本發明涉及物聯網技術、傳感器技術和智能電網領域，更具體的說是涉及一種基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統。

背景技術：

輸電環節是智能電網中極為重要的環節，輸電線路狀態在線監測是輸電環節的重要應用，主要包括輸電線路氣象環境監測、導線溫度與弧垂監測、輸電線路風偏在線監測、絕緣子污穢監測和桿塔傾斜在線監測等方面。申請號為201410220767.5，公開號為103983306A《一種輸電線路在線監測系統》發明了一種有線方式的輸電線路在線監測系統，通過光纖與遠程控制中心通信，成本一般較高。申請號為201510289957.7，公開號為105024848A《一種基于無線傳感器網絡的智能電網信息管理系統》發明了一種基于無線傳感器網絡(WSN)的監測系統，但是WSN節點之間傳輸距離在100米以內，需要布置大量WSN節點自組網后才能傳輸更遠的距離，不僅增加了成本，而且會造成信息阻塞并產生較大時延。

技術實現要素：

本發明所要解決的問題是，克服上述背景技術的不足，提供一種成本低，傳輸距離遠，信息阻塞發生率低和時延短的基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是:

基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統，分為三層網絡，包括感知層、網絡層和應用層。所述感知層包括數據轉發模塊、桿塔狀態監測模塊和輸電線路狀態監測模塊；所述網絡層包括LoRa網關、移動通信塔；所述應用層包括監測中心。

所述桿塔狀態監測模塊放置于桿塔上，用于監測桿塔狀態，并將監測到的桿塔狀態信息打包成桿塔狀態數據包，按照RFID通信協議，傳輸到數據轉發模塊。

所述輸電線路狀態監測模塊放置于輸電線路上，用于監測輸電線路狀態，并將監測到的輸電線路狀態信息打包成輸電線路狀態數據包，按照RFID通信協議，傳輸到數據轉發模塊。

所述數據轉發模塊放置于桿塔頂端位置，用于接收來自桿塔狀態監測模塊傳輸過來的桿塔狀態數據包和輸電線路狀態監測模塊傳輸過來的輸電線路狀態數據包，并將桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包打包為輸電線設備第一數據包，并傳輸到LoRa網關。

所述LoRa網關放置在移動通信塔上，用于接收數據轉發模塊傳輸過來的輸電線設備第一數據包。

所述移動通信塔通過移動網絡與監測中心相連，用于將LoRa網關接收到的輸電線設備第一數據包打包成輸電線設備第二數據包，并按照TCP/IP協議，傳輸到監測中心。

進一步，所述數據轉發模塊包括第一MCU模塊、太陽能電池供電模塊、LoRa模塊和RFID閱讀器模塊。

所述太陽能電池供電模塊用于給第一MCU模塊、LoRa模塊和RFID閱讀器模塊提供能量。

所述RFID閱讀器模塊通過UART與第一MCU模塊相連，用于接收桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包。

所述第一MCU模塊將RFID閱讀器模塊接收到的桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包打包成輸電線設備第一數據包，并通過UART傳輸給LoRa模塊。

所述LoRa模塊通過UART與第一MCU模塊相連，采用基于擴頻技術的遠距離無線傳輸方案，將所述輸電線設備第一數據包傳輸到LoRa網關，傳輸距離可達15km。

進一步，所述桿塔狀態監測模塊包括第二MCU模塊、第一RFID標簽模塊、泄漏電流傳感器和傾角傳感器。

所述泄漏電流傳感器放置于輸電線路各相線絕緣子上，用于測量輸電線路各相線絕緣子的實時泄漏電流，不失一般性的，本發明中泄漏電流傳感器采用BNWXL-1泄漏電流傳感器芯片，通過I/O口與第二MCU模塊相連；

所述傾角傳感器用于實時測量桿塔傾角，不失一般性的，本發明中傾角傳感器采用單軸傾角傳感器SCA103T-D04芯片，通過I²C總線與第二MCU模塊相連；

所述第二MCU模塊通過內置ADC采集泄漏電流傳感器產生的輸電線路各相線絕緣子的實時泄漏電流信息，通過I²C總線讀取傾角傳感器的桿塔傾角信息并配置相關參數，并打包成桿塔狀態數據包傳輸給第一RFID標簽模塊；

所述第一RFID標簽模塊通過I²C總線與第二MCU模塊相連，按照RFID通信協議，將桿塔狀態數據包傳輸給數據轉發模塊。

進一步，所述輸電線路狀態監測模塊包括第三MCU模塊、第二RFID標簽模塊、溫度傳感器、加速度傳感器和風速風向傳感器。

所述溫度傳感器用于測量導線溫度，不失一般性的，本發明中溫度傳感器采用LM94021溫度傳感器芯片，通過I/O口與第三MCU模塊相連；

所述加速度傳感器用于實時測量導線垂直舞動和水平舞動幅值，不失一般性的，本發明中加速度傳感器采用三軸加速度傳感器ADXL346芯片，通過I²C總線與第三MCU模塊相連；

所述風速風向傳感器用于測量導線周圍微風振動幅值和頻率，不失一般性的，本發明中風速風向傳感器采用05103風速風向傳感器芯片，通過I/O口與第三MCU模塊相連；

所述第三MCU模塊通過內置ADC采集溫度傳感器產生的導線溫度信息和風速風向傳感器產生的導線周圍微風振動幅值和頻率信息，通過I²C總線讀取加速度傳感器的導線垂直舞動和水平舞動幅值信息并配置相關參數，并打包成輸電線路狀態數據包傳輸給第二RFID標簽模塊；

所述第二RFID標簽模塊通過I²C總線與第三MCU模塊相連，按照RFID通信協議，將輸電線路狀態數據包傳輸給數據轉發模塊。

本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統，包括感知層、網絡層和應用層三層網絡。狀態監測及數據轉發模塊采用了RFID和LoRa技術，不僅降低了成本，而且LoRa傳輸距離可達15km，不用自組網就能與LoRa網關直接通信，不會造成信息阻塞或在傳輸過程中產生時延。

附圖說明

圖1為本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統結構示意圖；

圖2為圖1所示數據轉發模塊的結構示意圖；

圖3為圖1所示桿塔狀態監測模塊的結構示意圖；

圖4為圖1所示輸電線路狀態監測模塊的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

參照圖1，本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統分為三層網絡，包括感知層、網絡層和應用層。所述感知層包括數據轉發模塊U1、桿塔狀態監測模塊U2和輸電線路狀態監測模塊U3；所述網絡層包括LoRa網關U4、移動通信塔U5；所述應用層包括監測中心U6。

數據轉發模塊U1放置于桿塔頂端位置，用于接收來自桿塔狀態監測模塊U2和輸電線路狀態監測模塊U3傳輸過來的桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包，并打包為輸電線設備第一數據包，并傳輸到LoRa網關U4。

桿塔狀態監測模塊U2放置于桿塔上，用于監測桿塔狀態，并將監測到的桿塔狀態信息打包成桿塔狀態數據包，按照RFID通信協議，傳輸到數據轉發模塊U1。

輸電線路狀態監測模塊U3放置于輸電線路上，用于監測輸電線路狀態，并將監測到的輸電線路狀態信息打包成輸電線路狀態數據包，按照RFID通信協議，傳輸到數據轉發模塊U1。

LoRa網關U4放置在移動通信塔U5上，用于接收數據轉發模塊U1傳輸過來的輸電線設備第一數據包。

移動通信塔U5通過移動網絡與監測中心U6相連，用于將LoRa網關U4接收到的輸電線設備第一數據包打包成輸電線設備第二數據包，并按照TCP/IP協議，傳輸到監測中心U6。

參照圖2，本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統的數據轉發模塊U1包括第一MCU模塊U11、太陽能電池供電模塊U12、LoRa模塊U13和RFID閱讀器模塊U14。

太陽能電池供電模塊U12用于給第一MCU模塊U11、LoRa模塊U13和RFID閱讀器模塊U14提供能量。

RFID閱讀器模塊U14通過UART與第一MCU模塊U11相連，用于接收桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包。

第一MCU模塊U11將RFID閱讀器模塊U14接收到的桿塔狀態數據包和輸電線路狀態數據包打包成輸電線設備第一數據包，并通過UART傳輸給LoRa模塊U13。

LoRa模塊U13通過UART與第一MCU模塊U11相連，采用基于擴頻技術的遠距離無線傳輸方案，將所述輸電線設備第一數據包傳輸到LoRa網關U4，傳輸距離可達15km。

參照圖3，本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統的桿塔狀態監測模塊U2包括第二MCU模塊U21、第一RFID標簽模塊U22、泄漏電流傳感器U23和傾角傳感器U24。

泄漏電流傳感器U23放置于輸電線路各相線絕緣子上，用于測量輸電線路各相線絕緣子的實時泄漏電流，不失一般性的，本發明中泄漏電流傳感器采用BNWXL-1泄漏電流傳感器芯片，通過I/O口與第二MCU模塊U21相連；

傾角傳感器U24用于實時測量桿塔傾角，不失一般性的，本發明中傾角傳感器采用單軸傾角傳感器SCA103T-D04芯片，通過I²C總線與第二MCU模塊U21相連；

第二MCU模塊U21通過內置ADC采集泄漏電流傳感器U23產生的輸電線路各相線絕緣子的實時泄漏電流信息，通過I²C總線讀取第二傾角傳感器U24的桿塔傾角信息并配置相關參數，并打包成桿塔狀態數據包傳輸給第一RFID標簽模塊U22；

第一RFID標簽模塊U22通過I²C總線與第二MCU模塊U21相連，按照RFID通信協議，將桿塔狀態數據包傳輸給數據轉發模塊U1。

參照圖4，本發明之基于RFID和LoRa的輸電線設備在線監測網絡系統的輸電線路狀態監測模塊U3包括第三MCU模塊U31、第二RFID標簽模塊U32、溫度傳感器U33、加速度傳感器U34和風速風向傳感器U35。

溫度傳感器U33用于測量導線溫度，不失一般性的，本發明中溫度傳感器采用LM94021溫度傳感器芯片，通過I/O口與第三MCU模塊U31相連；

加速度傳感器U34用于實時測量導線垂直舞動和水平舞動幅值，不失一般性的，本發明中加速度傳感器采用三軸加速度傳感器ADXL346芯片，通過I²C總線與第三MCU模塊U31相連；

風速風向傳感器U35用于測量導線周圍微風振動幅值和頻率，不失一般性的，本發明中風速風向傳感器采用05103風速風向傳感器芯片，通過I/O口與第三MCU模塊U31相連；

第三MCU模塊U31通過內置ADC采集溫度傳感器U33產生的導線溫度信息和風速風向傳感器U35產生的導線周圍微風振動幅值和頻率信息，通過I²C總線讀取加速度傳感器U35的導線垂直舞動和水平舞動幅值信息并配置相關參數，并打包成輸電線路狀態數據包傳輸給第二RFID標簽模塊U32；

第二RFID標簽模塊U32通過I²C總線與第三MCU模塊U31相連，按照RFID通信協議，將輸電線路狀態數據包傳輸給數據轉發模塊U1。