傅仁軒, 王慶華, 陳龍飛

(1.廣東工貿職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 廣州 510510；2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引 言

設備的低功耗設計一直是工程技術人員面臨的難題，低功耗已成為越來越多應用系統(tǒng)的需求，降低系統(tǒng)功耗成為迫切需要解決的問題。

一般的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)，終端通常安裝在有交流供電的場合，對系統(tǒng)及終端的功耗無特殊要求。但在很多情況下，終端要求安裝在野外和管道閥門井下等供電困難的場合，只能采用電池供電，這就要求終端系統(tǒng)的電流消耗盡可能小，以降低終端的功耗，延長電池的供電時間，現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)的通信模式不能滿足低功耗的使用要求。因此，研究和設計SCADA系統(tǒng)低功耗的通信模式具有非常重要的實際意義。

為了降低功耗，文獻[1]采用了硬件的低功耗微處理器、低電壓的外圍芯片；文獻[2-3]設計了微處理器的工作模式與停機模式；文獻[4]利用低功耗的網(wǎng)絡。但是以上這些只是從降低終端自身的功耗出發(fā)，而沒有從系統(tǒng)的通信模式方面進行低功耗的設計。

針對以上問題，本文提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)[5-6](narrow band internet of things, NB-IoT)的低功耗SCADA系統(tǒng)，研究了低功耗的通信模式，設計了周期巡測模式和事件驅動模式相結合的通信模式，解決了SCADA系統(tǒng)的低功耗問題。

1 低功耗系統(tǒng)總體方案設計

通過分析比較傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的各種通信方式[7]，由于網(wǎng)絡和通信模式等原因，數(shù)據(jù)終端的功耗很難降低，無法滿足電池供電的應用場合。

NB-IoT采用功耗節(jié)省模式和增強的非連續(xù)接收模式兩個關鍵技術實現(xiàn)低功耗，工作狀態(tài)包括連接狀態(tài)、待命狀態(tài)和休眠狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)需要，核心網(wǎng)可以修改連接狀態(tài)和休眠狀態(tài)的持續(xù)時間。在休眠狀態(tài)通信模組關閉收發(fā)單元，此時的電量消耗最低，這種周期性的狀態(tài)轉換能實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。因此選用NB-IoT通信網(wǎng)絡設計低功耗的SCADA系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡結構圖

SCADA系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)終端三部分組成。

數(shù)據(jù)中心編寫通信程序從IoT平臺讀取終端的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和處理，形成各種報表用于指導生產，也能將控制信號發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，實現(xiàn)調節(jié)參數(shù)和控制設備的目的。

通信網(wǎng)絡包括NB-IoT基站、核心網(wǎng)及IoT平臺，由運營商負責建設。

數(shù)據(jù)終端由電源、微處理器、傳感器及通信模塊等組成，采集現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。

2 通信模式設計

傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心(以下簡稱主站)與數(shù)據(jù)終端(以下簡稱從站)之間大部分時間沒有通信存在，從站一直處于待命狀態(tài)，當主站有查詢命令或控制命令時，從站執(zhí)行相應的操作。這種通信模式下對從站的功耗是一種浪費，有市電的數(shù)據(jù)終端對用戶沒有影響，但對于電池供電的數(shù)據(jù)終端，用戶無法接受。為了降低功耗，設計事件驅動模式和周期巡測模式相結合的通信模式，以事件驅動為主通信模式，當有重點關注的情況下系統(tǒng)采用周期巡測模式。

2.1 周期巡測模式

周期巡測模式是一種主從工作方式，從站一直處于待命狀態(tài)，當接收到主站的命令時，從站發(fā)送數(shù)據(jù)。周期巡測模式流程如圖2所示。

圖2 周期巡測模式流程圖

周期巡測模式一般包括以下三種情況。

(1)選擇重點區(qū)域的終端。不間斷輪巡重點關注區(qū)域的終端工作狀態(tài)，主站選擇重點關注的某個從站或多個從站，對選擇重點關注區(qū)域內的某個/多個從站逐一輪巡發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，從站收到命令時將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。

(2)選擇普通區(qū)域的終端。不間斷輪巡全部終端，主站向系統(tǒng)內的所有從站逐一發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，每個從站收到讀取本從站數(shù)據(jù)命令時將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。

(3)固定時間輪巡。主站按一定的時間周期向系統(tǒng)內的所有從站逐一輪巡發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，每個從站收到讀取本從站數(shù)據(jù)命令時將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。

2.2 事件驅動模式

事件驅動模式是一種主站不發(fā)送命令，從站主動上報的工作方式。從站一般情況下不發(fā)送數(shù)據(jù)，處于休眠狀態(tài)。當從站有事件發(fā)生時，立即由休眠狀態(tài)轉換為活動狀態(tài)，啟動通信并向主站發(fā)送當前數(shù)據(jù)。事件驅動模式的流程如圖3所示。

圖3 事件驅動模式流程圖

此處的事件一般包括以下四種情況。

(1)定時發(fā)送。按設定的時間間隔定時發(fā)送數(shù)據(jù)。為避免大量從站同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)導致主站發(fā)生數(shù)據(jù)擁堵現(xiàn)象，可以設置一個相移時間參數(shù)。

(2)閾值報警。包括上限報警和下限報警，被監(jiān)測參數(shù)超過上下限閾值時發(fā)送數(shù)據(jù)。假設上限閾值為H，下限閾值為L，當?shù)趇次采集的數(shù)據(jù)Xi>H或Xi

(3)差值報警。連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)差值超過設定值時發(fā)送數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)發(fā)生突變往往預示著存在潛在的故障。假設二次相鄰數(shù)的差值閾值為M，第i次采集的數(shù)據(jù)為Xi，第i+1次采集的數(shù)據(jù)為Xi+1，當|Xi+1-Xi|>M時，從站發(fā)送當前狀態(tài)數(shù)據(jù)并實時采集，連續(xù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)中心管理人員確認報警或采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定在正常范圍之內時停止發(fā)送。

(4)變位報警。當設備開關狀態(tài)發(fā)生變化時報警，即設備開關狀態(tài)由開到關或由關到開狀態(tài)發(fā)生變化時，發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 測試驗證

測試平臺數(shù)據(jù)中心由1臺通信服務器構成，數(shù)據(jù)終端2臺。通信服務器安裝了監(jiān)控系統(tǒng)軟件，2臺數(shù)據(jù)終端硬件配置相同(電池選用19 Ah的ER 34615鋰電池)，但采用不同的通信模式。

測試環(huán)境：通信服務器放置在辦公室，2臺數(shù)據(jù)終端由電池供電，主要測試終端在不同通信模式下的電流，分為靜態(tài)電流測試與動態(tài)電流測試。終端處于休眠或者待機狀態(tài)時，電流不變，保持一個靜止的數(shù)值，為靜態(tài)電流，采用萬用表測量。終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號發(fā)射時間很短，電流是變化的，這時為動態(tài)電流，由于萬用表響應時間比較慢，很難捕捉到變化的電流，需要使用示波器進行測量。

1號終端的通信模式采用主從方式，默認工作在待命狀態(tài)。2號終端的通信模式以事件驅動為主，周期巡測模式為輔，默認工作在休眠狀態(tài)。2臺終端的工作狀態(tài)設置為每分鐘采集數(shù)據(jù)1次，每15 min進行1次數(shù)據(jù)存儲，每小時發(fā)送1次數(shù)據(jù)。測試了發(fā)送數(shù)據(jù)時的動態(tài)電流、待命時的靜態(tài)電流以及功耗情況分別見表1和表2。

表1 主從通信模式功耗情況

表2 低功耗通信模式功耗情況

測試結果表明，主從通信模式的1號終端1年功耗約15 Ah，低功耗通信模式的2號終端1年功耗約4.7 Ah，低功耗通信模式顯著降低了功耗。

4 結束語

本文選用NB-IoT低功耗通信網(wǎng)絡，設計適合低功耗終端運行的通信模式，顯著降低了終端的功耗，節(jié)約了終端的成本。本設計滿足了低功耗使用的要求，為各行業(yè)的低功耗應用提供了解決方案，具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。