傅仁軒, 王慶華, 陳龍飛

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)一直是工程技術(shù)人員面臨的難題，低功耗已成為越來(lái)越多應(yīng)用系統(tǒng)的需求，降低系統(tǒng)功耗成為迫切需要解決的問(wèn)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(chǎng)合，對(duì)系統(tǒng)及終端的功耗無(wú)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(mén)井下等供電困難的場(chǎng)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(zhǎng)電池的供電時(shí)間，現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)的通信模式不能滿(mǎn)足低功耗的使用要求。因此，研究和設(shè)計(jì)SCADA系統(tǒng)低功耗的通信模式具有非常重要的實(shí)際意義。

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

針對(duì)以上問(wèn)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(shè)計(jì)了周期巡測(cè)模式和事件驅(qū)動(dòng)模式相結(jié)合的通信模式，解決了SCADA系統(tǒng)的低功耗問(wèn)題。

1 低功耗系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)分析比較傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的各種通信方式[7]，由于網(wǎng)絡(luò)和通信模式等原因，數(shù)據(jù)終端的功耗很難降低，無(wú)法滿(mǎn)足電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。

NB-IoT采用功耗節(jié)省模式和增強(qiáng)的非連續(xù)接收模式兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(shí)間。在休眠狀態(tài)通信模組關(guān)閉收發(fā)單元，此時(shí)的電量消耗最低，這種周期性的狀態(tài)轉(zhuǎn)換能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。因此選用NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)低功耗的SCADA系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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

數(shù)據(jù)中心編寫(xiě)通信程序從IoT平臺(tái)讀取終端的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和處理，形成各種報(bào)表用于指導(dǎo)生產(chǎn)，也能將控制信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)參數(shù)和控制設(shè)備的目的。

通信網(wǎng)絡(luò)包括NB-IoT基站、核心網(wǎng)及IoT平臺(tái)，由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)建設(shè)。

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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

2 通信模式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主站)與數(shù)據(jù)終端(以下簡(jiǎn)稱(chēng)從站)之間大部分時(shí)間沒(méi)有通信存在，從站一直處于待命狀態(tài)，當(dāng)主站有查詢(xún)命令或控制命令時(shí)，從站執(zhí)行相應(yīng)的操作。這種通信模式下對(duì)從站的功耗是一種浪費(fèi)，有市電的數(shù)據(jù)終端對(duì)用戶(hù)沒(méi)有影響，但對(duì)于電池供電的數(shù)據(jù)終端，用戶(hù)無(wú)法接受。為了降低功耗，設(shè)計(jì)事件驅(qū)動(dòng)模式和周期巡測(cè)模式相結(jié)合的通信模式，以事件驅(qū)動(dòng)為主通信模式，當(dāng)有重點(diǎn)關(guān)注的情況下系統(tǒng)采用周期巡測(cè)模式。

2.1 周期巡測(cè)模式

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

圖2 周期巡測(cè)模式流程圖

周期巡測(cè)模式一般包括以下三種情況。

(1)選擇重點(diǎn)區(qū)域的終端。不間斷輪巡重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的終端工作狀態(tài)，主站選擇重點(diǎn)關(guān)注的某個(gè)從站或多個(gè)從站，對(duì)選擇重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)的某個(gè)/多個(gè)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(shí)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(nèi)的所有從站逐一發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，每個(gè)從站收到讀取本從站數(shù)據(jù)命令時(shí)將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。

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

2.2 事件驅(qū)動(dòng)模式

事件驅(qū)動(dòng)模式是一種主站不發(fā)送命令，從站主動(dòng)上報(bào)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(dāng)從站有事件發(fā)生時(shí)，立即由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換為活動(dòng)狀態(tài)，啟動(dòng)通信并向主站發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)。事件驅(qū)動(dòng)模式的流程如圖3所示。

圖3 事件驅(qū)動(dòng)模式流程圖

此處的事件一般包括以下四種情況。

(1)定時(shí)發(fā)送。按設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。為避免大量從站同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致主站發(fā)生數(shù)據(jù)擁堵現(xiàn)象，可以設(shè)置一個(gè)相移時(shí)間參數(shù)。

(2)閾值報(bào)警。包括上限報(bào)警和下限報(bào)警，被監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)上下限閾值時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。假設(shè)上限閾值為H，下限閾值為L(zhǎng)，當(dāng)?shù)趇次采集的數(shù)據(jù)Xi>H或Xi

(3)差值報(bào)警。連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)生突變往往預(yù)示著存在潛在的故障。假設(shè)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(dāng)|Xi+1-Xi|>M時(shí)，從站發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)采集，連續(xù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)中心管理人員確認(rèn)報(bào)警或采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定在正常范圍之內(nèi)時(shí)停止發(fā)送。

(4)變位報(bào)警。當(dāng)設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)報(bào)警，即設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)由開(kāi)到關(guān)或由關(guān)到開(kāi)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)中心由1臺(tái)通信服務(wù)器構(gòu)成，數(shù)據(jù)終端2臺(tái)。通信服務(wù)器安裝了監(jiān)控系統(tǒng)軟件，2臺(tái)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(cè)試環(huán)境：通信服務(wù)器放置在辦公室，2臺(tái)數(shù)據(jù)終端由電池供電，主要測(cè)試終端在不同通信模式下的電流，分為靜態(tài)電流測(cè)試與動(dòng)態(tài)電流測(cè)試。終端處于休眠或者待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電流不變，保持一個(gè)靜止的數(shù)值，為靜態(tài)電流，采用萬(wàn)用表測(cè)量。終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)發(fā)射時(shí)間很短，電流是變化的，這時(shí)為動(dòng)態(tài)電流，由于萬(wàn)用表響應(yīng)時(shí)間比較慢，很難捕捉到變化的電流，需要使用示波器進(jìn)行測(cè)量。

1號(hào)終端的通信模式采用主從方式，默認(rèn)工作在待命狀態(tài)。2號(hào)終端的通信模式以事件驅(qū)動(dòng)為主，周期巡測(cè)模式為輔，默認(rèn)工作在休眠狀態(tài)。2臺(tái)終端的工作狀態(tài)設(shè)置為每分鐘采集數(shù)據(jù)1次，每15 min進(jìn)行1次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，每小時(shí)發(fā)送1次數(shù)據(jù)。測(cè)試了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的動(dòng)態(tài)電流、待命時(shí)的靜態(tài)電流以及功耗情況分別見(jiàn)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(cè)試結(jié)果表明，主從通信模式的1號(hào)終端1年功耗約15 Ah，低功耗通信模式的2號(hào)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(jié)束語(yǔ)

本文選用NB-IoT低功耗通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)適合低功耗終端運(yùn)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(shè)計(jì)滿(mǎn)足了低功耗使用的要求，為各行業(yè)的低功耗應(yīng)用提供了解決方案，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。