楊柳林，劉沖鶴

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，我國已組建了一個巨大的傳輸網(wǎng)絡(luò)。輸電桿塔作為支撐電力傳輸?shù)闹匾画h(huán)直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來，電力桿塔倒塌事故時有發(fā)生，造成了大量的經(jīng)濟損失。由眾多報告顯示，桿塔倒塌事故大多由眾多微小的改變累加而成[1]，但在初期工作人員往往無法直觀地注意到桿塔姿態(tài)的變化。因此，研究輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測有著十分重要的意義。

在早期階段，桿塔的信息監(jiān)測只能通過工作人員持檢測儀器定時沿線路巡檢[2]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)階段已研制出多款智能機器人替代人工進行巡線工作[3-4]，但智能機器人受巡檢范圍、電量損耗、高空移動等限制，尚無法實現(xiàn)完全智能化大規(guī)模自動巡檢，且制作成本較高。無線通信技術(shù)需要布置傳感器進行定點測量，但由于測量裝置需長期處在高壓且無源環(huán)境下工作，因此，裝置電量的問題直接影響著使用壽命。其中，有研究利用蓄電池與太陽能電池板混合的供電方式[5-6]，但考慮到布置數(shù)量巨大，采用太陽能電池板極大地增加了成本，由于太陽能電池板質(zhì)量等因素，在長時間頻繁使用時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低，長期暴露在外部環(huán)境中易損壞器件，且后期維護不易。因此，無法很好地解決高壓環(huán)境下對微電子設(shè)備的充電問題。現(xiàn)有技術(shù)多利用減少器件損耗和減少通信損耗的方式來解決裝置長期運行的問題。在通信方式選擇方面，文獻[7]利用ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)對桿塔姿態(tài)進行監(jiān)測，并利用卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進行降噪，實現(xiàn)精度測量；文獻[8]通過對輸電鐵塔不同高度的傾斜角度分析，利用光纖傳感進行桿塔監(jiān)測；文獻[9]采用4G傳輸方式實現(xiàn)遠程輸電鐵塔的狀態(tài)監(jiān)測；文獻[10]基于MEMS的加速度傳感器，并采用SHM技術(shù)對塔身傾斜角度、溫濕度等運行狀態(tài)進行無線監(jiān)測；文獻[11]基于最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了智能路燈控制，滿足了智慧城市的建設(shè)需求；在測量精度方面，文獻[12]根據(jù)鐵塔結(jié)構(gòu)對傳感器進行優(yōu)化布置，實現(xiàn)鐵塔參數(shù)的精確測量；文獻[13]基于桿塔傾斜度、導(dǎo)線張力等測量值研究了一種輸電線路機械狀態(tài)估計的在線監(jiān)測技術(shù)。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在利用無線通信系統(tǒng)對所需信息進行監(jiān)測時，大都考慮了測量精度、測量方法的優(yōu)化，在面對設(shè)備實際功耗等問題時，無法給出較為有效的解決方案。通過現(xiàn)有的技術(shù)可知，對裝置電能的優(yōu)化可以從四個方面進行：

1）低功耗器件的合理選型與搭配；

2）根據(jù)實際測量需求調(diào)整采集、傳輸頻率；

3）利用先進的通信方式減少信息傳輸損耗；

4）根據(jù)測量環(huán)境實現(xiàn)同步智能控制。

由此，本文基于NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計一種低功耗桿塔姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對桿塔所處不同環(huán)境的考量分析，對終端器件的合理選型與搭配，并調(diào)整采集與傳輸頻率，以達到降低功耗的要求，實現(xiàn)基于云端平臺的遠程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、平臺管理等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，桿塔測量系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。其中，感知層由多個終端構(gòu)成，可實現(xiàn)遠程交互并設(shè)計節(jié)能電路降低功耗。網(wǎng)絡(luò)層包括NB-IoT、基站與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議棧。NB-IoT是通過現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)組建的一種新的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、廣覆蓋等優(yōu)點。NB-IoT技術(shù)可實現(xiàn)獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署，并能直接部署在GSM、GPRS、CDMA等無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平滑升級。應(yīng)用層包括云端平臺開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理等功能。

圖1 桿塔測量系統(tǒng)

2 終端設(shè)計

終端硬件部分主要由MCU、電源模塊、NB-IoT模塊、傾角傳感器組成。為最大限度降低電量損耗，在器件選型中會在滿足工作性能的前提下重點考慮能耗和經(jīng)濟方面的因素，終端架構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端架構(gòu)圖

2.1 控制芯片

文中選擇意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)的STM32L431作為控制芯片。該芯片能夠在1.71～3.6 V電壓下工作，且在運行模式下的功耗為84μA/MHz。STM32L431具有BOR功能，能夠在除關(guān)斷之外的所有模式下工作，且擁有7種低功耗模式供選擇，在關(guān)斷模式下的電流為8 nA。因此，采用該型號MCU能夠滿足多種環(huán)境下的設(shè)備低功耗運行。

2.2 NB-IoT模組

NB模組選用QUECTEL系列，常用NB模組為BC95和BC35-G。與BC95模組相比，兩種NB模組功耗相同，BC35-G可支持外部Class B USIM卡的電壓范圍更廣，支持更多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和頻段，提升了后期擴展能力。在數(shù)據(jù)傳輸方面，BC35-G可支持的傳輸方式更多，且下行傳輸速率更高。因此，選用BC35-G型號的NB模組更加適應(yīng)桿塔后期的大規(guī)模部署和擴展能力。

BC35-G供電電壓范圍為3.1～4.2 V，設(shè)有Active、Idle、PSM三種工作模式，引腳特性表如表1所示。

表1 NB-IoT模組VABT引腳特性

在PSM模式下最大耗流為5μA。對BC35-G電路進行改進，在靠近電源輸入端接入4.7μF的鉭電容C28和兩個0.1μF的濾波電容C25，C26，保證良好的供電性能。在29，30引腳處串聯(lián)R29，R30電阻，降低串口功耗；在USIM卡的引腳處增加雙向TVS管以保證較好的靜電防護性能；裝設(shè)天線并在RF_ANT端設(shè)計了π型匹配電路，用于更好地調(diào)節(jié)射頻性能，電路如圖3所示。

圖3 NB-IoT模組電路圖

2.3 傳感器

系統(tǒng)采用VTI公司研發(fā)的SCA100T-D02雙軸加速度傳感器，該傳感器由5 V電源供電，分辨率為0.002 5°，在測量時可自動實現(xiàn)溫度補償。當(dāng)桿塔發(fā)生傾斜時，傳感器將感應(yīng)到其傾斜時所產(chǎn)生的電信號，由式（1）可實現(xiàn)輸出電壓與角度的計算；將輸出電壓經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，由SPI串口傳送至MCU，由式（2）實現(xiàn)數(shù)字量與角度的計算。

式中：α為傾斜角；Vout為器件輸出的模擬量；Offset為電壓輸出的初始值；Sensitivity為器件靈敏度，此處為2 V/g，當(dāng)加速度為g時，輸出電壓為2 V。

式中：α為傾斜角；Dout為數(shù)字量輸出；Dout@0°為0°時數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)的數(shù)字量，在十進制下的標準值為1 024；Sens為器件的靈敏度，當(dāng)加速度為g時輸出數(shù)字量在十進制下的標準值為819。

2.4 電源模塊

電源電路如圖4所示，在電源電路中加入單極性和雙極性TVS管，在供電瞬間TVS管以極快的速度將D1，D2兩極間的阻抗變低，實現(xiàn)過壓保護。在開關(guān)頻率較低的情況下采用電源管理芯片增大了能耗，由此放棄選用可實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)的電源管理芯片，而轉(zhuǎn)向選擇輸出電壓為5 V的MP3414A升壓轉(zhuǎn)換芯片和輸出電壓為3.3 V的MP1601GTF降壓轉(zhuǎn)換芯片，來滿足器件安全運行。采用NMOS和PMOS對電源電路進行節(jié)能控制，當(dāng)MCU被定時器喚醒，Q1（NMOS）在柵極高電平時動作，電源電路正常供電，終端開始初始化并實現(xiàn)通信過程；通信過程結(jié)束后，由MCU控制Q2（PMOS）柵極低電平導(dǎo)通，Q1不動作，電源電路進入低功耗模式。Q1，Q2在導(dǎo)通與截止時，電壓下降或上升的過程存在開關(guān)損耗P=UI，基于桿塔信息傳輸?shù)牡兔舾刑匦?，通過控制開關(guān)頻率來減少開關(guān)損耗；在Q1，Q2導(dǎo)通后均存在導(dǎo)通損耗，本文采用導(dǎo)通電阻小的Si2302CDS-T1-GE3來減小此過程損耗。

圖4 電源電路圖

電源由4×ICR18650CL/2 200 mA·h低溫鋰電池組供電，ICR18650CL體積小、重量輕，輸出電壓為3.7 V，充電上限為4.2 V，能夠工作在-40～85℃溫度下。在常溫下電池容量能夠保持在93.68%～99.21%，在-40℃下，電池容量仍能保持在72.77%～76.32%范圍內(nèi)。ICR18650CL預(yù)期使用壽命為10年，常溫下年自放電為1%，較為適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下長期工作的需求，電池不同溫度放電曲線如圖5所示。

圖5 電池在不同溫度下放電曲線

3 終端主控程序設(shè)計

終端的主控程序在Keil MDK嵌入式開發(fā)軟件下進行編程和調(diào)試。

3.1 NB-IoT通信程序

MCU先發(fā)出寄存器指針和傳感器地址，由MCU讀取存于傳感器存儲單元的測量值，通過二進制碼與BCD碼轉(zhuǎn)換并計算，將結(jié)果存于存儲單元并傳遞至NB模塊，NB模塊將數(shù)據(jù)封裝成多個獨立的數(shù)據(jù)包并按順序發(fā)送。系統(tǒng)在測試環(huán)境中，將以4 h為周期傳輸數(shù)據(jù)，在同一區(qū)域內(nèi)的終端采用梯次傳輸方式，提高頻譜利用率，避免信息阻塞。根據(jù)不同測量需求設(shè)置eDRX模式和PSM模式減小待機功耗。

3.2 NB-IoT通信機制

NB-IoT模組采用半雙工通信方式經(jīng)eNodeB與核心網(wǎng)建立默認承載，由核心網(wǎng)中的P-GW（PDN GateWay）為終端分配IP地址，并將測量信息經(jīng)核心網(wǎng)傳輸至NB-IoT平臺。終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、命令等信息在NB-IoT平臺進行解析并存儲，云端平臺通過RESTful接口得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。針對資源受限的特點，采用雙層結(jié)構(gòu)的CoAP通信協(xié)議對低數(shù)據(jù)量傳輸進行優(yōu)化。NB-IoT的協(xié)議棧在LTE的協(xié)議?；A(chǔ)上做出修改，減少了PHY層的信道，對MAC層、RLC層和PDCP層進行優(yōu)化，弱化協(xié)議棧的處理功能并在RRC層增加eDRX、PSM等功能。NB-IoT上行傳輸支持SC-FDMA技術(shù)，下行傳輸采用OFDMA技術(shù)，與LTE系統(tǒng)相似，且NB-IoT中相鄰子載波間的中心頻點距離與LTE系統(tǒng)相同，減小了帶內(nèi)部署下信息傳輸?shù)母蓴_。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，在發(fā)射功率相同時，NB-IoT的PSD（Power Spectrum Density）更高，采用重復(fù)傳送方式也增強了信息覆蓋能力和傳輸可靠性。

3.3 MCU控制程序

MCU控制程序為桿塔姿態(tài)監(jiān)測的主導(dǎo)模塊，該模塊實現(xiàn)對終端定時喚醒、休眠等所有功能的控制、調(diào)配，通過控制模塊的協(xié)調(diào)使終端正常運行，系統(tǒng)初始化如圖6所示。

圖6 MCU控制模塊初始化

主要工作流程如圖7所示。由電壓采集模塊采集電源電壓，當(dāng)電壓低于閾值時，跳過后續(xù)程序，通過NB模組發(fā)送警報1并休眠；當(dāng)電源電壓正常，則執(zhí)行后續(xù)程序；由傳感器采集傾斜角、溫度等參數(shù)，當(dāng)測量值超出閾值時，發(fā)送警報信息。若信息發(fā)送失敗，并在指定重復(fù)次數(shù)內(nèi)無法成功發(fā)送，則終端進入休眠模式。

圖7 MCU控制模塊流程

4 云端平臺設(shè)計

云端平臺管理系統(tǒng)能夠?qū)⒋罅康男畔R聚在一起實現(xiàn)遠程監(jiān)控，其主要由設(shè)備中心模塊、監(jiān)控模塊、警報模塊、用戶模塊、系統(tǒng)管理模塊組成，結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 云端平臺結(jié)構(gòu)圖

1）設(shè)備中心

設(shè)備中心模塊是對終端的統(tǒng)一管理，新的設(shè)備需要將信息錄入云端平臺才能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測，該模塊能夠錄入或刪除終端信息并對其編碼、修改除IMEI號、IMSI號外的其他非核心信息，如設(shè)備名稱、經(jīng)緯度等；由于不同測量環(huán)境的實際觸發(fā)閾值是存在差異的，本文通過設(shè)備中心增減觸發(fā)器、修改觸發(fā)條件實現(xiàn)靈活控制。

2）數(shù)據(jù)監(jiān)測

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊可顯示總終端數(shù)、在線終端數(shù)等信息，并能查看傾斜角度、溫度、電壓等信息；由于終端設(shè)置在桿塔高處，使得數(shù)據(jù)變化更明顯，根據(jù)長期測量數(shù)據(jù)能夠合理預(yù)測桿塔姿態(tài)變化趨勢，傾斜角變化曲線如圖9所示，桿塔在大風(fēng)等外力作用下受迫振動時，易產(chǎn)生-4°～4°的搖擺角，均處在正常變化范圍內(nèi)；模塊內(nèi)嵌百度地圖，可顯示終端位置等基本信息；基于大量的測量信息，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊調(diào)節(jié)觸發(fā)條件減小測量誤差。

圖9 傾斜角變化曲線

3）警報模塊

當(dāng)監(jiān)測信息達到觸發(fā)器所設(shè)置閾值時，會將報警信息傳至警報模塊處理。在警報模塊下，報警信息能夠以列表的形式展示并可直接處理；通過警報模塊下發(fā)命令修改上報數(shù)據(jù)的時間間隔。

4）用戶管理

在用戶管理模塊下能夠增減、修改云端平臺管理賬戶并設(shè)置不同權(quán)限；同一賬戶下可綁定多個終端且在相應(yīng)賬戶信息中添加手機號、郵箱等信息，當(dāng)終端觸發(fā)閾值時，能夠?qū)ο鄳?yīng)綁定賬戶發(fā)送報警短信。

5）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)使用Ali的短信網(wǎng)關(guān)，在接收到警報信息后，系統(tǒng)自動編輯警報信息并發(fā)送至工作人員，或設(shè)置由網(wǎng)絡(luò)向工作人員發(fā)送郵件；通過系統(tǒng)管理模塊查看運行日志所在文件，能夠準確找出相應(yīng)運行信息并分析故障原因。

5 終端功耗測試

通過對主要器件的選型與電路設(shè)計，分別在工作狀態(tài)持續(xù)5 s，休眠狀態(tài)持續(xù)14 400 s兩種方式下進行多次測量，所測得部分器件測試結(jié)果如表2所示。

表2 部分終端器件測量參數(shù)

終端休眠功耗如圖10所示，在休眠241.35 s下，采集樣本數(shù)為1 206 749，所測設(shè)備休眠電流為80μA，休眠能耗為5.18μA·h，在1 000 mA·h容量下預(yù)計休眠12 951.39 h。

圖10 終端休眠功耗

由式（3），式（4）計算終端運行時長：

式中：P1+P2為每個測量周期的平均功耗，P1為終端工作能耗，P2為休眠能耗；Ii為主要耗能器件工作電流；I4為終端休眠電流；t1為終端工作時間；t2為終端休眠時間；B為終端電池組容量；f為每日終端測量次數(shù)；N為終端預(yù)計運行年限；D終端運行天數(shù)。

系統(tǒng)通過測試，實現(xiàn)以下功能：

1）對器件合理選型與搭配，針對特殊的應(yīng)用環(huán)境，利用高效的升壓芯片、降壓芯片替代平滑調(diào)節(jié)的電源管理芯片，降低了設(shè)備能耗。

2）基于現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)，利用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)了低功耗、低成本、廣覆蓋的實際需求。

3）通過MCU設(shè)計控制模塊，根據(jù)具體環(huán)境改變終端通信頻率和低功耗模式，延長終端工作時間；在同一區(qū)域避開測量時間，節(jié)約頻譜資源。

4）設(shè)計了云平臺，實現(xiàn)了遠程收集桿塔姿態(tài)信息的應(yīng)用需求，降低了成本和工作強度；內(nèi)嵌百度地圖，直觀反映運行線路和設(shè)備組網(wǎng)情況；并實現(xiàn)云端與終端的交互和遠程升級，提高了設(shè)備的可利用率。

6 結(jié) 論

針對輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測成本高、壽命短等問題，文中采用NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計了低功耗桿塔姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過對器件搭配和節(jié)能電路設(shè)計，采用梯次傳輸方式和降低通信頻率，減少了功耗和成本，提高了頻譜利用率；設(shè)計了云端平臺，實現(xiàn)遠程控制和平臺模塊化管理，匯聚了大量數(shù)據(jù)樣本，為其他應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。實驗結(jié)果表明，終端滿足低功耗運行預(yù)期，云端平臺能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、命令下發(fā)等預(yù)定功能?？紤]信號較差時設(shè)備信息發(fā)送失敗等因素影響，系統(tǒng)在正常環(huán)境下，可至少工作5年。針對桿塔形態(tài)多樣化的特點，如何提高測量精度、優(yōu)化終端布置位置和數(shù)量將是本文下一步研究的重點。