基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统的制作方法

本发明涉及物联网技术、传感器技术和智能电网领域，更具体的说是涉及一种基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统。

背景技术：

输电环节是智能电网中极为重要的环节，输电线路状态在线监测是输电环节的重要应用，主要包括输电线路气象环境监测、导线温度与弧垂监测、输电线路风偏在线监测、绝缘子污秽监测和杆塔倾斜在线监测等方面。申请号为201410220767.5，公开号为103983306A《一种输电线路在线监测系统》发明了一种有线方式的输电线路在线监测系统，通过光纤与远程控制中心通信，成本一般较高。申请号为201510289957.7，公开号为105024848A《一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理系统》发明了一种基于无线传感器网络(WSN)的监测系统，但是WSN节点之间传输距离在100米以内，需要布置大量WSN节点自组网后才能传输更远的距离，不仅增加了成本，而且会造成信息阻塞并产生较大时延。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种成本低，传输距离远，信息阻塞发生率低和时延短的基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是:

基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统，分为三层网络，包括感知层、网络层和应用层。所述感知层包括数据转发模块、杆塔状态监测模块和输电线路状态监测模块；所述网络层包括LoRa网关、移动通信塔；所述应用层包括监测中心。

所述杆塔状态监测模块放置于杆塔上，用于监测杆塔状态，并将监测到的杆塔状态信息打包成杆塔状态数据包，按照RFID通信协议，传输到数据转发模块。

所述输电线路状态监测模块放置于输电线路上，用于监测输电线路状态，并将监测到的输电线路状态信息打包成输电线路状态数据包，按照RFID通信协议，传输到数据转发模块。

所述数据转发模块放置于杆塔顶端位置，用于接收来自杆塔状态监测模块传输过来的杆塔状态数据包和输电线路状态监测模块传输过来的输电线路状态数据包，并将杆塔状态数据包和输电线路状态数据包打包为输电线设备第一数据包，并传输到LoRa网关。

所述LoRa网关放置在移动通信塔上，用于接收数据转发模块传输过来的输电线设备第一数据包。

所述移动通信塔通过移动网络与监测中心相连，用于将LoRa网关接收到的输电线设备第一数据包打包成输电线设备第二数据包，并按照TCP/IP协议，传输到监测中心。

进一步，所述数据转发模块包括第一MCU模块、太阳能电池供电模块、LoRa模块和RFID阅读器模块。

所述太阳能电池供电模块用于给第一MCU模块、LoRa模块和RFID阅读器模块提供能量。

所述RFID阅读器模块通过UART与第一MCU模块相连，用于接收杆塔状态数据包和输电线路状态数据包。

所述第一MCU模块将RFID阅读器模块接收到的杆塔状态数据包和输电线路状态数据包打包成输电线设备第一数据包，并通过UART传输给LoRa模块。

所述LoRa模块通过UART与第一MCU模块相连，采用基于扩频技术的远距离无线传输方案，将所述输电线设备第一数据包传输到LoRa网关，传输距离可达15km。

进一步，所述杆塔状态监测模块包括第二MCU模块、第一RFID标签模块、泄漏电流传感器和倾角传感器。

所述泄漏电流传感器放置于输电线路各相线绝缘子上，用于测量输电线路各相线绝缘子的实时泄漏电流，不失一般性的，本发明中泄漏电流传感器采用BNWXL-1泄漏电流传感器芯片，通过I/O口与第二MCU模块相连；

所述倾角传感器用于实时测量杆塔倾角，不失一般性的，本发明中倾角传感器采用单轴倾角传感器SCA103T-D04芯片，通过I²C总线与第二MCU模块相连；

所述第二MCU模块通过内置ADC采集泄漏电流传感器产生的输电线路各相线绝缘子的实时泄漏电流信息，通过I²C总线读取倾角传感器的杆塔倾角信息并配置相关参数，并打包成杆塔状态数据包传输给第一RFID标签模块；

所述第一RFID标签模块通过I²C总线与第二MCU模块相连，按照RFID通信协议，将杆塔状态数据包传输给数据转发模块。

进一步，所述输电线路状态监测模块包括第三MCU模块、第二RFID标签模块、温度传感器、加速度传感器和风速风向传感器。

所述温度传感器用于测量导线温度，不失一般性的，本发明中温度传感器采用LM94021温度传感器芯片，通过I/O口与第三MCU模块相连；

所述加速度传感器用于实时测量导线垂直舞动和水平舞动幅值，不失一般性的，本发明中加速度传感器采用三轴加速度传感器ADXL346芯片，通过I²C总线与第三MCU模块相连；

所述风速风向传感器用于测量导线周围微风振动幅值和频率，不失一般性的，本发明中风速风向传感器采用05103风速风向传感器芯片，通过I/O口与第三MCU模块相连；

所述第三MCU模块通过内置ADC采集温度传感器产生的导线温度信息和风速风向传感器产生的导线周围微风振动幅值和频率信息，通过I²C总线读取加速度传感器的导线垂直舞动和水平舞动幅值信息并配置相关参数，并打包成输电线路状态数据包传输给第二RFID标签模块；

所述第二RFID标签模块通过I²C总线与第三MCU模块相连，按照RFID通信协议，将输电线路状态数据包传输给数据转发模块。

本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统，包括感知层、网络层和应用层三层网络。状态监测及数据转发模块采用了RFID和LoRa技术，不仅降低了成本，而且LoRa传输距离可达15km，不用自组网就能与LoRa网关直接通信，不会造成信息阻塞或在传输过程中产生时延。

附图说明

图1为本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统结构示意图；

图2为图1所示数据转发模块的结构示意图；

图3为图1所示杆塔状态监测模块的结构示意图；

图4为图1所示输电线路状态监测模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统分为三层网络，包括感知层、网络层和应用层。所述感知层包括数据转发模块U1、杆塔状态监测模块U2和输电线路状态监测模块U3；所述网络层包括LoRa网关U4、移动通信塔U5；所述应用层包括监测中心U6。

数据转发模块U1放置于杆塔顶端位置，用于接收来自杆塔状态监测模块U2和输电线路状态监测模块U3传输过来的杆塔状态数据包和输电线路状态数据包，并打包为输电线设备第一数据包，并传输到LoRa网关U4。

杆塔状态监测模块U2放置于杆塔上，用于监测杆塔状态，并将监测到的杆塔状态信息打包成杆塔状态数据包，按照RFID通信协议，传输到数据转发模块U1。

输电线路状态监测模块U3放置于输电线路上，用于监测输电线路状态，并将监测到的输电线路状态信息打包成输电线路状态数据包，按照RFID通信协议，传输到数据转发模块U1。

LoRa网关U4放置在移动通信塔U5上，用于接收数据转发模块U1传输过来的输电线设备第一数据包。

移动通信塔U5通过移动网络与监测中心U6相连，用于将LoRa网关U4接收到的输电线设备第一数据包打包成输电线设备第二数据包，并按照TCP/IP协议，传输到监测中心U6。

参照图2，本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统的数据转发模块U1包括第一MCU模块U11、太阳能电池供电模块U12、LoRa模块U13和RFID阅读器模块U14。

太阳能电池供电模块U12用于给第一MCU模块U11、LoRa模块U13和RFID阅读器模块U14提供能量。

RFID阅读器模块U14通过UART与第一MCU模块U11相连，用于接收杆塔状态数据包和输电线路状态数据包。

第一MCU模块U11将RFID阅读器模块U14接收到的杆塔状态数据包和输电线路状态数据包打包成输电线设备第一数据包，并通过UART传输给LoRa模块U13。

LoRa模块U13通过UART与第一MCU模块U11相连，采用基于扩频技术的远距离无线传输方案，将所述输电线设备第一数据包传输到LoRa网关U4，传输距离可达15km。

参照图3，本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统的杆塔状态监测模块U2包括第二MCU模块U21、第一RFID标签模块U22、泄漏电流传感器U23和倾角传感器U24。

泄漏电流传感器U23放置于输电线路各相线绝缘子上，用于测量输电线路各相线绝缘子的实时泄漏电流，不失一般性的，本发明中泄漏电流传感器采用BNWXL-1泄漏电流传感器芯片，通过I/O口与第二MCU模块U21相连；

倾角传感器U24用于实时测量杆塔倾角，不失一般性的，本发明中倾角传感器采用单轴倾角传感器SCA103T-D04芯片，通过I²C总线与第二MCU模块U21相连；

第二MCU模块U21通过内置ADC采集泄漏电流传感器U23产生的输电线路各相线绝缘子的实时泄漏电流信息，通过I²C总线读取第二倾角传感器U24的杆塔倾角信息并配置相关参数，并打包成杆塔状态数据包传输给第一RFID标签模块U22；

第一RFID标签模块U22通过I²C总线与第二MCU模块U21相连，按照RFID通信协议，将杆塔状态数据包传输给数据转发模块U1。

参照图4，本发明之基于RFID和LoRa的输电线设备在线监测网络系统的输电线路状态监测模块U3包括第三MCU模块U31、第二RFID标签模块U32、温度传感器U33、加速度传感器U34和风速风向传感器U35。

温度传感器U33用于测量导线温度，不失一般性的，本发明中温度传感器采用LM94021温度传感器芯片，通过I/O口与第三MCU模块U31相连；

加速度传感器U34用于实时测量导线垂直舞动和水平舞动幅值，不失一般性的，本发明中加速度传感器采用三轴加速度传感器ADXL346芯片，通过I²C总线与第三MCU模块U31相连；

风速风向传感器U35用于测量导线周围微风振动幅值和频率，不失一般性的，本发明中风速风向传感器采用05103风速风向传感器芯片，通过I/O口与第三MCU模块U31相连；

第三MCU模块U31通过内置ADC采集温度传感器U33产生的导线温度信息和风速风向传感器U35产生的导线周围微风振动幅值和频率信息，通过I²C总线读取加速度传感器U35的导线垂直舞动和水平舞动幅值信息并配置相关参数，并打包成输电线路状态数据包传输给第二RFID标签模块U32；

第二RFID标签模块U32通过I²C总线与第三MCU模块U31相连，按照RFID通信协议，将输电线路状态数据包传输给数据转发模块U1。