样信号得到被监测杆塔的状态信息。进一步的，被监测杆塔的状态信息包括但不限于倾角、覆冰状态、凤舞状态和形变状态等。例如，当数据采集模块200包含摄像头时，摄像头将采集得到的图片信息发送至主控模块100，主控模块100基于图片信息，可以分析得到被监测杆塔的倾角、凤舞状态和覆冰状态，得到被监测杆塔的对应状态信息。
37.另一方面，卫星导航精密单点定位模块300向主控模块100提供导航参数，再由主控模块100基于ppp定位技术，根据导航参数确定被监测杆塔的位置信息。进一步的，该导航参数，包括卫星轨道和钟差，以及卫星接收机的非差分载波相位观测数据。主控模块100基于ppp定位技术，根据卫星轨道和钟差，以及卫星接收机的非差分载波相位观测数据，可以计算得到被监测杆塔的位置信息。如图2和图3所示，配置卫星导航ppp模块300后，可以获得厘米极的定位精度。
38.最后，再由主控模块100结合状态信息和位置信息，得到并输出杆塔状态监测结果。例如，主控模块100可以结合状态信息和位置信息，得到并输出包含状态信息和位置信息的杆塔状态监测结果；也可以根据位置信息的变化情况，复核被监测杆塔的状态信息，得到被监测杆塔的最终状态信息，并输出包含最终状态信息和位置信息的杆塔状态监测结
果，进一步提高杆塔状态监测结果的可靠性。
39.需要说明的是，杆塔状态监测结果的输出对象、输出方式和输出内容并不唯一。例如，主控模块100可以向终端或云平台输出杆塔状态监测结果。该终端，包括但不限于各类计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。杆塔状态监测结果的输出方式，可以是文字、图片或曲线。杆塔状态监测结果的内容，可以仅包含状态信息和位置信息，还可以同时包含被监测杆塔的状态信息。进一步的，主控模块100还可以基于杆塔状态监测结果，将对应的监测结果与预设阈值进行对比，判断被监测杆塔的状态是否正常，并在被监测杆塔的状态异常时，输出预警信息。
40.此外，应用于输电线路的杆塔，连接有高压甚至超高压传输电力线，输电线周围存在复杂的电磁环境，且主控模块100以及各个模块工作时会产生各种不同的发散电磁干扰，因此需要对杆塔状态监测装置进行电磁兼容设计等考虑。为了在源头上减小电磁干扰，杆塔状态监测装置的电路部分采用多层印制板，并且配合适当的层叠结构，在最大程度上减少电磁干扰的发散，同时搭配屏蔽盒，以确保较复杂的电磁环境情况下杆塔状态监测装置能够正常工作，同时不干扰外界环境。
41.上述杆塔状态监测装置，配置卫星导航精密单点定位模块300向主控模块 100提供导航参数，并由主控模块100根据导航参数确定被监测杆塔的位置信息，由于卫星导航精密单点定位模块300提供的导航参数具有高精度的特点，有利于提高位置信息的定位精度，进而提高杆塔状态监测结果的可靠性，便于工作人员进行后续的维护工作。
42.在一个实施例中，数据采集模块200包括倾斜检测单元和应力检测单元，倾斜检测单元和应力检测单元分别连接主控模块100。
43.其中，倾斜检测单元是可以利用地球万有引力的作用，将传感器敏感器件对大地的姿态角，即与大地引力的夹角(倾角)这一物理量，转换成模拟信号或脉冲信号的硬件单元。该倾斜检测单元可以是固体摆式、液体摆式或气体摆式倾斜检测单元。如表1所示，为倾角传感器的不同倾角测试数据，其中，标准倾角值为计量院标准设备的测量值。由表1可知，倾角传感器在一定范围内可以达到0.01
°
的测量精度。如表2所示，为同一倾角多次测量的数据。由表2 可知，试验设定的角度为5
°
，实际多次测量的平均值为4.99857
°
，标准偏差为 0.003
°
。结合表1和表2，不难看出，倾角传感器具有测量准确度和测量稳定度好的优点，有利于进一步提高杆塔状态监测结果的可靠性。
44.表1：倾角传感器的不同倾角测试数据
45.标准倾角值仪器显示值化整后的测量值
‑4°
00
′
00
″‑
3.99147
°‑
3.99
°‑2°
00
′
00
″‑
1.99504
°‑
1.99
°0°
00
′
00
″
0.00874
°‑
0.01
°2°
00
′
00
″
2.01129
°
2.01
°5°
00
′
00
″
4.99856
°
4.99
°8°
00
′
00
″
7.99068
°
7.99
°
46.表2：倾角传感器的同一倾角测试数据
47.测量次数12345678仪器显示值(
°
)4.998574.998574.998564.998554.998574.998594.998574.99857
测量次数910111213141516仪器显示值(
°
)4.998564.989794.989804.998564.998564.998574.998564.99856
48.在一个实施例中，倾斜检测单元为双轴倾角传感器。双轴倾角传感器不仅可以测量两个不同轴的倾角，得到被监测杆塔的三维倾角信息，而且自带温度补偿功能，有利于进一步提高倾角测量精度。如图4和图5所示，为双轴倾角传感器的x轴和y轴测试数据，其中，x轴和y轴为水平面上相互垂直的两轴。由图可知，双轴倾角传感器具有稳定性好的优点。
49.进一步的，应力检测单元是将力的量值转换为相关电信号的硬件单元。该应力检测单元，可以是应变管式、膜片式或应变梁式的应力检测单元。在一个实施例中，应力检测单元为振弦式应力传感器，具有性能稳定、可靠性好的优点。
50.具体的，倾斜检测单元固定于被监测杆塔，测量被监测杆塔的倾角并发送至主控模块100。进一步的，在非工作模式下，倾斜检测单元处于低能耗待机状态。如图6所示，只有在工作状态下，主控模块100才会控制电源模块400向倾斜检测单元供电，并进行倾斜检测单元初始化，待倾角数据采集和传输完成后，再控制电源模块400停止供电，结束当前次倾角检测工作。
51.应力检测单元固定在被监测杆塔的塔体或者塔基上，感应被监测杆塔的应力变化，测量被监测杆塔的形变量并发送至主控模块100。同样的，在非工作模式下，应力检测单元处于低能耗待机状态。如图7所示，只有在工作状态下，主控模块100才会控制电源模块400向应力检测单元供电，并进行应力检测单元初始化，待应力数据采集和传输完成后，再控制电源模块400停止供电，结束当前次应力检测工作。进一步的，应力检测单元与主控模块100之间的数据传输，可以通过串口实现。
52.此外，主控模块100可以根据实时获取的倾角和形变量，分别与倾角阈值和形变量阈值进行比较，并在倾角超过倾角阈值，和/或，形变量超过形变阈值时，输出预警信息，以便工作人员进行后续实地观察和维修处理。上述实施例中，数据采集模块200包括倾斜检测单元和应力检测单元，可以同时进行倾角和应力检测，从多个维度进行杆塔状态监测，有利于提高杆塔状态监测结果的可靠性。
53.在一个实施例中，如图8所示，电源模块400包括电源管理单元410、主电池420、太阳能板430和备用电池440；主电池420连接太阳能板430和电源管理单元410，电源管理单元410连接备用电池440和主控模块100。
54.其中，电源管理单元410是包含控制芯片或转换芯片等逻辑器件，可以进行充放电管理和电能分配的硬件单元。主电池420和备用电池440可以是蓄电池或超级电容。在一个实施例中，主电池420和备用电池440均为可重复充电的锂电池，具备较大的放电能力和较长的续航工作时间。
55.具体的，在光照充足的情况下，太阳能板430向主电池420充电，由主电池420向各模块供电。在光照不足的情况下，例如连续阴天数天，由备用电池 440向各模块供电，以提高杆塔状态监测装置的续航时间。
56.在一个实施例中，如图9所示，杆塔状态监测装置还包括气象传感模块500，气象传感模块500连接主控模块100。
57.其中，气象传感模块500是可以用于采集自然气象数据的传感模块。该自然气象数据，包括温度、湿度、风力、风速、雨量、光照强度等。具体的，气象传感模块500固定在被监测
杆塔的塔体或者塔基上，感应被监测杆塔所在位置的自然气象数据并发送至主控模块100。在非工作模式下，气象传感模块500 处于低能耗待机状态。如图10所示，只有在工作状态下，主控模块100才会控制电源模块400向气象传感模块500供电，并进行气象传感模块500初始化，待各自然气象数据采集和传输完成后，再控制电源模块400停止供电，结束当前次自然气象检测工作。进一步的，气象传感模块500与主控模块100之间的数据传输，可以通过串口实现。
58.进一步的，通过安装在杆塔上的多个方位的应力检测单元，可以实时监测杆塔应力的变化情况。主控模块100再结合气象传感模块500采集的风向风速信息，可以剔除正常的风舞状态；并通过双轴倾角传感器获取杆塔的二维姿态角变化数据；通过卫星导航ppp模块300获取当前的三维位置。主控模块100 对上面三种数据进行数据融合分析，进行杆塔异常受力、沉降、倾斜和倒伏的判断，可以得到被监测杆塔的状态监测结果。其中，多传感器数据融合算法采用贝叶斯准则法和卡尔曼滤波法，原始数据的滤波主要采用多参量的联合卡尔曼滤波算法，判断准则采用多参数的贝叶斯准则法，通过设置合理的阈值，可以确保较高的预警概率和较低的虚警概率。
59.上述实施例中，配置气象传感模块500进行自然气象数据采集，一方面可以便于主控模块100结合自然气象数据进行杆塔状态判断，例如凤舞状态识别，有利于提高判断结果的可靠性，提升杆塔状态监测的有效性。另一方面还可以给工作人员提供对塔体进行维护、检修、除冰等后期维护工作的依据。
60.在一个实施例中，请继续参考图9，杆塔状态监测装置还包括存储模块600，存储模块600连接主控模块100。
61.其中，存储模块600可以是各类存储器或存储芯片。具体的，主控模块100 得到杆塔状态监测结果后，将结果输出至存储模块600，便于工作人员进行统计和分析。
62.在一个实施例中，请继续参考图9，杆塔状态监测装置还包括加密模块700，加密模块700连接主控模块100。
63.其中，加密模块700可以是包含加密芯片及其外围电路的硬件模块。具体的，配置加密模块，可以防备木马程式和骇客入侵，有利于提高杆塔状态监测装置的安全性。
64.在一个实施例中，请继续参考图9，杆塔状态监测装置还包括通信模块800，通信模块800连接主控模块100。
65.其中，通信模块800可以是有线通信模块或无线通信模块。该有线通信模块，可以为总线通信模块，如485通信模块、can通信模块或rs232通信模块。该无线通信模块，可以是蓝牙通信模块、无线通信模块或蜂窝通信模块。
66.在一个实施例中，通信模块800包括蜂窝移动通信单元和北斗短报文通信单元；蜂窝移动通信单元和北斗短报文通信单元均连接主控模块100。该蜂窝移动通信单元可以是2g、3g、4g或5g通信单元。北斗短报文通信单元是可以直接通过卫星实现通信功能的硬件单元，配置北斗短报文通信单元可以确保蜂窝移动信号弱的情况下，仍能维持良好的通信功能，有利于提高杆塔状态监测装置的通信可靠性。
67.进一步的，在非工作模式下，北斗短报文通信单元处于低能耗待机状态。如图11所示，只有在工作状态下，主控模块100才会控制电源模块400向北斗短报文通信单元供电，并进行北斗短报文通信单元初始化，待报文数据采集、解析和传输完成后，再控制电源模块
400停止供电，结束当前次通信工作。此外，北斗短报文通信单元与主控模块100之间的数据传输，可以通过串口实现。
68.具体的，主控模块100得到杆塔状态监测结果后，通过通信模块800将杆塔状态监测结果输出至终端或云平台，可以便于对应工作人员及时获取杆塔状态监测结果，及时进行后续处理，有利于提高工作效率。
69.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
70.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
71.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。