示。
[0058] 本發(fā)明中所述的地磁角校正模塊采用電子指南針模塊HMC5883。UbloxNE0-6M。所 述的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊為S頂900A。所述的處理器模塊采用ARM處理器。本發(fā)明中所述的 環(huán)境實(shí)際溫度是通過溫度采集模塊采集的數(shù)據(jù)，溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字溫度傳感 器對(duì)聲速進(jìn)行修正。GPS定位模塊采用UbloxNE0-6MGPS輔助定位技術(shù)。微處理器現(xiàn)場(chǎng)采 集的風(fēng)速，風(fēng)向數(shù)據(jù)通過S頂900AGPRS模塊實(shí)時(shí)傳輸給主控室。超聲波探頭為40kHz收發(fā) 一體式防水型超聲波探頭。超聲波檢波芯片采用SONYCX20106 -體式檢波芯片。
[0059] 首先控制探頭A發(fā)射信號(hào)，探頭B接收信號(hào)；其次控制探頭B發(fā)射信號(hào)，探頭A接 收信號(hào)；再次控制探頭C發(fā)射信號(hào)，探頭D接收信號(hào)；最后控制探頭D發(fā)射信號(hào)，探頭C接收 信號(hào)。以上四個(gè)步驟循環(huán)分時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)X-Y軸方向的超聲波信號(hào)風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)。
[0060] 由于系統(tǒng)采用了 40kHz收發(fā)一體式防水型超聲波探頭TCRT-40,可以利用單片機(jī) 以系統(tǒng)軟件方式產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖波，利用六反相器74HC04作為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生高壓信號(hào)， R8，R9進(jìn)行電平的上拉，增加了信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度。硬件如圖2左所示，具體超聲波發(fā)射電路 如圖3所示。
[0061]為了正確捕捉到回波信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波-放大-濾波處理。在這里采用SONYCX20106 -體式檢波芯片，起到了很好的效果。硬件如圖2左所示。其中，Cl起到濾 除干擾雜波的作用，R4,C2構(gòu)成負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，決定接收信號(hào)增益倍數(shù)，C3為峰值檢波電 容，Rl為帶通濾波器中心頻率f〇的外部電阻，C4為積分電容。模塊連接關(guān)系以及超聲波 接收電路如圖4所示。
[0062]風(fēng)向與正北方向夾角的判斷可由式（6)來確定。如果由安裝人員在安裝時(shí)來反復(fù) 判斷安裝方向，無形中增加了工作量和數(shù)據(jù)誤差。本發(fā)明創(chuàng)新性的引入了電子指南針模塊 HMC5883,使得設(shè)備的安裝變的簡(jiǎn)單易行。風(fēng)向的判斷全部由程序解決。采用NE0-6M模塊 實(shí)現(xiàn)GPS定位。硬件如圖2左所示。
[0063]由于輸電線路距離較長(zhǎng)，不適合有線數(shù)據(jù)傳輸。采集并處理后的風(fēng)力、風(fēng)向數(shù)據(jù)， 均由GPRSS頂300A模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到主控室。在降低成本，提高可靠性的同時(shí)，也 使得布線困難的問題得到很好的解決?？紤]整機(jī)功耗，系統(tǒng)采用太陽能電池板充電加鋰電 池供電方式，每分鐘上傳一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件協(xié)議上采用格式為MODBUS的數(shù)據(jù)包，其余時(shí) 間整機(jī)進(jìn)入休眠模式，休眠時(shí)功耗小于5uA。硬件如圖2左所示。
[0064] 溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響是不可忽略的，因此采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器 對(duì)聲速進(jìn)行修正。該傳感器電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，精度較高。聲速隨溫度變化關(guān)系：硬件如 圖2左所不。
[0065] C= 331. 4+T/273 (7)；
[0066] 式（7)中，T為系統(tǒng)測(cè)試到的環(huán)境實(shí)際溫度，單位為°C;C為系統(tǒng)軟件計(jì)算得到的實(shí) 際聲速，單位為m/s。
[0067]單片機(jī)在發(fā)出8個(gè)40kHz發(fā)射探頭驅(qū)動(dòng)信號(hào)的瞬間，同時(shí)開啟定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng) 接收探頭接收到信號(hào)時(shí)，停止計(jì)時(shí)器。按照該思想，A探頭發(fā)射，B探頭接收，得到時(shí)間Tab; 然后由B探頭發(fā)射，A探頭接收，得到時(shí)間Tba。以此類推得到Tcd，Tdc。單片機(jī)再根據(jù)式 (5) - (7)進(jìn)行處理，最終通過GSM模塊上傳主控室，進(jìn)行顯示與記錄。
[0068]系統(tǒng)工作流程如圖5所示。上電后系統(tǒng)首先初始化，接下來控制發(fā)射探頭進(jìn)行發(fā) 射超聲波動(dòng)作，并且開系統(tǒng)軟件定時(shí)器，開系統(tǒng)外部中斷。當(dāng)接收探頭收到超聲波時(shí)，會(huì)引 起單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求。此時(shí)通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行定時(shí)器寄存器的讀取，判斷出超聲波傳 播的時(shí)間。并且根據(jù)讀取到的溫度值進(jìn)行聲速的校準(zhǔn)，通過公式得到當(dāng)前通道的風(fēng)速值。然 后再進(jìn)行下一通道風(fēng)速值的測(cè)試和換算。因此類推，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)偏的測(cè)試。再根 據(jù)地磁角等信息，得到當(dāng)前相對(duì)于正北方向的實(shí)際風(fēng)向信息。如果系統(tǒng)5秒鐘沒有系統(tǒng)沒 有得到風(fēng)速信息，則認(rèn)為系統(tǒng)探頭損壞，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，有較高的使用 價(jià)值與應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是：包括超聲波發(fā)射模塊，超聲 波接收電路模塊，處理器模塊，地磁角校正模塊及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中，超聲波發(fā)射模 塊和單片機(jī)PI.O引腳相連，超聲波接收電路模塊和單片機(jī)外部中斷P3. 2引腳相連，地磁角 校正模塊通過IIC總線形式和單片機(jī)IIC總線引腳P2. 0,P2. 1相連，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通 過異步通信總線和單片機(jī)的USART引腳P3.0，P3. 1相連；各模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送3G無線 數(shù)據(jù)到主控室，主控室的無線3G網(wǎng)絡(luò)接收模塊和計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)界面進(jìn)行上 傳數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是：所述 的地磁角校正模塊采用電子指南針模塊HMC5883，UbloxNEO-6M;所述的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 為S頂900A;所述的處理器模塊采用ARM處理器。3. 輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)方法，其特征是： 利用時(shí)差法進(jìn)行超聲波風(fēng)速測(cè)試，步驟如下：式中：L為兩只傳感器收發(fā)超聲信號(hào)的總路徑，S為兩只傳感器的直線距離；Tab為超聲 波信號(hào)從A探頭至B探頭順風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間，Tba為超聲波信號(hào)從B探頭至A探頭逆風(fēng)時(shí)的 傳播時(shí)間，C為聲速，m/s;v為風(fēng)速，m/s; 由式⑴和式⑵，推出某一方向風(fēng)速，如式⑶：設(shè)實(shí)際風(fēng)速為V，在X軸投影分量Vx，在y軸投影分量Vy，顯然有： V2=Vx2+Vy2 (4); 由式（3)得到實(shí)際風(fēng)速：其中，1^為超聲波信號(hào)從C探頭至D探頭順風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間，Td。為超聲波信號(hào)從D探 頭至C探頭逆風(fēng)時(shí)的傳播時(shí)間； 得到實(shí)際風(fēng)向：C= 331. 4+T/273 (7)； 式（7)中，T為系統(tǒng)測(cè)試到的環(huán)境實(shí)際溫度，單位為°C;C為系統(tǒng)計(jì)算得到的實(shí)際聲速， 單位為m/s; 單片機(jī)在發(fā)出8個(gè)40kHz發(fā)射探頭驅(qū)動(dòng)信號(hào)的瞬間，同時(shí)開啟定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)接 收探頭接收到信號(hào)時(shí)，停止計(jì)時(shí)器;A探頭發(fā)射，B探頭接收，得到時(shí)間Tab;然后由B探頭發(fā) 射，A探頭接收，得到時(shí)間Tba;以此類推得到TccUdc;單片機(jī)再根據(jù)式（5)-(7)進(jìn)行處理， 最終通過GSM模塊上傳主控室，進(jìn)行顯示與記錄。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)方法，其特征是：所述 的環(huán)境實(shí)際溫度是通過溫度采集模塊采集的數(shù)據(jù)，溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字溫度傳 感器對(duì)聲速進(jìn)行修正；所述的超聲波探頭為40kHz收發(fā)一體式防水型超聲波探頭，超聲波 檢波芯片采用SONYCX20106 -體式檢波芯片。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)方法，其特征是：所述 的控制探頭A首先發(fā)射信號(hào)，探頭B接收信號(hào)；其次控制探頭B發(fā)射信號(hào)，探頭A接收信號(hào)； 再次控制探頭C發(fā)射信號(hào)，探頭D接收信號(hào)；最后控制探頭D發(fā)射信號(hào)，探頭C接收信號(hào)，以 上四個(gè)步驟循環(huán)分時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)X-Y軸方向的超聲波信號(hào)風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)方法，其特征是：所述 的監(jiān)測(cè)方法操作流程如下： 上電后系統(tǒng)首先初始化，接下來控制發(fā)射探頭進(jìn)行發(fā)射超聲波動(dòng)作，并且開系統(tǒng)定時(shí) 器，開系統(tǒng)外部中斷； 當(dāng)接收探頭收到超聲波時(shí)，會(huì)引起單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求； 此時(shí)通過系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)器寄存器的讀取，判斷出超聲波傳播的時(shí)間； 并且根據(jù)讀取到的溫度值進(jìn)行聲速的校準(zhǔn)，通過公式得到當(dāng)前通道的風(fēng)速值； 然后再進(jìn)行下一通道風(fēng)速值的測(cè)試和換算； 以此類推，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)偏的測(cè)試； 再根據(jù)地磁角等信息，得到當(dāng)前相對(duì)于正北方向的實(shí)際風(fēng)向信息； 如果系統(tǒng)5秒鐘沒有系統(tǒng)沒有得到風(fēng)速信息，則認(rèn)為系統(tǒng)探頭損壞，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力行業(yè)輸電線路檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輸電線路超聲波自校正風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明包括超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收電路模塊，處理器模塊，地磁角校正模塊及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輸電線路風(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，具有免維護(hù)，功耗低，精度高，安裝使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛用在輸電線路監(jiān)測(cè)環(huán)境中。同時(shí)還可以避免安裝時(shí)需要反復(fù)確定定標(biāo)方向的缺點(diǎn)，減輕了施工人員工作量，且增加了校準(zhǔn)的精度。采用溫度傳感器進(jìn)行聲速校正，GPS輔助定位技術(shù)，增加了測(cè)試點(diǎn)的可靠性。便于電力維護(hù)人員對(duì)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)工況做出及時(shí)反應(yīng)。本發(fā)明具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。
【IPC分類】G01P13/02, G01P5/24
【公開號(hào)】CN105223380
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510675772
【發(fā)明人】李佳奇, 劉松, 杜威, 趙野, 趙義松
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月19日