一种基于NB-IoT网络的杆塔倾角监测装置的制作方法

本发明属于输电线路监测技术领域，尤其是一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置。

背景技术：

杆塔是架空输电线路中用来支撑导线和避雷线的构筑物。输电线路受地质、气象、外力等复杂环境的影响会造成杆塔的倾斜和倒塌，近年来由于线路杆塔倾斜倒塌引起的电力事故呈上升趋势。为了保障整个电网的安全运行，需要设计一个有效的杆塔倾角测量装置，监测杆塔的倾斜角度变化，预防杆塔的倾倒，避免电力事故的发生。

目前，杆塔倾角监测装置大多是基于gsm/gprs/3g/4g通讯或者无线局域网通讯的，基于gsm/gprs/3g/4g通讯的监测装置由于通讯模块的耗电量很大，会降低电池电源的使用时长，而基于无线局域网通讯的监测装置会增加数据集中和中转装置，功耗会更大，并且通讯架构上层次更复杂，增加了系统出故障的可能性，降低了系统的稳定性。

现有技术中提供了“基于lora技术的杆塔倾斜状态监测系统”，公告日：2017.11.10，公布号：cn206627106u的中国专利，杆塔的状态数据传输采用lora无线通讯方式，包括终端节点、路由节点和集中控制器，终端节点包括设置与杆塔上的倾斜度传感器、第一单片机、第一lora模块和电源一，路由节点包括第二单片机、第二lora模块和电源二，集中控制器包括第三单片机、第三lora模块和电源三；所述的单片机和lora模块均通过i2c连接，第二lora模块与多个第一lora模块组成星型结构，多个第二lora模块与第三lora模块无线通信，实现自组网通信功能。这种基于无线局域网通讯的监测装置会增加数据集中和中转装置，功耗会更大，同时也会存在数据延迟的现象，并且终端节点数量增加后，系统通讯发生碰撞冲突的几率将大大增加，降低系统的可靠性。

为了解决上述问题，有必要针对常规的问题，开发出通讯架构层次简单，通讯可靠，低功耗的新型杆塔倾角监测装置。

技术实现要素：

为了解决上述提到的问题，本发明提出了一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置。

具体技术方案如下：

一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置，包括：角度采集芯片、mcu、nb-iot通讯模块、天线和远程服务器；

所述角度采集芯片为三轴加速度传感器，用于测量x轴、y轴和z轴的加速度，并将测量的加速度信息传输到mcu；

所述mcu接收角度采集芯片传输的加速度信息，通过公式计算杆塔倾角，并将杆塔倾角数据传输到nb-iot通讯模块；

所述nb-iot通讯模块将接收到的杆塔倾角数据解析成无线信号，使用天线通过无线网络发送到远程服务器。

优选地，还包括供电系统。

优选地，所述mcu无信息输入输出时，处于睡眠状态。

优选地，所述nb-iot通讯模块无信息输入输出时，处于睡眠状态。

优选地，所述公式还包括

优选地，所述供电系统包括干电池、光伏电池板、蓄电池和线路加线圈感应中的一种或多种。

优选地，所述公式为

相对于现有技术，本发明所述的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置具有以下优势：

本发明提出的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置，通过使用低功耗的nb-iot通讯技术，结合mcu控制器的深度睡眠节能技术，达到整体测量装置的降功耗效果，从而解决输电杆塔测量装置功耗大、电源使用寿命短的问题，同时，通讯模块与服务器直连，简化了通讯架构。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置的示意图；

图2为两轴加速度传感器计算倾斜角度的示意图；

图3为本发明提出的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置的三轴加速度传感器计算倾斜角度的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提出的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置的示意图，包括：角度采集芯片、mcu、nb-iot通讯模块、天线和远程服务器；所述角度采集芯片为三轴加速度传感器，用于测量加速度在x轴、y轴和z轴上的分量ax、ay、az，并将测量的加速度信息传输到mcu；所述mcu接收角度采集芯片传输的加速度信息，通过公式和即计算杆塔倾角，并将杆塔倾角数据传输到nb-iot通讯模块；所述nb-iot通讯模块将接收到的杆塔倾角数据解析成无线信号，使用天线通过无线网络发送到远程服务器。

所述mcu和nb-iot通讯模块在无信息输入输出时，处于睡眠状态。

本发明还包括供电系统，所述供电系统包括干电池、光伏电池板、蓄电池和线路加线圈感应中的一种或多种。

测量物体的倾斜角度是加速器传感器的一种常见的应用。

基本原理：由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的x轴和y轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。如图2所示，有则即这样，根据以上原理一个两轴加速度传感器可以测量在x-y平面上的倾斜角度。需要注意的是，两轴加速度传感器只能测量x轴和y轴上的重力分量，因而只能测量x-y平面上的倾斜角度。可是由于物体在空间倾斜的时候，很难保证倾斜完全在x-y平面上，这样只使用两轴加速度传感器进行测量会存在局限性，因此，我们考虑使用三轴加速度传感器。如图3所示，三轴加速度传感器可以测量x轴、y轴和z轴的重力分量，计算空间倾斜角度的公式可以推广为这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。需要说明的是，这里利用的是物体在静止时受到重力的性质，如果物体同时也有运动加速度的话，那么这个公式将不再准确。所以必须为公式增加一个限制条件，即

硬件实现：采用mma8451q高精度重力加速度芯片进行测量，内部直接进行转换，iic数据通讯输出三个方向的加速度的值至mcu。

具体步骤为：

1)读取x、y、z轴的加速度ax，ay，az；

2)计算ax²+az²+ay²，如果这个平方和接近1g的平方，那么说明这组采样值是有效的，可以用来计算；否则将该采样值丢弃，重复第一步；

3)利用有效的采样值，通过开平方和反正切函数等数学计算，求出倾斜角度，

采样周期：默认60分钟，可以在30分钟到24小时内调整。

低功耗：电源使用寿命8年以上。

历史数据存储：30天。

电源类型：

高能电池：此处满足8年使用要求，高能电池容量需求稍大，传感器重量和体积相对需要增加。

光伏电池板+蓄电池：此组合为优选方案，利用绿色环保的太阳能能源对蓄电池进行充电，极大地降低了整个设备的重量和体积。

具体实施例

一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置，包括：角度采集芯片、mcu、nb-iot通讯模块、天线和远程服务器；所述角度采集芯片为三轴加速度传感器，测量加速度在x轴、y轴和z轴上的分量ax、ay、az，并将测量的加速度信息传输到mcu；所述mcu接收角度采集芯片传输的加速度信息，若ax、ay、az满足条件则通过公式计算杆塔倾角并将杆塔倾角值传输到nb-iot通讯模块；所述nb-iot通讯模块将接收到的杆塔倾角数据解析成无线信号，使用天线通过无线网络发送到远程服务器。

在此过程中，采用光伏电池板+蓄电池的模式为角度采集芯片、mcu和nb-iot通讯模块提供电源，在信息传输完成之后，mcu和nb-iot通讯模块进入睡眠模式，以降低功耗。当角度采集芯片有倾角数据需要发送时，mcu和nb-iot通讯模块唤醒工作。

本发明中使用的无线网络为nb-iot无线网络，包括发射端天线和接收端天线，还包括接收机和转换机，这部分网络可以由运营商搭建，节省中间开发环节。

本发明的目的就是通过使用最新的低功耗nb-iot通讯技术，结合mcu控制器的深度睡眠节能技术，达到整体测量装置的降功耗效果，从而解决输电杆塔测量装置有限的电源延长使用寿命的问题，同时通讯模块与服务器直连，简化了通讯架构。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种基于nb-iot网络通讯技术的低功耗杆塔倾角监测装置，杆塔的状态数据传输采用nb-iot无线通讯方式，nb-iot本身属于低功耗无线模式，结合通讯模块的睡眠唤醒实现降低功耗的目的。

进一步地，所述倾角监测装置有倾角数据需要发送时，nb-iot通讯模块唤醒工作，无数据需要发送时，nb-iot通讯模块睡眠以达到降功耗。

进一步地，所述倾角监测装置的角度采集由mcu控制器通过角度采集芯片定时读取获取，读取和发送数据动作完成后，mcu和角度采集芯片均进入睡眠工作模式以达到降低功耗的目的。

进一步地，所述倾角监测装置通过nb-iot通讯模块与远程服务器直接相连，减少其他无线局域网通讯方式的数据转发器，减少设备架构层次，增加了可靠性。

综上所述，本发明提出的一种基于nb-iot网络的杆塔倾角监测装置，通过使用低功耗的nb-iot通讯技术，结合mcu控制器的深度睡眠节能技术，达到整体测量装置的降功耗效果，从而解决输电杆塔测量装置功耗大、电源使用寿命短的问题，同时，通讯模块与服务器直连，简化了通讯架构。

以上的实施方式均为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利保护范围。任何本发明所属的技术领域的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，对本发明的内容所做的等效结构与等效步骤的变换均落入本发明要求保护的专利范围之内。