基于物联网的杆塔倾斜在线监测系统

摘要：杆塔倾斜是一个常见的问题，可能会导致安全隐患和设备损坏。为了及时监测和预防这一问题，基于物联网的杆塔倾斜在线监测系统应运而生。该系统通过在杆塔上安装倾斜传感器，实时监测杆塔的倾斜角度，并利用物联网技术将监测数据传输至后台服务器进行实时分析和处理。一旦发现杆塔倾斜超出安全范围，系统会立即发出警报，提醒相关人员及时处理，以避免事故的发生。这一系统的出现大大提高了杆塔的安全性和稳定性，为电力行业的发展提供了有力支持，相信在保障电力设施安全运行方面具有广阔的应用前景。

关键词：杆塔倾斜；系统需求；功能实现；数据采集

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）05-0094-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

我国地理分布广泛，地质条件复杂多样，输电线路多采用架空线路形式。电力杆塔倾斜、沉降问题日益突出，严重威胁着输电线路和通信网络的安全[1]。传统的杆塔倾斜监测方式往往存在监测不及时、数据不准确等问题，无法满足电网运行安全的要求。因此，基于物联网的杆塔倾斜在线监测系统应运而生。该系统通过结合传感器、通信模块和数据处理设备等智能硬件设备，实现对杆塔倾斜角度、变化趋势等数据的实时采集和分析，帮助电力企业有效管理和维护输电线路设施，确保电网运行安全稳定。

1 系统需求分析

1.1 系统性能需求

杆塔是电力输电线路的重要组成部分，其倾斜可能导致线路故障甚至倒塔，给电网运行带来严重的安全隐患。系统的主要功能是实时监测杆塔的倾斜情况并及时报警。为满足这一要求，系统须具备以下性能。

高精度监测能力：杆塔倾斜是微小的变化，但可能对电网安全产生重大影响。因此，监测系统需要能够实时准确地监测杆塔的倾斜角度，并及时发出预警信号。

高可靠性和稳定性：监测系统须具备高可靠性的硬件设备和稳定的软件系统，能在恶劣环境条件下正常运行，并持续稳定地监测杆塔的倾斜情况。

高效的数据处理和分析能力：杆塔倾斜在线监测系统会产生大量监测数据。系统须具备高效的数据处理和分析算法，能实时处理和分析监测数据，并进行预警处理。

1.2 系统技术需求

系统需将采集到的杆塔倾斜角度等数据实时传输至后台进行分析处理，为管理人员提供决策依据。系统功耗需≤1W，并支持扩展多种传感器接入，包括风力、温度、外力破坏、山火等各种检测。杆塔倾斜角度的准确性要求如下。

杆塔顺线倾斜角范围在±10°内，精度≤±0.05°。

杆塔横向倾斜角范围在±10°内，精度<±0.05°。

当杆塔倾斜角度出现异常时，系统须及时发送预警信息。

1.3 系统整体性需求

为提供良好的用户体验，系统须满足以下整体性需求：支持在线用户数量200万；平稳运行时间7×24小时；系统页面打开时间低于2秒；CPU使用率小于75%。

2 系统结构设计

本项目开发的杆塔倾斜在线监测系统采用基于MEMS技术[2]的高性能三维运动姿态测量系统，实现三维姿态倾角测量。结合物联网技术，实现杆塔倾斜远程在线监测系统。该系统可应用于电力输配电网、城市建设等场景，有效监测杆塔的倾斜情况，及时发现问题并采取措施，保障电力设施的安全运行。图1 为系统总体结构图。

感知层：负责实时采集杆塔的倾斜角度、环境温度、风速等数据。感知层可根据实际需求灵活部署各类传感器节点，如倾斜传感器、温度传感器、风速传感器、振动传感器、图像传感器等。

网络层：负责将感知层采集的数据传输至云平台。网络层可选择不同的通信方式，如NB-IoT、Lo⁃RaWAN、GPRS等，以适应不同的应用场景。

应用层：负责数据的存储、分析、展示，并提供报警信息推送、用户管理、系统配置等功能。应用层可基于Web开发，便于用户通过浏览器访问系统。

感知层与网络层之间可使用LoRa、ZigBee等短距离无线通信技术，网络层与应用层之间可使用GPRS、4G、5G等移动通信技术或以太网等有线通信技术。

2.1 硬件设计

系统下位机分为三部分：MCU 单元、NB-IoT 模组[3]和倾角测量单元。角度传感器能采集杆塔倾角数据，并通过NB-IoT上传，同时能执行下发命令。终端的主控程序在Keil MDK嵌入式开发环境下进行编程和调试。图2为产品实物图。

MCU控制程序是杆塔状态监测的主导模块，负责终端的定时唤醒、休眠等所有功能的控制和调配，通过协调各控制模块使终端正常运行。设备上电后先进行自检，通信正常时由传感器采集参数并发送至监控中心，当测量值超过阈值时发送报警信息。网络消息接收模块负责接收云端发来的信息，系统收到消息后通过消息处理模块对命令进行数据解析、保存和执行。

在信息处理模块中，可通过平台下发指令，远程控制设备监测状态，调整监测时长间隔和触发值等信息，根据实际环境灵活配置。

2.2 软件设计

云平台管理由设备中心、数据监测、警报模块、用户管理、系统管理5个模块组成。结构图如图3所示。在数据监测模块中，可查看设备的前后倾斜角度、水平倾斜角度；在报警模块中，有平台警报和短信警告两种方式，可设置接收警告短信的接收人，并查看终端上传的所有警告信息；在设备中心模块中，可录入、删除、修改设备信息，灵活实现终端的接入和移除。通过云平台管理与终端建立连接，在云平台管理界面输入终端设备的IMEI、IMSI号码进行信息识别，并由云平台管理向终端设备分配指定ID，最后通过通信调试，完成数据的正常传输。图3为云产品结构图。

3 系统功能实现

3.1 硬件功能实现

3.1.1 数据采集部分

倾角测量单元采用双轴倾角传感器SCA100TD02实现倾角检测。其工作原理基于微机电系统（MEMS） 技术，通过内部的加速度计来检测物体在X 轴和Y轴方向上的加速度变化，从而计算出物体相对于水平面的倾斜角度。通过使用双轴倾角传感器，用户可以实时监测物体的倾斜状态，提高生产效率和安全性[4-5]。SCA100T-D02的角度信息以11位数字量形式输出，其数字量与角度的关系为：

α = arcsin Dout - Doffset／sensitivity

式中：α为检测的角度；Dout 为X或Y方向的输出数字量;Doffset 为 0°时输出的数字偏移量，标称值为1024；sensitivity 为灵敏度对应的数字量，标称值为819。

3.1.2 系统通信部分

系统采用4G通信模块进行系统通信，MCU先发出寄存器指针和传感器地址，由MCU读取传感器存储单元的测量值，将结果存于存储单元并通过串口传递至4G模块。设备采集数据过程中，首先是传感器采集数据，MCU处理数据，数据由设备通过串口，发送数据到4G通信模块模组。4G通信接收到指令后，通过MQTT协议发送给事先配置的物联网平台，接着应用服务器与物联网平台数据交互获取数据。

3.2 软件功能实现

监控面板如图4、图5所示，监控面板中显示有设备总数量、设备在线数量和设备离线数量，还能通过模块的内嵌地图显示面板查看设备所在具体位置。

设备管理模块是对终端设备管理，当有新的设备，需要将新设备的信息录入后台才能实现实时监测。在本平台，如图6设备中心模块面板可以录入、删除或者修改终端设备信息；在本模块中还能设置报警人，对操作人员进行授权。同时，阈值管理功能允许在后台手动设置阈值，以实现不同环境下的灵活控制。

数据管理模块中，可以查看年、月、日的杆塔倾斜角度的报表，图7是部分曲线的变化，在界面的左侧是表格样式的数据，可以看到是具体哪个时间段杆塔倾斜角度的具体数值。右侧是曲线图，通过曲线图可以更加直观看到随着杆塔摇摆产生的角度变化。

4 系统优势

1） 杆塔倾斜在线监测系统可实现实时监测。该系统采用现代化的监测设备，能够实时监测杆塔的倾斜情况，显著提高了监测的准确性和及时性。

2） 杆塔倾斜在线监测系统具有高度自动化特点。相较于传统需要人工干预的监测方法，在线监测系统能够自动进行监测和数据采集，有效提升了监测的可靠性和稳定性。

3） 杆塔倾斜在线监测系统还具备数据分析和预警功能。系统能够对采集到的数据进行分析和处理，通过算法识别出潜在的倾斜风险，并及时发出预警信号。

4） 杆塔倾斜在线监测系统采用基于3D-MEMS技术的高精度双轴倾角传感器芯片，该芯片能够精确测量物体的倾角，测量精度可达0.01度。同时，它能在恶劣环境下稳定工作，不易受到外界干扰。

5） 杆塔倾斜在线监测系统底端数据传输采用4G 通信模块技术，该技术具有高速数据传输能力、低延迟特性、广泛覆盖范围和稳定性，并支持大规模设备连接。选择4G通信模块作为通信方式，并结合程序设计，预计能够满足系统5年的工作时长需求。

5 结束语

随着物联网技术的快速发展和普及，各行各业都在积极探索如何利用物联网技术提高生产效率、降低成本、改善服务质量。在电力行业，杆塔倾斜是一个常见且十分重要的问题，因为杆塔倾斜可能导致电力设备损坏，甚至引发安全事故。本文研究的杆塔倾斜在线监测系统具有诸多优势：系统可实现全天候、全方位的监测，不受时间和空间的限制；能够实时传输和分析数据，提供及时准确的监测结果；还可实现远程控制和智能化管理，为电力设备的维护和管理带来便利。

未来，基于物联网的杆塔倾斜在线监测系统具有广阔的发展前景。随着物联网技术的不断成熟和应用，监测系统的性能将不断提升，监测数据的精度和准确性将进一步提高，系统的稳定性和可靠性也将得到增强。同时，监测系统还可与其他智能设备和系统进行集成，实现更加智能化的监测和管理，为电力行业的发展注入新的活力。

参考文献：

[1] 江星华，万东.电力杆塔倾角和沉降状态组网监测系统设计[J].物联网技术，2024，14（4）：43-45.

[2] 许祥.基于MEMS的边坡振动与倾角监测技术研究[D].济南：齐鲁工业大学，2024.

[3] 安成名.基于国密算法的一体化NB-IoT安全通讯模组[Z].深圳：深圳市燃气集团股份有限公司， 2021-04-17.

[4] 陆仲达，梁春旭，徐凤霞.基于远距离无线电和窄带物联网的杆塔姿态监测系统[J].科学技术与工程，2023，23（12）： 5118-5128.

[5] 孙建鹏.基于LoRa无线网络通信技术的输电杆塔倾斜监测系统设计[D].哈尔滨：东北农业大学，2023.

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