基于LoRa的變電站巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的設計

韓寅超,張 健,黃曉華

(1．南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2．江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院吳江分院，江蘇 蘇州215000)

1 引言

隨著國家大力發(fā)展電力科學技術，電網的建設運檢量越來越大、電力體制的改革也越來越深入，我國的電力系統(tǒng)的機械化、自動化、智能化程度正在大幅度地提升。變電站的巡視檢查制度是確保變電站設備正常安全運行的有效措施。目前變電站采用傳統(tǒng)的例行及特殊巡視、日常維護等工作，需要變電運行人員或操作隊班組成員定期去往各個變電站、配電站進行巡檢工作，用人工采集的方式收集大量數(shù)據(jù)，并且需要做很多繁瑣的周期性、重復性、機械性的工作。但是隨著電網建設的體量越來越大，變電站、配電站的數(shù)量愈發(fā)增多，這將會使得變電站、配電站日常工作增加很大的工作量[1-3]。針對以上問題需研發(fā)一款具有越障性能、低成本、結構緊湊、高效率的變電站巡檢機器人。搭載紅外熱成像攝像頭、高清運動攝像頭、音頻信號接收器等傳感器。能夠按照提前設定好的路線，對變電站內的設備進行拍照、測溫、聲音采集、功能性巡視。同時，還需要實現(xiàn)終端與嵌入式系統(tǒng)的無線通訊，使得巡檢人員能夠遠距離對設備進行控制、并分析終端所反饋的信息。

隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，萬物互聯(lián)時代的到來，對特定設備或物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管已逐漸走入人們的生活。LoRa 是近年來興起的一種專用于無線電調制解調的技術，LoRa 融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術，具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本、抗干擾特性，同時屬于低速率小數(shù)據(jù)傳輸。相比于4G 不需要經過云，同時也每個終端也不需要SIM 卡；相比藍牙、WIFI，又克服了傳輸距離短、需要環(huán)境支撐的缺點，適合變電站環(huán)境，故采用此技術作為通訊手段[4-5]。

2 系統(tǒng)總體設計

針對現(xiàn)有的變電站環(huán)境進行深度調研和分析，設計了變電站機器人系統(tǒng)，其機械結構如圖1所示，機器人底盤采用履帶擺臂式，履帶結構具有一定的越障能力，配合前端擺臂，能夠完成臺階的攀爬；云臺方面采用二自由度設計，配置紅外熱成像攝像頭和運動攝像頭，能夠實現(xiàn)全方位的視覺監(jiān)測和溫度感知。

控制系統(tǒng)設計如圖2所示，系統(tǒng)采用三層模型，分別為執(zhí)行層、控制層、傳輸層。執(zhí)行層分為運動驅動部分和傳感器部分，運動驅動器接收來自控制層傳來的調速信號和方向信號，對底盤和云臺進行物理層面的實際控制。傳感器部分捕捉溫度、位姿信息、前向距離、行進速率、磁條導軌偏移等信息，傳輸給控制層?？刂茖油ㄟ^運動驅動程序實現(xiàn)控制功能、通過傳感器接口獲取環(huán)境信息，并通過通訊模塊將必要的信息傳遞給終端。傳輸層包括LoRa數(shù)傳模塊和圖傳模塊，圖傳模塊獨立于嵌入式系統(tǒng)，將采集到的圖像傳送至終端處理。LoRa數(shù)傳模塊負責通訊交換數(shù)據(jù)，并調制解調無線信號。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件總體設計

監(jiān)控系統(tǒng)包括圖傳和數(shù)傳部分，存在數(shù)據(jù)量的區(qū)別，故分別使用兩套傳輸模塊，監(jiān)控系統(tǒng)硬件如圖3所示，移動機器人通過無線模塊將數(shù)據(jù)信號和圖像信號傳遞給終端的接收端，圖像信號因為數(shù)據(jù)量大，各個機器人需要配置獨立的圖傳接收模塊，并進行圖像信號處理，其中包括A/D信號轉換、分時傳輸?shù)?。最后經過視頻采集卡，通過USB接口傳輸給PC終端，數(shù)傳信號直接由LoRa DTU匯總通過COM口傳輸給PC。最終應用層協(xié)議會對其進行區(qū)分處理。

3.2 LoRa模塊原理

LoRa模塊采用SX1276芯片作為LoRaTM遠程調制解調器，可以實現(xiàn)超長距離的擴頻通訊，抗干擾能力強。分為電源電路、復位時鐘電路、射頻電路、接口電路。其中射頻電路為核心電路，如圖4所示，接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)是分開的，使用射頻開關PE4259 控制收發(fā)。在發(fā)射端，用電感電容匹配電路加一個橢圓濾波器，再進入射頻開關；接收端直接使用電感電容匹配電路，同時添加隔直電容。射頻開關后端使用一個三階的型濾波器，來除去發(fā)射的2次諧波、3次諧波和雜散，同時濾除從接收端來的干擾信號[6]。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)傳輸層的軟件部分主要包括協(xié)議實現(xiàn)、并發(fā)通訊、GUI界面交互。

4.1 協(xié)議實現(xiàn)

為區(qū)別從不同發(fā)射端來源以及不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，需在用戶層自定義協(xié)議，協(xié)議由協(xié)議包頭和數(shù)據(jù)和校驗碼組成。數(shù)據(jù)包如圖5所示，包頭由起始字節(jié)、機器人編號、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度組成。數(shù)據(jù)類型包括運動控制、控制信息反饋、環(huán)境變量反饋、shell 命令、心跳監(jiān)測等。機器人編號用于區(qū)分是哪一個機器人發(fā)來的命令。數(shù)據(jù)長度表示后部分數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)部分則作為參數(shù)傳入相應的模塊。校驗采用CRC校驗，實現(xiàn)通訊的檢錯，保證通訊穩(wěn)定性。

4.2 并發(fā)通訊

在機器人端的通訊過程中，如果在處理過程中有另一個指令到達，則需要同時處理兩個或多個指令。需要進行并發(fā)處理，并發(fā)IO方式有多進程編程、多線程編程、select、epoll[7]?？紤]到系統(tǒng)的資源占用和實時性。以多線程和epoll并用實現(xiàn)并發(fā)處理。

機器人端的通訊流程圖如圖5所示，首先主線程會進行一些初始化操作，然后創(chuàng)建定時匯報任務的線程，該任務啟動后就獨立運行，除同步機制外不受其他任務影響終止，直到系統(tǒng)失電。接著監(jiān)聽串口的讀緩沖區(qū)，采用epoll機制觸發(fā)式監(jiān)聽，當接收到數(shù)據(jù)后，首先通過起始字節(jié)和校驗位對接收到的數(shù)據(jù)進行幀劃分和可靠性檢驗，接著依次對劃分好的數(shù)據(jù)幀根據(jù)數(shù)據(jù)類型進行解析和機器人編號校對，對于編號不匹配的命令會忽略返回，如果編號匹配成功，會將數(shù)據(jù)分割并創(chuàng)建新的線程，代入數(shù)據(jù)執(zhí)行指定的任務。

這里reshell 功能為例，reshell 是一種遠程終端命令行的操作，是針對開發(fā)人員的功能，使開發(fā)人員不需要實地去連接控板調試程序，直接在上位機終端界面中即可調試更改Linux系統(tǒng)內部的程序，使用popen函數(shù)實現(xiàn)此功能。當識別命令的數(shù)據(jù)類型為COM_SHELL 時，創(chuàng)建一個新的線程運行此模塊，輸入數(shù)據(jù)幀中保存的字符串值，代入popen，popen 的返回值即為shell 命令的反饋字符串，將其拷貝至緩沖區(qū)，并打包成數(shù)據(jù)幀的格式，數(shù)據(jù)類型為MSG_SHELL，然后鎖上用以發(fā)送數(shù)據(jù)的互斥鎖發(fā)送數(shù)據(jù)，該鎖主要是實現(xiàn)同步的功能，即保證同一時間最多只能有一個線程使用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，避免同時發(fā)送數(shù)據(jù)產生的干擾，最后解除互斥鎖調用pclose，任務終止，線程退出。其他子線程任務的執(zhí)行過程也類似shell命令。

4.3 GUI界面交互

GUI 是終端軟件的主體部分，需要調用通訊模塊傳遞用戶的操作，并直觀顯示通訊模塊反饋回來的信息。本GUI界面采用MFC作為架構，采用VC++編程語言[8]，需要輸入相應密碼進行操作，密碼信息保存于嵌入式系統(tǒng)端，通過無線通訊傳輸后進行驗證，之后才能進行操作。界面上控件的功能包括控制底盤和云臺運動、磁條導航開關、通訊端口的開關、Linux reshell、雙目攝像的捕捉、拍照存儲、位姿速度前向測障等信息顯示。

5 監(jiān)控系統(tǒng)調試

在變電站巡檢監(jiān)控構建完畢后，在GUI界面（如圖6、圖7）首先測試Linux reshell 的實現(xiàn)，通過無線通訊，實現(xiàn)執(zhí)行shell命令，終端正常輸出反饋信息，通信成功。嵌入式系統(tǒng)端會將采集到的信息，如履帶速率、小車位姿等，同樣通過LoRa DTU傳輸過來，并定時刷新。使用自定義協(xié)議區(qū)分接收數(shù)據(jù)的類型。在圖像通訊方面，使用Open CV 庫函數(shù)讀圖并顯示于Picture 控件[9]，圖6中左像為運動攝像頭采集到的視覺圖像，右像為紅外熱成像攝像頭采集到的溫度信息轉化而成的云圖，并對中心和最值溫度進行了標注顯示。在運動控制方面，能夠手動控制機器人底盤及云臺的5個自由度，能夠設置預設速度從而對底盤的運動進行調速。并能夠選擇磁導航模式，機器人通過系統(tǒng)內部的磁條導航算法進行自動巡檢。

6 結束語

本系統(tǒng)將物聯(lián)網技術融入電網行業(yè)，采用了嵌入式技術、無線通訊技術以及計算機技術，實現(xiàn)了一套完備的變電站巡檢機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)執(zhí)行層負責實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機構的控制操作，控制層負責處理分析上下兩層傳送來的信息，傳輸層負責實現(xiàn)無線的數(shù)傳圖傳。除此以外，在PC 終端，開發(fā)了一套能夠數(shù)據(jù)處理并直觀顯示的GUI 程序，測試正常，系統(tǒng)操作界面簡單明了。針對用戶，實現(xiàn)了機器人運動控制，并能夠采集環(huán)境信息、遠程監(jiān)控；針對系統(tǒng)調試人員，能夠直接通過reshell進行遠程調試，具有較高的實用價值。