李時杰, 何怡剛, 羅旗舞, 史露強, 黃 源, 程彤彤

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

溫濕度是影響電氣設(shè)備可靠性的兩個重要指標(biāo)[1,2]，因此，電氣設(shè)備溫濕度實時監(jiān)測對保證電力系統(tǒng)安全運行具有重要意義。電氣設(shè)備監(jiān)測以有線通信和無線通信方式為主，有線通信方式線路復(fù)雜，成本高，不適合大范圍電力系統(tǒng)的監(jiān)測?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)技術(shù)的無線通信方式進(jìn)入到了電氣設(shè)備監(jiān)測的領(lǐng)域，但WSNs技術(shù)的通信距離短，需要布置大量中繼節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3]。如今物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于擴頻調(diào)制的LoRa技術(shù)應(yīng)運而生，解決了無線應(yīng)用開發(fā)一直存在的在更長的距離和更低的功耗難以兼固的問題，與ZigBee和藍(lán)牙等無線通信技術(shù)相比，其傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)方式簡單[4]。

本文將LoRa技術(shù)和傳感器技術(shù)融合并用于電力系統(tǒng)電氣設(shè)備監(jiān)測中，實現(xiàn)了電氣設(shè)備溫濕度遠(yuǎn)距離自動監(jiān)控，大幅降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和成本。

1 LoRa傳感終端硬件設(shè)計

基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由LoRa傳感終端、LoRa網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心組成，總體構(gòu)架如圖1。

圖1 基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

LoRa傳感終端置于被監(jiān)測的電氣設(shè)備上，用于實時采集電氣設(shè)備的溫濕度信息，通過遠(yuǎn)距離的無線擴頻通信技術(shù)，向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送監(jiān)測的溫濕度信息，LoRa網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)，將采集的各終端信息匯聚到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過對檢測的溫濕度等信息進(jìn)行分析，完成對電氣設(shè)備溫濕度的實時監(jiān)測。

LoRa傳感終端的設(shè)計如圖2所示，由單片機(MCU)模塊、電源模塊、傳感器模塊和SX1278射頻模塊組成。

圖2 LoRa傳感終端

1.1 MCU模塊和傳感器模塊設(shè)計

MCU模塊采用STM8L151單片機，可在1.65～3.6 V的電壓，-40～85 ℃的溫度條件下工作，最高16 MHz的工作頻率，內(nèi)置高達(dá)64 kB的FLASH存儲器和2 kB的EEPROM，完全滿足溫濕度傳感器數(shù)據(jù)所需的存儲空間。同時該單片機支持等待、低功耗運行、低功耗等待、主動停止和停止5種低功耗模式，方便了LoRa傳感終端的低功耗設(shè)計。傳感器模塊采用SHT20溫濕度傳感器，可在2.1～3.6 V供電電壓下工作，具有0～125 ℃的測溫范圍和20 %～60 %RH的濕度測量范圍，休眠模式和測量狀態(tài)下的工作電流低至0.15 μA和300 μA。SHT20內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器將溫濕度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，通過集成電路總線(I2C)通信方式傳輸至MCU模塊，MCU模塊利用I2C接口對傳感器完成讀寫，獲取溫濕度信息并完成數(shù)據(jù)存取。

1.2 SX1278射頻模塊

SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有超遠(yuǎn)距離擴頻調(diào)制通信、高抗干擾性和超低電流功耗，采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)?shù)百萬的無線傳感器節(jié)點與LoRa網(wǎng)關(guān)連接。采用LoRaTM模式可以實現(xiàn)-148 dBm的高接收靈敏度，+14 dBm的發(fā)射功率，低至9.9 mA的接收電流消耗，工作頻段為137～525 MHz，本文射頻模塊工作頻率為470 MHz[5]。SX1278射頻模塊一方面將MCU模塊處理后的溫濕度信息通過無線遠(yuǎn)距離發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，另一方面響應(yīng)來自LoRa網(wǎng)關(guān)下發(fā)的命令。SX1278射頻模塊通過通用異步傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)與MCU進(jìn)行通信。

1.3 電源模塊

本文LoRa傳感終端采用電池供電，雖然許多電氣設(shè)備均置戶外，LoRa傳感終端以無線的方式傳輸數(shù)據(jù)，LoRa傳感終端的有效工作時間有限，但采用于STM8L151單片機，SHT20溫濕度傳感器和SX1278芯片的超低功耗模式，使終端的休眠電流低至1.4 μA，極大地延長了電池壽命。

2 LoRa傳感終端軟件設(shè)計

LoRa傳感終端中各個模塊在工作模式和低功耗模式下功耗消耗非常大，合理設(shè)計這些模塊的運行和休眠模式，既能實現(xiàn)的預(yù)設(shè)功能，又能有效降低電池能源消耗?；拒浖鞒倘鐖D3。

圖3 軟件流程

3 LoRa傳感終端測試結(jié)果

3.1 LoRa傳感終端通信測試

實驗室環(huán)境搭建溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，驗證LoRa傳感終端的實際通信狀況。模擬監(jiān)測系統(tǒng)包括2個LoRa傳感終端和1個網(wǎng)關(guān)。LoRa傳感終端置于室外，距網(wǎng)關(guān)約5 km，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口與實驗室路由器相連，并將采集的溫濕度信息上傳至云服務(wù)器。通過訪問HTTP網(wǎng)址可以查看接收的溫濕度信息，如圖4所示，每個LoRa傳感終端具有一個唯一的標(biāo)識號，方便用戶定位。

圖4 LoRa網(wǎng)關(guān)云服務(wù)器數(shù)據(jù)顯示

3.2 低功耗設(shè)計與測試

本文從器件低功耗特性和單片機(MCU)端口控制等方式降低終端的休眠電流，延長電池的壽命。

一般系統(tǒng)的總功耗分為2個部分：靜態(tài)功耗(晶體管消耗能量μA)和動態(tài)功耗(負(fù)載電容放電消耗能量,μA/MHz)，總電能消耗是二者之和，可表示為IDD=f×IDynamicRun+IStatic，其中，f為時鐘頻率[6]。

3.2.1 低功耗硬件實現(xiàn)

利用MCU的端口控制功能對傳感器的供電進(jìn)行通斷控制，在進(jìn)行溫濕度測量時控制傳感器為通電狀態(tài)，不測量時關(guān)斷傳感器的電源，防止傳感器在不工作時依然耗電，最大程度節(jié)省功耗。如圖5所示，EN端連接MCU的I/O口，VCC3V3GAS連接傳感器電源端口，利用元器件的通斷特性，當(dāng)MCU控制EN端為高電平時，VCC3V3GAS亦為高電平，即傳感器電源導(dǎo)通，可以進(jìn)行溫濕度測試；否則,當(dāng)MCU控制EN端為低電平時，VCC3V3GAS也為低電平，即傳感器電源關(guān)斷，傳感器不工作。

圖5 低功耗硬件設(shè)計

3.2.2 低功耗軟件實現(xiàn)及測試

終端設(shè)計在24 h內(nèi)，th處于溫濕度采集以及和網(wǎng)關(guān)通信狀態(tài)，(24-t)h處于休眠狀態(tài)。在信息采集和通信狀態(tài)，MCU處于運行模式，SX1278射頻模塊處于射頻接收或發(fā)送模式；在休眠狀態(tài)，MCU僅實時時鐘(real-time clock,RTC)工作，定時喚醒傳感器和射頻模塊。

低功耗測試方法通過吉時利Keithey 2700系列數(shù)據(jù)采集儀測量整個終端在一段時間內(nèi)的電流值，在一個采樣發(fā)送周期內(nèi)終端的電流波形如圖6所示。

圖6 LoRa傳感終端電流曲線

可以看出:終端在一個采樣發(fā)送周期內(nèi)，不同工作模式下的各個硬件電流消耗情況，分析出該終端整體電氣參數(shù)，如表1所示。

表1 LoRa傳感終端整體電氣參數(shù)測試結(jié)果

本文采用2節(jié)5號電池供電，容量約為2 700 mAh，由圖6電流波形和表1整體電氣參數(shù)測試結(jié)果可知，終端以37.89 s的時間為一個工作周期，其中傳感器采集與發(fā)送每個周期進(jìn)行一次，可以根據(jù)式(1)在一個周期內(nèi)計算出平均電流消耗[7]Iaver(mA),為

Iaver=(1.4×10-3×37.5+1.15×0.35+

17.3×0.02+92.3×0.02)/37.89=0.070

(1)

電池工作時間T(天)為

T=(2700/0.070)/24=1 607

(2)

LoRa傳感終端的所消耗的電流主要由溫濕度傳感器和SX1278射頻模塊的功能起決定性作用，式(1)和式(2)給出了電池壽命和硬件工作時間及工作周期的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)：增大硬件工作周期和減少硬件工作時間可大幅降低功耗，延長電池壽命。

4 結(jié) 論

提出了一種基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合傳感器技術(shù)和遠(yuǎn)距離無線擴頻通信技術(shù)，設(shè)計了一種LoRa傳感終端，與現(xiàn)有其他終端設(shè)備相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能建筑、智能城市等領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 王海倫,蔡志宏,范一鳴.電氣設(shè)備溫度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(7):97-99.

[2] 蘇圓圓,何怡剛,鄧芳明,等.絕緣子溫濕度在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,2016,30(7):1098-1106.

[3] Schmidt H J,Arens B,Kahlen A,et al.Efficient communication of sensors monitoring overhead transmission lines[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(3):1130-1136.

[4] 劉 琛,邵 震,夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術(shù)分析與應(yīng)用建議[J].電信技術(shù),2016,8(5):43-46.

[5] Petajajarvi J,Mikhaylov K,Roivainen A,et al.On the coverage of LPWANs:Range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]∥International Conference on ITS Telecommunications,2015:55-59.

[6] 孫大鷹,徐 申,徐玉珉,等.應(yīng)用于低功耗嵌入式處理器的功耗動態(tài)管理策略設(shè)計[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,43(4):695-700.

[7] 樓亮亮,金彥亮,周 苗,等.物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點功耗測量及電池壽命分析[J].自動化儀表,2015,36(12):52-55.