一种基于毫米波雷达和电场传感器的高压线安全距离预警系统

本发明属于电力系统安全管理，涉及高压线安全检测预警，具体是一种基于毫米波雷达和电场传感器的高压线安全距离预警系统。

背景技术：

1、毫米波雷达是一种利用30 ghz至300 ghz波段电磁波进行探测和成像的技术。相比传统雷达，它具备更高的分辨率和探测精度，因为毫米波波长较短（1至10毫米）。这种高分辨率使得毫米波雷达特别适用于细节检测和精细成像。

2、传统的高压线路最小安全距离监测方法主要依赖单一的电场传感器，通过测量电场强度的变化来判断传感器到高压电缆之间的距离。然而，这种方法存在诸多不足。例如，它在精度、空间分辨率、数据丰富性、抗干扰能力、系统容错性和实时性等方面无法满足高压线路安全监测的需求。

3、与激光、超声波及红外线相比，毫米波雷达具有更高的精度和对金属物体更强的敏感度，具体来说，电场传感器容易受到环境因素的干扰，导致精度低且容易误报，红外测距在测量过程中存在较大的盲区，超声波测距的反射信号较弱且波束容易扩散，而毫米波雷达对金属极为敏感，能够在复杂环境中保持较高的测量精度，这使得毫米波雷达在最小安全距离预警应用中具有显著优势。

4、此外，毫米波雷达的天线和传感器可以做得更小，更易于集成到如吊车等高空作业设备上，而且由于其对环境光照、烟雾和灰尘等干扰不敏感，毫米波雷达能够在各种恶劣条件下正常工作。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种基于毫米波雷达和电场传感器的高压线安全距离预警系统，用于测量设备到高压电缆的距离及电场的大小，快速且准确的检测出高压线最小安全距离，解决现有检测安全距离方案精度低、抗干扰能力差的问题。

2、为了实现上述目的本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于毫米波雷达和电场传感器的高压线安全距离预警系统，包括多个毫米波雷达、数据处理单元、上位机以及电源模块；数据处理单元集成电场传感器、毫米波雷达多路选择器、可编程存储器epprom及无线通信模块；毫米波雷达通过数据接口与数据处理单元连接，上位机通过无线通信模块与数据处理单元进行数据无线传输；电源模块为预警系统各部分提供电源。

4、作为优选，毫米波雷达包括毫米波雷达芯片、24mhz晶振、sn65lvds049pwr差分协议芯片、ams1117-1.8 低压差线性稳压器、d-sub15接口及若干电容和电阻；毫米波雷达芯片上的spi总线的信号引脚spi_miso、spi_mosi、spi_sck连接至低压差分芯片sn65lvds049pwr上，转化为低压差分信号后由引脚spi_miso_p、spi_mosi_p、spi_sck_p、spi_miso_n、spi_mosi_n、spi_sck_n引脚在板载d-sub15接口输出；毫米波雷达芯片的使能端sen_en、片选端spi_ss直接由板载d-sub15接口输出；电源从板载d-sub15接口输入，经过ams1117-1.8稳压后输入至毫米波雷达芯片的vrx引脚，24mhz晶振连接至xin、xout引脚上。

5、作为优选，数据处理单元的电路由stm32f446ret6单片机、8mhz外部高速晶振、74lvc1g14、74hc237和74hc00d组成的毫米波雷达多路选择器、sn65lvds049pw低压差分协议芯片、m24c02 epprom芯片和4个d-sub15接口组成；所述stm32f446ret6单片机的片选引脚spi_sel0、spi_sel1、spi_sel2和使能引脚spi_en1、spi_en2、spi_en3连接至毫米波雷达多路选择器，stm32f446ret6单片机上spi总线的信号pa5、pa6、pa7引脚通过4个sn65lvds049pwr低压差分协议芯片输出差分信号至4个板载d-sub15接口，输出到毫米波板载d-sub15接口上。

6、作为优选，毫米波雷达输入的低压差分信号通过sn65lvds049pwr芯片转换为spi信号后输入到stm32f446ret6单片机spi协议复用引脚，74lvc1g14、74hc237和74hc00d组成的毫米波雷达多路选择器，用于轮询各个毫米波雷达。

7、作为优选，电场传感器包含ad620仪表放大器芯片、带通滤波器、精密整流电路、检波电路、rf射频同轴连接器、增益调整滑动变阻器1、增益调整滑动变阻器2、平滑度调整滑动变阻器及若干电容、电阻、二极管；电场传感器输出电压通过引脚pc4连接至stm32f446ret6单片机上。

8、作为优选，无线通信模块为2.4g的nrf2401无线通信模块，无线模块的tx端连接stm32f446ret6单片机的rx端（pa3），无线模块的rx端连接stm32f446ret6单片机的tx端（pa2）。

9、作为优选，电源模块由电源开关、两节串联的18650锂电池、tps61093dskr升压稳压器、ams1117-5.0低压差线性稳压器、uz1085l-33低压差线性稳压器组成。

10、作为优选电源模块根据各芯片的电源需求不同输出不同电压到各芯片电压输入引脚，其中ams1117-5.0输出5v至无线通信模块上vcc引脚，uz1085l-33输出3.3v至stm32f446ret6单片机上的vdd引脚、4lvc1g14、74hc237和74hc00d组成的毫米波雷达多路选择器、sn65lvds049pwr低压差分协议芯片，m24c02 epprom上所有vcc引脚，以及通过4个板载d-sub15接口输出为四个毫米波雷达提供3.3v电压。tps61093dskr升降压稳压器输出+10v和-10v提供给电场传感器。

11、作为优选，上位机包括stm32f103c8t6单片机、8mhz外部晶振、无线通信模块nrf2401，ams1117-5.0和uz1085l-33低压差线性稳压器、按键key1、key2、key3、key4、tft屏幕、语音芯片syn6288、蜂鸣器及蜂鸣器放大电路、喇叭组成和若干不同阻值的电阻；8mhz外部晶振为stm32f103c8t6提供稳定的时钟信号，ams1117-5.0和uz1085l-33分别为上位机提供稳定的3.3v和5v电压；放大电路选用s8050 npn三极管，使用两个电阻对单片机输出电平进行分压，使三极管工作在放大区内；syn6288使用串口和stm32f103c8t6单片机连接，tft屏幕通过spi协议和stm32f103c8t6单片机连接，syn6288语音芯片连接至stm32f103c8t6单片机的串口；按键key1用于切换tft屏幕数据显示和菜单界面，key2用于选择设置的项目，key3和key4分别用于增加和减少设置数值。

12、作为优选，stm32f103c8t6单片机的pa2、pa3连接nrf2401无线通信模块，pb10、pb11连接语音模块syn6288，pa4、pa5、pa6、pa7、pb0、pb10连接tft屏幕，pb2、pb3、pb4、pb5分别连接key1、key2、key3、key4。ams1117-5.0输出5v至无线通信模块和tft屏幕上vcc引脚，uz1085l-33输出3.3v至stm32f103c8t6单片机vcc引脚。

13、本发明得有益效果是：本发明利用毫米波雷达和电场传感器双传感器结构，能够提高对高压线路最小安全距离的测量精度和抗干扰能力，解决了传统单一电场传感器方法在精度、空间分辨率、数据丰富性、系统容错性和实时性等方面的不足；毫米波雷达的高分辨率和对环境光照、烟雾及灰尘不敏感的特点，使得本系统能够在各种恶劣条件下工作，确保全天候、全工况的可靠监测；另外，系统的模块化设计，包括数据处理单元、多毫米波雷达轮询电路、电源模块等，结构紧凑、便于集成，适用于吊车等高空作业车辆，极大提升了高压线路作业的安全性和效率。