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摘要：输配电线路走廊内植被生长侵犯线路空间是线路维护中存在的普遍问题，是造成线路故障的主要原因之一，常用高枝剪（锯）存在工具笨重、操作费力、工作强度大、有触电隐患等缺陷。因此设计并制作一款新型电动高枝剪，该高枝剪延长杆采用高等级绝缘杆制作，绝缘等级可达10 kV，长度可达6 m，以STM32单片机为主控芯片，采用蓝牙无线模式遥控高枝剪动作，通过WiFi进行视频传输。经实验测试，该高枝剪具有实时查看工作面状况（必要时可全程录像）、全绝缘、质量轻、操作方便省力且安全可靠等优点。能有效帮助工作人员精准定位修剪树枝，减轻了工作强度，提高了工作效率及安全性，能有效地保护作业人员人身安全及电力作业的顺利进行，具有很好的推广价值。
关键词：高枝剪；无线视频传输；高压绝缘；遥控
0引言
树障隐患是输电线路运行管理中面临的重要问题之一，近年来因树障隐患导致输电线跳闸事故层出不穷[1]。对架空电力线路通道定期进行树木修剪是线路运行维护的一项主要工作[2]，据不完全统计，每年的电力线路维护树木修剪工作量要占线路维护总工作量的30%以上。如何安全、高效、快捷地进行树木修剪是线路维护领域一项重要研究问题。目前采取的措施是人工爬树修剪或者相关作业车辆辅助人工修剪[3]：如利用普通高枝剪修剪，或工作人员攀登树上利用绿化修剪工具进行修剪，或采用**进行登高作业修剪。主要存在以下问题：（1）攀登树木尤其是竹子非常困难，作业存在安全隐患，同时修剪过程存在不可控因素，有时会造成修剪枝杈掉落线路周围放电或短路；（2）普通高枝剪，修剪高度不足，无法直观察看剪切工作面，而且大多通过人力剪切树枝，劳动强度大，工具较笨重，绝缘安全性能没有保障，携带也不方便；（3）**比较笨重，需人员辅助扶持，浪费人力，不易携带，地形适应性差。
为了解决上述问题，国内外都研制了相关的机械及设备。早期研究主要基于单一修剪工具的研究主要围绕修改工具机械原理本身。美国安达略水力发电厂开发的一种修剪树木的机器人系统，通过手动控制器遥控架空装置末端的锯片对树枝进行修剪作业，使作业人员远离这种危险的环境，但对于车辆无法到达的山区线路无法进行修剪作业[4]。随着科技发展，各种新型机械修剪装置、运输装置、动力装置等逐渐应用到电力线路树木修剪的研究中。本文结合当前使用较多的电动剪刀设计一种基于蓝牙遥控、WiFi视频传输的安全、高度绝缘、轻便、易于操作的可视遥控高压绝缘电动高枝剪。
1系统方案设计
1.1总体设计
可视遥控高压绝缘电动高枝剪，要求无线遥控高枝剪同时可以通过摄像头对高枝剪剪枝动作部位进行实时视频监控，确保修剪时修剪部位准确无误，在有必要时可对整个修剪过程进行视频录制保存。基于以上功能考虑设计的修剪工具整体视图如图1所示，该工具主要包括电动剪刀本体、绝缘延长杆、手持端含手动操作按钮、由摄像头及显示屏组成的无线视频监控部分。该工具最大的优点是具有无线视频监控功能同时为了实现最大程度的绝缘，电动剪刀本体与操作按钮之间也采用无线遥控方式（绝缘杆内部无导线），杜绝了高压电通过导线引入到操作部分造成触电的可能，从而最大程度地保护操作人员安全。
根据要修剪的树枝高度，高枝剪要加长操作杆，采用如图1中的每节长度为1.5 m的绝缘杆级联，最大长度可达6 m，该长度主要是结合文献[5]规定，10 kV输电线路导线与地面的最小距离为4.5~6.5 m之间，导线与树木（考虑自然生长高度）之间的最小垂直距离不小于3 m，特殊情况下导线与树梢的距离不小于1.5 m而确定，另外操作杆过长也会使得操作时非常费力。为减轻电动剪刀头部重量，将电池仓设计在第一级不锈钢杆的下部；无线遥控模块接收端安装在电动剪刀的塑料部件中如图1中的部位，不影响*号收发；握持部分即图中内置无线遥控*号发送模块，同时采用双按钮（必须同时按下才有效）操作避免误操作电动剪刀造成意外伤害；在电动剪刀前部合适位置增加角度可调节的无线摄像头，通过WiFi传输视频*号到手机端显示。
1.2电路控制系统设计
控制系统框图如图2所示，主要由3大部分组成：基于STM32F103C8T6的嵌入式核心模块、WiFi的无线视频监控模块和蓝牙遥控电路模块。其工作基本原理是STM32F103C8T6的核心模块通过蓝牙方式接收遥控模块发送的剪枝指令从而控制电动剪刀的动作，同时控制WiFi模块启动摄像头并将现场图像发送到上位机（计算机或手机端）。
1.2.1 STM32F103C8T6的嵌入式核心模块
STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位*控制器。2.0~3.6 V的宽电压供电范围，CPU工作频率最大可达72 MHz，闪存为64 KB，以及10×12b的模数转换器[6]，具有丰富的接口，能广泛应用于电力电子控制等系统。
1.2.2基于WiFi的无线视频监控设计
基于WiFi的无线视频监控主要由3个部分组成，分别是上位机（计算机或手机）、OV2640摄像头和视频传输模块ESP32-CAM[7]。
上位机用于接收ESP32-CAM模块传输的图像并显示监控画面，一般采用电脑或手机平板实现。
摄像头采用OV2640（如图3所示）采集图像，OV2640是OmniVision公司生产的一颗200万像素1/4寸的CMOS UXGA（1 632×1 232）的高性能图像传感器[8]，该传感器的高灵敏度适合低照度环境[9]，采用该传感器构成的OV2640模块如图3所示，模块集成有源晶振和LDO，接口简单，使用非常方便。由于其自动压缩功能，在保证图像质量的情况下可将采集的图像压缩为JPEG图像后输出，以此使图像数据减小，提高传输效率[10]。
ESP32-CAM（如图4）是一个低成本、低功耗的视频传输模块，采用双核LX6*处理器作为动力，具有高度集成的结构。它的主频可调整范围广，为80~240 MHz，可直接连接OV2640模组塔建基于WiFi的视频监控系统[11]。同时具备多种串口：UART串口，SPI串口，I2C串口等，串口波特率为115 200 b/s，通过串口可以进行本地固件升级，也可以进行远程固件升级。在本系统中通过UART串口与STM32F103C8T6连接，接受该单片机的控制。该模块集成了WiFi和蓝牙，支持图片WiFi传输，因此通过WiFi热点与上位机建立连接后，可以将摄像头采集到的图像传输到服务器，从而可以在电脑端访问服务器的IP地址进行视频监控。
1.2.3蓝牙遥控电路系统设计
蓝牙遥控电路采用CC2540芯片为核心构建，CC2540是一款高性价比，低功耗，带有片上系统的高度集成蓝牙低功耗芯片。片上集成了性能优越的RF收发器，增强型工业标准的8051MCU，内部可编程FLASH，8 kB内存，集成了TI公司的蓝牙低功耗协议栈[12]。特别适合于对功耗要求极为苛刻的应用系统，支持蓝牙4.0[13]。核心电路如图5所示，按照本原理图制作的电路安装在手持端、采用电池供电即构成遥控器发送端。图中S1、S2这2个操作按钮即图1的2个手动操作按钮。在PCB板结构设计时要注意考虑天线的设置问题，由于手持端模块安装在绝缘杆内部，对蓝牙*号无屏蔽所以可以采用PCBANT模式，即直接在电路板上按照要求设置PCB上的天线即可，但是在电动剪刀端的蓝牙接收模块如果安装在第一级不锈钢杆内部则要通过图5中的ANNTENNA端子外接天线，以确保*号不受屏蔽。
同时利用该电路制作蓝牙接收端模块，该模块通过图5中的16、17引脚与电动剪刀端的STM32F103C8T6的嵌入式核心控制板通过串行口连接构成蓝牙接收端电路，STM32F103C8T6通过该模块接收操作杆上发送过来的按钮*号从而控制电动剪刀的动作。
2系统软件的设计与实现
本系统的软件要实现的功能是蓝牙遥控通*及电动剪刀动作及视频传输3大功能。操作按钮通过蓝牙模块向STM32F103C8T6单片机发送控制指令，单片机接收到指令后进行解析指令处理，同时启动摄像头，然后输出*号，从而实现对电动剪刀的控制。
2.1蓝牙遥控及电动剪刀控制功能
蓝牙遥控发送端CC2540程序主要是检测蓝牙是否连接正常，当蓝牙连接配对正常后判断是否2个操作按钮同时按下，若按键有效则通过蓝牙方式向STM32F103C8 T6单片机发送控制剪枝指令，发送端流程如图6所示。电动剪刀端的STM32F103C8T6单片机接收到指令后进行解析指令处理，然后输出*号，从而实现对电动剪刀的控制。电动剪刀端主程序流程如图7所示。首先是系统开机对硬件初始化，然后电动剪刀端与手持杆端蓝牙对码连接，当连接正常后会发出“滴滴”声表示连接成功，然后电动剪刀端处于接收状态随时判断是否开始剪枝。
2.2视频获取功能
基于WiFi的无线视频部分仅需要配置好IP即可通过手机或电脑直接查看实时视频，无需额外编程。一般配置方式是首先在Arduino IDE中塔建开发ESP32-CAM的环境，然后进行简单的代码编写并将编写好程序下载到ESP32-CAM，最后对ESP32-CAM进行WiFi配网设置。ESP32-CAM配网成功后将会生成一个用于视频监控的IP地址，上位机（手机或电脑）通过访问该IP地址就可以进行视频监控了[14]。
ESP32-CAM模块配置成功之后，可以单独使用或者结合其他单片机控制使用，它可以自动连接已配置的WiFi热点，然后驱动摄像头采集图像数据并且把采集到的图像通过WiFi上传到IP地址所在的服务器上，当ESP32-CAM模块与上位机连接同一个WiFi热点时，上位机就能通过访问IP地址进行视频监控。
3系统功能调试
功能调试主要包括蓝牙模块的通*功能调试、视频监控功能调试以及系统功能的整体调试.
3.1蓝牙无线遥控功能调试
保证操作杆与电动剪刀端能正常通*是实现整个无线遥控功能的前提条件，首先进行操作按钮与电动剪刀蓝牙模块的调试：系统上电，长按电动剪刀端的对码按键，听到滴滴声即表示对码成功。经过多次测试表明蓝牙连接非常便利，每次对码都能成功。
蓝牙遥控距离测试，CC2540模块数据手册标明理想传输距离是100 m[15]，本工具加上4节延长杆后长度最大为6 m，经测试数据能稳定传输，*号良好，完全达到工况要求。
3.2视频监控调试
首先把ESP-CAM模块配置好并设置本系统用于视频监控的IP地址为：http：//192.168.1.80，打开手机热点，然后ESP32-CAM模块上电，等待ES32P-CAM模块自动与WiFi连接后，通过电脑或手机的浏览器访问用于视频监控的IP地址：http：//192.168.1.80，最后点击Start Stream按钮就能看到实时影像了。
3.3电动剪刀整机测试
整机测试，在户外试用该工具，完全达到了设计要求。使用步骤总结如下：（1）将锂电池装入电池仓，按下电动剪刀的开机键，等待操作扞端对码；（2）双手同时按下无线遥控绝缘杆上的双手启动按钮，直到听到电动剪刀的蜂鸣器发出“滴滴”声，即完成无线对频：（3）根据现场剪枝高度将合适长度的绝缘杆旋入电剪刀杆的螺纹处；（4）剪枝时必须双手同时按下启动按钮，电动剪刀完成一次剪切。
注意事项：（1）电动剪刀完成无线对频后，即处于随时可以剪切的状态，必须注意电动剪刀可能会造成伤害，使用时须小心注意；（2）电动剪刀不能代替绝缘操作杆使用；（3）电动剪刀不能浸入水中，水浸入电剪刀杆内部，可能会造成控制部件损坏；（4）电动剪刀的绝缘杆绝缘等级为10 kV，在操作时要注意现场的高压绝缘要求；（5）电动剪刀开口宽度为60 mm，标称剪切树枝直径50 mm，经测试普通新鲜树枝最大剪切直径约为40 mm，电剪刀也可以根据需求另选。整体成品如图8所示。
4结束语
本文针对目前市面上高枝剪绝缘等级不够高、操作不便、无法直观观察高处剪切过程等问题，采用一定等级的绝缘杆加长操作杆，调整电池安装位置，并结合嵌入式系统技术，利用蓝牙无线通*遥控电动高枝剪及采用WiFi无线视频传输等方法，实现了人机绝缘、安全度高，且具有能实时查看工作面状况、质量轻、操作方便省力等优点。经现场试用，该工具大大提高了工作效率及安全性，能有效地保护作业人员人身安全及电力作业的顺利进行，具有很好的实际应用及推广价值。
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可视化遥控高压绝缘电动高枝剪设计论文
人参与 2024-07-16 10:39:05 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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