楊青青，李寶才，張虎

(1.保定學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司曲陽(yáng)分公司，河北 保定 071000)

0 引言

隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IOT)技術(shù)的研究與發(fā)展，NB-IOT具有大連接、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在速率要求不高且需要深覆蓋的領(lǐng)域。而變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)受到變電站自身特殊環(huán)境干擾因素的影響，使得傳統(tǒng)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上傳的數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性無(wú)法得到保障，為了彌補(bǔ)這一不足，本系統(tǒng)使用NB-IOT技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由采集終端、協(xié)調(diào)器、NB-IOT模塊和云平臺(tái)構(gòu)成。采集終端負(fù)責(zé)采集變電站的環(huán)境參數(shù)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將采集終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，并接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的命令；網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)將底層數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給NB-IOT模塊；NB-IOT模塊接收數(shù)據(jù)后通過(guò)基站將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶(hù)操作云平臺(tái)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件模塊設(shè)計(jì)與選型

2.1 采集終端

采集終端負(fù)責(zé)采集變電站的環(huán)境參數(shù)，本系統(tǒng)采用TI公司的低功耗片上系統(tǒng)CC2530為核心的主控芯片，CC2530為8為增強(qiáng)型的MCU，內(nèi)置18個(gè)中斷源，4個(gè)定時(shí)器，21個(gè)通用I/O口，可以外接多種外設(shè)，本系統(tǒng)通過(guò)外接各種傳感器(氣體傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器等)，實(shí)現(xiàn)變電站的環(huán)境數(shù)據(jù)采集[1]。

2.2 環(huán)境采集數(shù)據(jù)選型

本設(shè)計(jì)需要采集變電站的環(huán)境信息，傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域如表1所示，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行越限報(bào)警。

2.2.1 MQ系列傳感器

本設(shè)計(jì)采用MQ-2傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站環(huán)境內(nèi)的液化氣、苯、酒精、氫氣等危險(xiǎn)氣體的信息采集。MQ-2具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

本設(shè)計(jì)采用了Risym火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)變電站火災(zāi)信息的采集，Risym火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源，火焰越大，測(cè)試距離越遠(yuǎn)。

2.2.3 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用DHT11傳感器作為變電站設(shè)備室的溫濕度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)房溫濕度以及監(jiān)測(cè)設(shè)備、電纜等溫度，此傳感器是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度(±5%)RH，溫度(±2)℃，量程濕度20%～90% RH，溫度0～50℃。

2.2.4 水浸傳感器

本設(shè)計(jì)采用水浸傳感器作為檢測(cè)漏水的裝置，隔離式水浸傳感器根據(jù)探測(cè)電極浸水后阻抗發(fā)生變化，通過(guò)專(zhuān)用集成芯片對(duì)水浸輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、整形、比較，輸出高低電平變化信號(hào)，指示所在位置是否有水，水浸傳感器是一種傳感裝置，主要用于檢測(cè)電纜溝內(nèi)是否有積水，如有積水會(huì)影響電纜正常工作則報(bào)警。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)模塊采用STM32，采用Cortex M3內(nèi)核，內(nèi)置了64 K或128 K字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置嵌套的向量式中斷控制器，能夠處理多達(dá)43個(gè)可屏蔽中斷通道和16個(gè)優(yōu)先級(jí)。最高工作頻率是72 MHz。具有7通道DMA控制器、多達(dá)2個(gè)IIC接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口，內(nèi)嵌2個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)ADC共用多達(dá)16個(gè)外部通道、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器。這些硬件資源滿(mǎn)足了系統(tǒng)的需求。STM32F1最小系統(tǒng)引腳圖如圖2所示。

圖2 STM32F1最小系統(tǒng)引腳

2.4 通信模塊

終端模塊一般以MCU為核心，輔以通信模塊以及其他輸入輸出電路構(gòu)成，MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及與通信模組的板內(nèi)通信連接。本設(shè)計(jì)通信模塊采用BC95。BC95是一款低功耗、高靈敏度、高性能的窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信模塊，尺寸較小，能夠滿(mǎn)足小尺寸產(chǎn)品終端設(shè)備的需求，在設(shè)計(jì)上兼容GSM/GPRS系列的M35模塊[2]。

2.5 云平臺(tái)

目前，提供物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)的平臺(tái)有：中移物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺(tái)[3-4]、華為OceanConnectIoT平臺(tái)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)套件等，綜合性能和適配等因素，本系統(tǒng)選用中移物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺(tái)，OneNET云平臺(tái)適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類(lèi)型，支持各類(lèi)異構(gòu)化傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，提供豐富的應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)和應(yīng)用模板以及支持各類(lèi)行業(yè)和智能硬件的開(kāi)發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和部署成本，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全等平臺(tái)級(jí)服務(wù)要求。

BC95連接OneNet之后，可以在OneNet平臺(tái)上看到設(shè)備已上線(xiàn)，但是看不到數(shù)據(jù)，原因是LWM2M上報(bào)的數(shù)據(jù)要有信息標(biāo)識(shí)符ID，而該ID是由OneNet發(fā)給模組的。模組收到信息后按照該ID發(fā)送數(shù)據(jù)給OneNet，然后才能看到OneNet上的數(shù)據(jù)。

接入過(guò)程：創(chuàng)建OneNet實(shí)例-添加LWM2M對(duì)象-向OneNet發(fā)送注冊(cè) LWM2M請(qǐng)求-注冊(cè)資源-訂閱對(duì)象-模塊響應(yīng)+上傳數(shù)據(jù)。

3 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于NB-IOT的變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除了有硬件設(shè)計(jì)還需要有軟件設(shè)計(jì)才能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：底層數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)[5]。其中，底層數(shù)據(jù)采集主要由各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用IAR作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，采集的信息經(jīng)過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)處理器模塊的處理器進(jìn)行處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊ZigBee傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)作為信號(hào)的中繼，路由節(jié)點(diǎn)將信息通過(guò)ZigBee傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊接收到信息后，傳送到處理器模塊進(jìn)行處理，進(jìn)而決定信息是否轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)：在監(jiān)測(cè)中心當(dāng)?shù)顷懻_的用戶(hù)名、密碼后，可以進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面，監(jiān)測(cè)中心應(yīng)顯示溫濕度、煙霧、漏水等的實(shí)際采集數(shù)據(jù)，對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)保存，最低保存時(shí)限為6個(gè)月，能夠做到對(duì)數(shù)據(jù)的隨時(shí)調(diào)看。對(duì)個(gè)別的環(huán)境參數(shù)(溫濕度)需要設(shè)定安全警戒值的，軟件可以實(shí)現(xiàn)閾值控制，超出安全界限的出現(xiàn)聲光告警燈報(bào)警提示。上位機(jī)的整體流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)整體流程

4 不同干擾因子分析

變電站環(huán)境復(fù)雜，傳感器信息的傳輸容易受到電磁干擾、障礙物干擾、環(huán)境信息等干擾因素[6]。

通過(guò)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行障礙物干擾測(cè)試：無(wú)線(xiàn)傳感器的發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)放置在電氣設(shè)備之間，通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)受一定的影響，產(chǎn)生了5～35 db損耗。解決方案：通過(guò)多次測(cè)試，對(duì)損耗進(jìn)行分析補(bǔ)償，以便減少影響。

通過(guò)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行電磁干擾測(cè)試：將無(wú)線(xiàn)傳感器的子節(jié)點(diǎn)放置在電氣設(shè)備相互作用的部分，距地面2 m處。接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)放置在同一水平面上，然后通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)檢測(cè)通信的丟包率。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離大于10 m時(shí)，接收到的信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離大于18 m時(shí)，接收方則不會(huì)收到任何數(shù)據(jù)。解決方案：改變傳感器節(jié)點(diǎn)天線(xiàn)角度，或者改變傳感器通信信道，一般選擇11號(hào)信道干擾較小。為了減少環(huán)境影響，將采集模塊距離調(diào)整在10 m以?xún)?nèi)，且高度放置在適宜位置，保證正常通信。

通過(guò)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)測(cè)試NB-IOT的穩(wěn)定性，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其信號(hào)穿透能力強(qiáng)，廣覆蓋、受電磁干擾、障礙物干擾較小。

變電站機(jī)房中的電氣設(shè)備在潮濕環(huán)境下會(huì)受到影響，進(jìn)而無(wú)法正常工作。受潮后的電纜的絕緣性也會(huì)大大降低，如果正在運(yùn)行中的電纜發(fā)生進(jìn)水受潮現(xiàn)象，則后果會(huì)十分嚴(yán)重。所以避免這種情況出現(xiàn)的方法主要以預(yù)防為主，要加強(qiáng)電纜溝處對(duì)濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)做出報(bào)警處理。

5 結(jié)語(yǔ)

文章主要利用ZigBee技術(shù)、NB-IOT技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)等，研究并設(shè)計(jì)出了一套針對(duì)變電站環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了變電站以往傳統(tǒng)布線(xiàn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中布線(xiàn)麻煩、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確度差、技術(shù)成本高等問(wèn)題。并在變電站不同區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器(如氣體傳感器、溫濕度傳感器、水浸傳感器等)，利用這些節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸，并完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。