王子暢　許純愷　朱丹燕　壽佳玨　程玉

【摘 要】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、云平臺及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，近年來在各行業(yè)中的應(yīng)用取得了良好的效果。在電力行業(yè)中，有企業(yè)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)箱機(jī)柜的安全管理領(lǐng)域，開發(fā)了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能電力箱鎖，成功解決了目前日常管理中遇到的一些問題，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠做到遠(yuǎn)程監(jiān)控、異常事件記錄、開閉鎖控制等。該技術(shù)理念先進(jìn)、應(yīng)用潛力巨大，值得行業(yè)內(nèi)進(jìn)一步進(jìn)行探討和研究。

【關(guān)鍵字】物聯(lián)網(wǎng);電力機(jī)柜;智能鎖

中圖分類號： TP391.44;TN929.5;TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）34-0246-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.116

Discussion on Application of Internet of Things Technology in Cabinet and Cabinet Management in Power Industry

WANG Zi-chang XU Chun-kai ZHU Dan-yan SHOU Jia-jue CHENG Yu

（State grid Shanghai electric power company qingpu power supply company， Shanghai 201799， China）

【Abstract】IOT technology has benefited from the development of Internet technology， wireless communication technology， sensor technology， cloud platform and big data processing technology. In recent years， it has achieved good results in various industries. In the power industry， some enterprises have applied the IOT technology to the security management field of chassis cabinets， and developed the NB-IOT intelligent optical box lock， which successfully solved some problems encountered in daily management. With the help of IOT technology， the managers can achieve remote monitoring， abnormal event recording， open and close lock control.The advanced technology concept and huge application potential are worthy of further exploration and research in the industry.

【Key words】IOT; Power cabinets; Smart locks

1 電力行業(yè)機(jī)箱機(jī)柜日常管理現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)在由于自身發(fā)展的特點，在數(shù)量龐雜的輸變電線路上，密布著各種控制單元，控制單元往往安置在機(jī)箱及機(jī)柜中。這些機(jī)箱、機(jī)柜在傳統(tǒng)管理中，存在以下問題：

（1）指揮調(diào)度難，作業(yè)不及時，故障處置延宕。

（2）配變電量采集箱分布廣泛，設(shè)備被損壞、遷移，管理人員不能及時獲知設(shè)備狀態(tài)。

（3）配變電量采集箱數(shù)量大，且不斷增長，對大量箱體的鑰匙人工管理困難。

（4）施工、巡檢人員頻繁更換，無法對開箱人員和時間進(jìn)行有效管理。

（5）由于監(jiān)管困難，大多數(shù)電力箱的門禁遭到破壞，或門鎖常年處于開啟狀態(tài)無人問津，造成設(shè)備的故障。

2 電力柜智能鎖設(shè)計目標(biāo)及思路研究

2.1 電力柜智能鎖設(shè)計目標(biāo)

鑒于配電箱、配電柜的上述管理特點，想要研發(fā)出一套電力柜智能鎖，必須解決這些問題，并且實現(xiàn)物理鎖的機(jī)械部分功能。因此，電力柜智能鎖設(shè)計目標(biāo)定位為研發(fā)一種具備數(shù)據(jù)互聯(lián)功能的智能鎖具，其必須要具備的特點如下：

（1）安全性高，其秘鑰設(shè)置能夠達(dá)到或超越傳統(tǒng)機(jī)械鎖芯，并且不會對輸變電配電柜本身運(yùn)行造成干擾。

（2）具備數(shù)據(jù)傳輸及控制空能，通過加裝數(shù)字模塊及傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、授權(quán)管理，無鑰匙開關(guān)鎖等功能。

（3）安裝方便，完全模塊化設(shè)計，不需要對配電柜進(jìn)行大修改，充分利用原有鎖孔。

（4）操作簡便，設(shè)計多平臺的操縱方式，可以使用PDA、手機(jī)或其他移動終端直接操作，操作可視化程度高。

（5）功耗較低，滿足智能鎖長時間運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)性。

2.2 電力柜智能鎖設(shè)計思路

要實現(xiàn)上述設(shè)計目標(biāo)，按照軟硬件分離的原則，可以將設(shè)計且分為硬件部分設(shè)計及軟件部分設(shè)計，并由硬件設(shè)計部分考慮信號接口設(shè)計，實際上智能鎖部分可以考慮為一種物控聯(lián)防系統(tǒng)，因此設(shè)計思路及研發(fā)路線如下圖1所示。

其中，硬件部分主要實現(xiàn)分功能分為物理機(jī)械鎖芯及聯(lián)網(wǎng)控制器，作為鎖具最終動作部分，物理機(jī)械鎖芯部分主要實現(xiàn)的功能可以進(jìn)一步細(xì)分為四塊，即遠(yuǎn)程控制開鎖、本地開鎖、應(yīng)急開鎖、鎖舌狀態(tài)上報。聯(lián)網(wǎng)控制器需要實現(xiàn)的功能有基于傳感器和設(shè)計邏輯實時報告異常、本地休眠喚醒、實時上報開鎖事件信息、定時自檢等。

軟件部分包括信息管理、安全控防、日常維護(hù)三個模塊。信息管理為基礎(chǔ)級模塊，主要功能包括地圖顯示及定位功能、站點信息管理、物聯(lián)設(shè)備信息管理、人員ID管理等。安全防護(hù)模塊主要功能有物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和顯示、開關(guān)鎖授權(quán)管理和信息呈現(xiàn)、告警信息提示及推送。日常維護(hù)模塊主要為管理性信息推送，包括工單信息、巡檢信息、人員信息及告警信息等。

3 電力柜智能鎖硬件部分介紹

3.1 物理機(jī)械部分介紹

由于傳統(tǒng)的老式機(jī)械鎖不具備電控功能，因此需要對原鎖進(jìn)行升級改造，但改造的幅度不大，主要需要增加的內(nèi)容包括物聯(lián)監(jiān)控模塊、電控門鎖、門磁感應(yīng)，及按照顧客需求增加的各種傳感器模塊。

其中，除電控門鎖需要對電力柜柜門原鎖孔進(jìn)行擴(kuò)孔工作，其余部分均可采用掛載或格架固定的方式安裝至原有電力柜中，不會破壞原電力柜結(jié)構(gòu)及布線、功能等。

其中，鎖體采用電機(jī)不采用電磁鐵，主要特點為：

（1）功耗低：電機(jī)工作電壓3V，工作電流≤100mA，電磁體工作電壓3V，工作電流≤400mA。

（2）極限溫度下工作穩(wěn)定性好：電磁鐵在接近-40℃或者70℃時，穩(wěn)定性沒電機(jī)好。

（3）抗干擾性強(qiáng)：電磁鐵在強(qiáng)磁環(huán)境下不穩(wěn)定或失去作用。

內(nèi)部控制器的主要特點為：

（1）尺寸小巧，電池獨(dú)立封盒，無需打開控制盒即可更換電池，可選鋰離子和鋰亞電池，容量根據(jù)客戶對壽命要求。

（2）真一拖二設(shè)計，獨(dú)立控制兩把鎖。

（3）超低功耗休眠設(shè)計，整機(jī)休眠電流小于50μA。

（4）在NB-IoT信號滿足覆蓋條件（RSRP>-110dBm且SINR>10dB）的情況下，每次開鎖時間<4秒。

傳感器模塊部分包括：柜門開關(guān)傳感、柜內(nèi)浸水傳感、柜內(nèi)溫濕度傳感、柜體傾斜震動傳感、柜內(nèi)煙霧傳感器。另外，在安裝時可通過GPS精確定位電力柜位置。

3.2 電力柜智能鎖聯(lián)網(wǎng)控制部分介紹

3.2.1 內(nèi)部控制器網(wǎng)絡(luò)選擇

由于電機(jī)柜的離散分布，且長時間無人值守的特點，要求數(shù)字控制模塊及網(wǎng)絡(luò)部分需要數(shù)據(jù)連接穩(wěn)定，且待機(jī)時間要長，考慮到上述原因，選用NB-IOT技術(shù)作為基礎(chǔ)就顯得十分合理。

NB-IOT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）已成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。[1]

另外，NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。[2]

3.2.2 內(nèi)部控制器模塊部分設(shè)計

在內(nèi)部控制器進(jìn)行設(shè)計時，由于電力柜尺寸限制，控制結(jié)構(gòu)必須緊湊，因此整個內(nèi)部控制部分分為五個主要模塊，業(yè)務(wù)處理器，NB聯(lián)網(wǎng)模塊，SIM卡模塊、藍(lán)牙模塊及電池模塊，架構(gòu)框圖如下：

硬件規(guī)格包括：

（1）真一拖二設(shè)計，獨(dú)立控制2把鎖

（2）內(nèi)置NB-IOT模組

（3）內(nèi)置高性能NB-IOT天線

（4）支持SIM插槽或焊接eSIM

（5）內(nèi)置藍(lán)牙4.2芯片

（6）可選內(nèi)置高精度溫濕度芯片

（7）可選內(nèi)置高精度陀螺儀芯片

傳感器模塊包括了標(biāo)配傳感器及選配傳感器：其中，標(biāo)配傳感器包括柜門開關(guān)傳感（外接行程開關(guān)或門磁） 以及柜內(nèi)浸水傳感（外接浸水傳感器）。除此之外還有3款選配傳感器，分別為柜內(nèi)溫濕度傳感（內(nèi)置溫濕度傳感器）、柜體傾斜震動傳感（內(nèi)置陀螺儀）、柜內(nèi)煙霧傳感器（外接低功耗煙感傳感器）。顧客可以根據(jù)自身的實際需要進(jìn)行模塊選配。

3.3 智能聯(lián)網(wǎng)控制模塊設(shè)計特點

上述設(shè)計的主要特點主要包括四方面：

一是全面支持NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，目前電信、移動、聯(lián)通頻段均可以選擇，極大提高的顧客的自由度。

二是采用可了超低功耗休眠設(shè)計，整機(jī)休眠電流小于50μA，根據(jù)已有機(jī)型實測，單控制器實測待機(jī)功耗為45μA左右，每日耗電1mAH左右 。

三是電路耐高低溫防潮防霉，內(nèi)置看門狗，保障最大可用性。

四是顧客可以選擇鋰離子和鋰亞電池電池，容量根據(jù)客戶對壽命要求。

4 電力柜智能鎖軟件部分介紹

4.1 帶有加密算法的遠(yuǎn)程授權(quán)的實時藍(lán)牙電子密鑰

作為安全模塊的核心，密鑰的安全性與否決定了整個系統(tǒng)的可靠性，因此，企業(yè)選擇開發(fā)帶有加密算法的遠(yuǎn)程授權(quán)的藍(lán)牙電子秘鑰，這種方式通過特定的規(guī)則及算法來保證密碼生成與校驗的非對稱性，同時通過NB-IoT和BLE來傳輸?shù)拿艽a來保證交互的功耗。

具體步驟如下：

步驟1：操作員在移動端APP上選擇需要獲取一次性藍(lán)牙電子密鑰的智能電力箱鎖。

步驟2：移動端APP箱云服務(wù)器發(fā)起獲取一次性藍(lán)牙電子密鑰請求。

步驟3：云服務(wù)器將當(dāng)前時間按年、月、日、時、分、秒分組后組合成32bit的元數(shù)據(jù)，然后利用AES對稱加密算法對result進(jìn)行打包，并返回給移端APP。

步驟4：移動端APP開啟藍(lán)牙，一旦同步成功就向智能電力箱鎖發(fā)送前面從云服務(wù)器獲取到的密碼。

步驟5：智能電力箱鎖通過私鑰先對密碼進(jìn)行解密，若有效便開啟智能電力箱鎖。根據(jù)門鎖本地算法及密碼特征，一旦成功開啟，密碼便失效不能第二次使用。

通過上述設(shè)計，整個電子秘鑰具備以下三個特點。

（1）時效性約束：規(guī)定密鑰的有效時間為1天，云服務(wù)器以精確到秒的時間來生成密鑰，這樣即使移動端APP未使用從云服務(wù)器獲取的密鑰進(jìn)行開鎖，在有效時間到期后密鑰同樣會失效。

（2）使用次數(shù)受限：通過智能電力箱本地算法，APP從云服務(wù)器獲取到的密鑰在使用一次后便失效。

（3）密碼唯一：密鑰生成以鎖的IMEI以及時間（精確到秒）作為元數(shù)據(jù)，并通過算法稀釋碰撞幾率來保證密碼的唯一性。

4.2 手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制模塊介紹

考慮到現(xiàn)有智能手機(jī)的普及，從考慮投入成本的角度出發(fā)，沒有必要重新開發(fā)物理計算機(jī)平臺，只需在現(xiàn)有手機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)APP模塊即可，APP管理模塊可實現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖、手機(jī)藍(lán)牙開鎖、更換設(shè)備、開鎖記錄查詢，分級管理、遠(yuǎn)程授權(quán)以及與運(yùn)維派單平臺對接等功能。

該APP開發(fā)時，充分考慮到一線操作人員的實際使用需要，優(yōu)化了人機(jī)交互界面，降低了誤操作的可能性，并對相關(guān)人員采取了分級管理，不同級別的人員根據(jù)授權(quán)職能看到相對應(yīng)的管理模塊。

5 結(jié)束語

隨著5G時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即將迎來一個全新的時代，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智能電力箱鎖作為先行者，成功的利用物理網(wǎng)技術(shù)解決了現(xiàn)有電力中的管理難題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展必將不斷改變?nèi)藗兊纳?，給人們帶來更多的便利。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Wang Y P E ， Lin X ， Adhikary A ， et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things（NB-IoT）[J].IEEE Communications Magazine， 2016， 55（3）.

[2]Sinha R S ， Wei Y ， Hwang S H. A survey on LPWA technology： LoRa and NB-IoT[J]. Ict Express， 2017，3（1）.

[3]李勛，龔慶武，喬卉，et al.物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（22）：232-236.

[4]林為民.云計算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 中國電力出版社，2013.