智慧路燈桿安全管家系統(tǒng)研制

王香玉，鐘煒俊，唐升，劉玉潔

（珠海城市職業(yè)技術學院，廣東珠海，519090）

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡建設大規(guī)模提速，各運營商積極部署5G基站建設，基站建設數(shù)量和密度成倍增加，建設難度也隨之提高，共享電力設備成為一種優(yōu)選且必然的解決方案。城市管理部門在進行城市規(guī)劃和建設時，將路燈桿作為一種公共資源，除沿用原有的路燈功能，還增加了外掛5G基站、安防攝像頭、無線WiFi、氣象采集、大氣環(huán)境檢測等設備。為了完成所述增加的功能，需要另外分配一組電源來給它們供電，與路燈電源分開，還需要增加設備安裝柜和桿上安裝位。這樣就會帶來兩個安全問題，第一由于增加了一組電源且一般來說設備安裝柜會處于燈桿的下部，連接線多設備多，存在因下雨或積水而引起漏電的風險，從而引發(fā)行人觸電。第二路燈桿上增加了設備箱、外掛桿后安裝更多的設備后負載重量增加，導致路燈桿的傾斜，而且這種智慧路燈桿一般安裝在繁華地區(qū)，桿子傾斜隨時會倒塌傷及過路行人。而具備上述安全隱患的路燈桿平時很難及時發(fā)現(xiàn)，只有在惡劣天氣情況下容易發(fā)生安全事故。然而，現(xiàn)有的電線桿安全排查工作仍然停留采用傳統(tǒng)方式，進行人工排查測量記錄，不僅費時費力，有時還查不出問題，而且無法實現(xiàn)實時監(jiān)控，一旦發(fā)生事故無法及時處理。

綜上，本項目主要圍繞智慧路燈桿如何實現(xiàn)實時監(jiān)控、智能預警等功能展開研究，提出智慧路燈桿安全管家解決方案。在智慧路燈桿的電源引入處增加漏電流、漏電壓的檢測，在路燈桿的垂直位置安裝高精度傳感器以檢測垂直度，利用以太網(wǎng)通信技術，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心服務器，發(fā)現(xiàn)問題及時報警，漏電時斷電保護，并上報信息到監(jiān)控中心，設備維護人員可以盡快修復處理，這樣可降低城市管理部門維護成本，提高工作效率和質(zhì)量，高效保障市民生命安全。

1 總體設計思路

智慧路燈桿安全管家系統(tǒng)的總體框圖設計如圖1所示，主要包括以下部分：智慧路燈桿體內(nèi)的安全監(jiān)測器、控制中心機房的服務器，以及檢修技術人員手持移動終端設備[3]。安全監(jiān)測器采集智慧路燈桿的工作參數(shù)，包括漏電流、漏電壓、傾斜角，然后利用有線通信網(wǎng)絡將監(jiān)測工作參數(shù)傳回到服務器管理平臺，管理人員通過電腦瀏覽器以Web方式登錄后臺管理系統(tǒng)，即可實時遠程監(jiān)測智慧路燈桿狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)設計主要分為硬件終端和應用軟件兩部分，其中硬件終端為智慧路燈桿安全監(jiān)測器，應用軟件部分包括上位機的管理系統(tǒng)以及客戶端的應用程序。本文主要探討智慧路燈桿安全監(jiān)測器研制。

2 安全監(jiān)測器硬件設計

安全監(jiān)測器是本系統(tǒng)核心主體，它主要由主控模塊STM32，傾斜角和漏電傳感器，以太網(wǎng)通信模塊，GPS模塊，以及電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 安全監(jiān)測終端硬件結構

2.1 主控模塊

主控模塊功能主要為采集路燈漏電和桿傾斜兩大安全指標數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。為滿足本系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗、高性能、可外拓功能的設計要求，主控芯片選用了意法半導體的STM32F407VET6，相對于STM32F1，主要優(yōu)勢如下[1]：

(1)更先進的內(nèi)核

STM32F4為Cortex M4內(nèi) 核，與Cortex M3內(nèi) 核 的STM32F1相比，還帶FPU和DSP指令集。

(2)更低的功耗

STM32F40x的功耗為238μA/MHz，而STM32F1高達421μA/MHz。

(3)更高的性能

STM32F4最高運行頻率可達168MHz，相當于FLASH零等待周期；而STM32F1只能到72MHz，且需要等待周期。

(4)更多的資源

STM32F4片內(nèi)SRAM為192KB，擁有攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高速OTG等。

(5)更強的外設功能

STM32F4的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度更快、ADC/DAC工作電壓更低、IO復用功能強大、USART和SPI通信速度更快。

2.2 傾斜角傳感器

路燈桿的傾斜角是指桿和豎直面的夾角。目前路燈桿傾斜度的測量方法有兩大類。一類采用經(jīng)緯儀測量，另一類采用光學測量的方法。經(jīng)緯儀測量，精度較差，容易受周圍環(huán)境以及人為因素影響。而光學測量雖然精度高，但成本高。而這兩種方式均需依賴人工操作，且都存在無法實現(xiàn)實時測量的弊端[2]。本項目采用三軸加速度的方法測量，無論坐標系如何轉(zhuǎn)動，重力加速度始終均指向地心，以重力加速度為參考，測量重力加速度在X、Y、Z三個軸上的重力分量，利用三角函數(shù)公式，可算出XY軸的平面與重力線的夾角為傾斜角，如圖3所示。

圖3 傾斜角測量原理

本項目三軸加速度傳感器選用了MMA8451Q，該款傳感器為智能低功耗三軸容性微機械數(shù)字加速度計，分辨率為14位，自帶智能低功耗控制，電流僅消耗6μA~165μA，通過編程控制可設置中斷節(jié)省整體功耗[3]。如圖4所示，MMA8451Q通過I2C接口與MCU通信，而且MMA8451Q體積小，非常符合本系統(tǒng)設計要求。

圖4 傾斜角傳感器電路原理圖

2.3 漏電傳感器

目前金屬燈桿的使用越來越普遍，而金屬燈桿的電氣部分（燈頭、燈泡、導線、接線端子、路燈附件（鎮(zhèn)流器、啟輝器、保險等）全部安裝在金屬燈桿上（或燈桿內(nèi)部）。由于種種原因?qū)е码姎饨^緣損壞或老化故障直接使得金屬燈桿桿體帶電。解決路燈漏電問題的方法多種多樣，本系統(tǒng)提出一種通過采集電氣運行參數(shù)對其進行檢測從而判斷是否參在路燈桿漏電故障的方法，電氣運行參數(shù)主要為漏電流。漏電流檢測擬采用開口式互感線圈獲取信號，如圖5所示。如果用電端有漏電，則火線零線中電流不相等，感應線圈中就能檢測到信號[4]，如圖6所示。經(jīng)放大器放大整理后送往主控模塊進行A/D處理，主控模塊根據(jù)設定的閾值來判斷報警以及漏電保護動作，通過參考標準《GB13955-2005》和《GB/T3805-2008》本系統(tǒng)對燈桿的漏電閾值設為30mA。為實現(xiàn)有效保護，電流互感器選擇檢測靈敏度小于5mA，遠小于漏電開關的動作電流。另外還可在電路回路中串個電阻，從而實現(xiàn)漏電壓的監(jiān)測。

圖5 開口式互感器

圖6 漏電傳感器測量原理

2.4 以太網(wǎng)通信模塊

主控芯片STM32F407VET6內(nèi)置一個10/100 MB以太網(wǎng)MAC控制器, 只需外加一個PHY芯片, 即可實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能[5]。本系統(tǒng)PHY芯片選擇SMSC公司生產(chǎn)的LAN8720A，它內(nèi)置10-BAST-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊, 支持10 Mbps和100 Mbps兩種傳輸速率。通過自協(xié)商的功能，可實現(xiàn)與目的主機最佳的連接方式，包括確定速度和傳輸模式。LAN8720A還支持Auto-MDIX自動翻轉(zhuǎn)功能,無需更換網(wǎng)線即可將連接更改為直連或交叉連接[6]。

LAN8720A作為STM32的以太網(wǎng)芯片，接口為簡化媒體獨立接口RMII, 其特點是信號線少，這樣就可占用較少的I/O，只再加上自帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45頭, 便可組成一個10/100 MB自適應網(wǎng)卡。圖7為LAN8720A硬件設計原理圖。

圖7 LAN8720A硬件設計原理圖

2.5 電源模塊

安全監(jiān)測終端采用5V電源適配器供電，由于系統(tǒng)主控芯片，PHY芯片等多處需要使用3.3V工作電壓，所以需要進行電壓轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片選用AMS1117-3.3，它是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器[7]，使用非常方便，只需將5V正極接到芯片的Vin,負極接到GND，那么Vout即可輸出3.3V電壓。AMS1117-3.3硬件電路原理圖如圖8所示。

圖8 AMS1117-3.3硬件設計原理圖

3 安全監(jiān)測器軟件設計

根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求，在安全監(jiān)測器硬件基礎上進行相應的軟件設計，主要包括在STM32F407VET6采集傾斜角和漏電傳感器數(shù)據(jù)信息，通過TCP/IP協(xié)議與上位機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。軟件總體設計框圖如圖9所示。由于TCP/IP協(xié)議龐大，不適用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[8]。本系統(tǒng)選用了LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)以太網(wǎng)的TCP/IP通訊。LwIP是瑞典計算機科學院開發(fā)的一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，具有功能完善、開源和占用內(nèi)容少等特點，它通過內(nèi)容共享方式使得“精簡版”的TCP/IP協(xié)議適用于資源有限的嵌入式系統(tǒng)[9]。由于篇幅受限，軟件各部分具體功能函數(shù)在此不作贅述。

圖9 安全監(jiān)測器軟件總體設計

4 系統(tǒng)測試

安全監(jiān)測器完成研制后，接入智慧路燈桿安全管家管理系統(tǒng)平臺，在廣東某生態(tài)小鎮(zhèn)進行了實驗。在PC或手機端輸入系統(tǒng)平臺的IP地址、正常登錄，即可進行相關的瀏覽及操作。查看9米4號桿監(jiān)控點，在系統(tǒng)中可以監(jiān)測到其具體地理位置，燈桿傾斜度為0.052°，桿體漏電壓為0.7V、漏電流為16mA，如圖10所示，從而判斷該桿體傾斜處于正常狀態(tài)，桿體有輕微漏電流。

圖10 系統(tǒng)實時監(jiān)測燈桿傾斜角、漏電壓、漏電流

另外本系統(tǒng)可以保留歷史數(shù)據(jù)，如若由漏電流超過告警閾值則會發(fā)出告警信息，從圖11中可以看出9米4號桿的歷史數(shù)據(jù)及趨勢圖，數(shù)據(jù)都處于紅線（告警閾值）范圍內(nèi)，其中漏電流平均約15mA，有輕微漏電。

圖11 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖

5 結語

本項目設計開發(fā)了一套基于STM32F407VET6和以太網(wǎng)通信模塊LAN8720的智慧路燈桿安全管家系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32F4處理后和傳輸?shù)铰酚善?，通過PC終端遠程采集智慧路燈桿安全工作參數(shù)，一旦有異常報警，城市管理部門可即刻進行處理，從而提升新型智慧城市數(shù)字化、智能化管理能力。經(jīng)運行測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)設計功能，性能指標達到預期目標。