基于倾角传感器的移动通信铁塔形变预警系统

一、监测需求分析

3G、 4G 网络的大面积覆盖为人们提供了更为优质的通信服务， 为人们带来了极大的便利，而与此同时通信网络扩张所产生的问题也伴随而来。通信设备数量的增加，导致维护难度逐渐增大。维护不及时致使通信设备在遭受自然环境或人为因素的破坏后，得不到及时的修理，导致通信线路塔体发生倾斜、形变甚至倒塌，通信铁塔一旦倒塌将导致覆盖区域内通信中断，直接影响了通信网络的运行安全。近年来通信铁塔倒塌的事故日渐增多，严重影响了人们的日常生活。
    针对通信铁塔维护大多采用铅垂仪等人工方式进行简单检测，检查铁塔是否存在表面物理损坏，如铁塔倾斜、钢结构生锈或变形、螺丝松动、螺帽丢失等，粗浅层面的铁塔维护。工程师利用这些表面物理现象，简单判断铁塔的工作状态是否正常，这样不但效率低，而且并不能实施监测铁塔状态，做到铁塔倾斜的早期预测，并及时排除可能存在的安全隐患，以保证通信基站的正常运行。监测人员的不足以及检测手段的落后，导致往往出现较为严重的问题后，才进行事后补救处理。而铁塔倾斜造成的后果是非常严重的，会大大降低铁塔的使用年限，增加使用成本，严重的会造成局部的通信中断，因此，通信铁塔的维护方式急需进行改进。

智能传感器是 20 世纪 80 年代发展起来的一种新型传感器，融合了信息采集、处理、和交换的功能。由智能传感器组成的无线传感器网络，集无线通讯技术、传感器技术、计算机网络技术等于一体，作为近年来一项新兴的技术，给我们的生活方式带来革命性的变化。结合当下的技术发展，利用无线传感技术设计一种智能化的通信铁塔形变监测系统具有重要的现实意义。
    （1） 积累大量珍贵数据。通信铁塔形变监测预警节点，可以及时发现铁塔的倾斜和变形特点，并找出其垂直度的变化规律，提早预见存在故障的铁塔，使人为或自然现象导致的地面塌陷、铁塔倾斜、铁塔形变在早期就处于严密监控下。大量有效数据的积累为后期铁塔形变预警积累了宝贵的数据、经验，促使铁塔监测更为科学有效。
    （2） 减少巡视人员劳动强度。依照长期实时的监测数据，铁塔维护人员可以有目的对铁塔进行监测维护，缩小检测范围。并根据数据提前分析可能存在的问题，做到提前准备。

（3） 提高通讯网络的可靠性。传统的移动铁塔检测方法难以发现存在潜在问题的铁塔，常常是在铁塔倒塌后再进行补救，对通信网络的可靠性造成了严重的损害。铁塔形变监测系统，以监测为核心，当铁塔发生形变趋势的时候及早排查，大大降低了铁塔倒塌的可能。
    （4） 创造良好的社会效益。铁塔形变监测系统不仅可以应用于移动通信网络铁塔的监测预警，也可用于对电网铁塔、景观铁塔等设备的监测中，提高铁塔使用寿命，节省成本。

本文的目标是构建移动通信铁塔形变监测预警系统，通过在铁塔最容易形变的地方，放置垂直度传感器对铁塔形变进行实时监测，并将采集到的数据进行计算、分析，实时监控通信铁塔的工作状态，及时发现铁塔存在的安全隐患。系统还将铁塔工作状态数据和形变预警信号，传递至铁塔监控中心，方便相关人员进行实时监测、统计、分析，并以报警器、短信、电话等方式告知运维人员，从而实现精细化、预防性、综合集中控管的智能铁塔维护。

二、监测系统设计要点分析

铁塔形变检测系统是对移动铁塔进行健康监测，需要考虑监测节点的功耗、稳定性、抗恶劣环境等问题，同时需要提高设备的稳定性、易用性。 针对以上需求在系统设计过程中需要针对需求做出针对性的优化。 以下是对铁塔形变监测系统的需求分析：
（1）低功耗
    通信铁塔形变监测节点需适应在恶劣自然环境下的工作，较低的功耗可以提高铁塔形变监测节点环境适应性，并延长监测节点的使用寿命。特别是对于采用太阳能和锂电池供电方案的监测节点，如果功耗过大，可能导致监测节点在阴雨气候时因为得不到充足的电能而停止工作。
（2）抗侵袭
    通信铁塔形变监测节点安装地域广， 工作环境的复杂，可能遭受到如雨雪、雷电、大风、冰雹、电磁干扰等恶劣环境的影响。为了提高设备的环境适应性，在该倾角监测节点的设计中， 应考虑该仪表的防雨、防震、防雷击、防电磁干扰等因素。
（3）高可靠性
    该系统监测节点主要安装在户外的通信铁塔上，维护难度较大。因此铁塔形变监测系统的可靠性是非常重要的。无线倾角传感器需要牢固固定，并且不破坏铁塔的固有结构。 除此之外铁塔形变监测系统软件需要具较高的可靠性，并具有自动检测功能，以方便维护人员及时确定设备的故障点。有高可靠性是铁塔倾角监测系统的根本保障，失去了可靠性就等于设备失去了其可信性，失去了铁塔自动监控的意义。
（4）低成本
    由于通信铁塔形变监测装置将安装在通信铁塔上，配备数量大。如果开发成本过高，势必会在很大程度上影响它的推广应用，通信公司也无法投入大量资金在其中。因此在形变监测节点的开发过程中， 需要尽可能降低监测节点的成本。才能提高该检测系统的普及率。
（5）易用性
    铁塔形变监测系统需要提供便捷的服务，铁塔数据通过短信的方式将采集的数据信息发送到监控中心的计算机中，方便数据的汇总、比较。当数据出现问题时，通过短信电话等方式通知相关铁塔维护人员进行处理。铁塔数据要简单、直观、可靠便于分析。

三、系统设计目标

基于物联网技术的思路，设计、开发一套移动通信铁塔形变监测系统，实时监控通信铁塔的工作状态，及时发现铁塔存在的安全隐患，实现对铁塔实时、预防性和量化的维护。采用传感器采集铁塔的各项数据，同时将现场的监测数据传送到监控中心，并通过短信将存在问题的铁塔及相关数据发送给对应的维护人员，方便维护人员有重点的进行铁塔维修、维护。具体的建设目标有以下几点：
（1） 移动通信铁塔形变监测预警系统能够 24 小时实时监控铁塔状态信息。这对监控单元供电设计提出较高要求，需要监控单元能够长时间有效工作，功耗尽可能降低；
（2） 监控单元在极限高温和低温下能正常使用。由于在某些地区，通信铁塔所处区域会出现-40℃或 85℃的恶劣气候。因此，要求监控单元的工作温度范围为-40℃~85℃；
（3）监控单元能够高灵敏度的监测铁塔垂直度的变化，可根据对数据积累、分析，修改铁塔形变报警的各项标准。
（4） 如铁塔出现形变，以短信形式通知维护人员，短信内容简单明确，铁塔倾角数据易查询，方便维护人员快速找到形变铁塔问题所在。

四、系统设计架构图

系统架构图

五、系统组成

1、无线倾角传感器

wuxiiot传感的无线倾角传感器采用最先进的无线物联网技术——LORA技术，同时具有低功耗和长距离通信的特性，通信距离可达5km，传感器内置单/双通道地球引力倾斜单元，通过测量静态重力加速度，转换成倾角变化。从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜角度。能实时输出当前的姿态倾角。无线倾角传感器使用简单，是角度物理量检测和监测的理想选择，抗外界电磁干扰能力强、可适应在工业恶劣环境中长期工作。

产品特点

●  超低功耗，使用寿命＞10年@每小时采集并发送一组数据

●  长距离通信，相邻通信节点距离可达5km以上

●  无线自组网功能，传感器能够与LORA数据接收器自动完成组网，网络连通率高

●  外形小巧，重量轻，方便安装

 产品参数

2、LoRa数据接收器

wuxiiot传感的MMS-F-1000型LoRa数据接收器能为各种LoRa无线传感器提供网络路由，接收网络范围内所有传感器发送的数据，同时把接收到数据进行打包并通过USB接口传输给后台的解调软件，MMS-F-1000型LoRa数据接收器采用USB供电，使用方便，配合笔记本电脑和解调软件，非常适用于工程现场的临时数据采集和分析。

产品特点

●  长距离通信，网络覆盖半径可达5km以上

●  自动组网，无需现场配置

●  外形小巧，重量轻，使用方便

产品参数

3、监测软件