基于LoRa无线技术与MQTT通信协议的高压输电线路在线监测终端的设计与实现

摘要

高压输电线路作为智能电网的重要一环，它的运行状态关系着整个电网的安全稳定性，因此实现高压输电线路在线监测具有重要意义。随着智能电网与动态增容技术的发展，实现输电线路在线监测的大规模应用，符合智能电网对于输电线路的自动化、互动化、信息化的建设目标。目前输电线路在线监测产品的设计理念受当时技术与成本限制具有局限性，只实现了灾害多发区域的单点监测且无法组网形成监测系统，而且实际使用中，现有产品暴露出故障率高、难维护、通信成本高等问题。　　本文基于对上述问题的研究，设计了一套输电线路在线监测终端。该终端采用感应取电技术，具有维护简单、稳定性高、成本低等特点;线路部署上终端通过LoRa无线技术组成局域网，局域网汇聚数据后通过GPRS网络集中上传，有效降低了网络通信成本;广域网数据传输方面，终端与服务器的交互采用MQTT协议，并利用第三方提供的高性能MQTT服务，有效提高了监测系统的数据高并发能力。试验网络的稳定运行表明，该方案在输电线路大规模监测应用中是可行的。本文工作内容如下:　　1.根据“高压输电线路在线监测终端”项目的应用需求，详细分析了LoRa无线技术与MQTT协议的优缺点，论述了应用的可行性，并确定了终端的整体设计方案。　　2.硬件设计方面，首先基于终端感应取电的设计方案，完成了感应取电电路与电压调理电路的设计与实现。继而根据温度与弧垂的测量方案，完成了红外测温模块、倾角传感模块及处理器模块等硬件电路的开发。最后，对应于系统通信框架中的终端方案，完成了LoRa无线模块、GPRS通信模块的开发。　　3.软件设计方面，按照底层驱动、中间层服务、上层应用的顺序进行开发，遵循自顶向下的模块化设计思想。终端局域网方面，实现了基于IEEE802.15.4的LoRa无线星型组网;广域网通信方面，进行了基于Eclipse Paho的MQTT客户端协议的移植以及应用层策略的编写;设备软件维护方面，设计并实现了基于MQTT的程序升级及回滚功能;底层驱动方面，完成了相关传感器与通信模块驱动程序的开发。　　4.为了验证所开发终端的性能，本文介绍了相关设备在郑州电网输电线路上的运行情况。在将近一年的试运行过程中，终端局域网相关设备运行稳定，能够不间断的测量线路相关参数并上传给服务器，满足了系统对终端的相关设计需求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 课题来源

1．3 市场现状分析

1．4 论文内容与结构

2 总体方案设计

2．1 总体功能需求

2．2 终端总体架构设计

2．2．1 终端之间无线通信方式的选择

2．2．2 终端与服务器之间通信方式的选择

2．2．3 终端与服务器之间的应用层双向传输通信协议的选择

2．2．4 传感器选型与测量方式

2．2．5 数据存储相关

2．2．6 终端固件远程升级与回滚

2．3 硬件总体设计

2．4 软件总体设计

2．5 本章小结

3 高压输电线路在线监测终端的硬件设计与实现

3．1 系统硬件框图

3．2 微控制器最小系统

3．3 感应取电电路与电源电路

3．3．1 前级感应取电电路

3．3．2 电源电路

3．4 通信电路

3．4．1 LoRa通信电路

3．4．2 GPRS通信电路

3．5 GPS定位电路

3．6 传感器电路

3．7 PCB设计注意事项以及实现

3．8 本章小结

4 高压输电线路在线监测终端的软件设计与实现

4．1 软件系统开发环境搭建与基础功能的实现

4．1．1 开发环境的搭建

4．1．2 RTX操作系统移植

4．1．3 IAP BootLoader的设计与实现

4．2 驱动程序设计

4．2．1 LoRa驱动程序设计

4．2．2 GPRS驱动程序设计

4．2．3 存储器驱动程序设计

4．2．4 传感器驱动程序设计

4．2．5 GPS定位驱动程序

4．3 LoRa组网通信协议的设计与实现

4．4 MQTT协议移植

4．5 应用程序的设计

4．5．1 LoRa任务程序设计

4．5．2 数据采集程序设计

4．5．3 MQTT任务程序设计

4．5．4 GPRS任务程序设计

4．5．5 配置任务的实现

4．6 本章小结

5 高压输电线路在线监测终端的测试

6 总结与展望

参考文献

个人简历与研究成果

致谢