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        基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器在城市燃?xì)庵械蛪赫{(diào)壓箱中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

        2023-09-21 08:17:12盧明浩
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年22期
        關(guān)鍵詞:調(diào)壓采集器模組

        盧明浩

        (北京順義燃?xì)庥邢挢?zé)任公司,北京)

        1 背景及現(xiàn)狀

        近年來全國多地燃?xì)庑孤侗ㄊ鹿暑l發(fā),特別是中低壓調(diào)壓箱,數(shù)量眾多,靠近用戶側(cè),發(fā)生泄露爆炸事故時(shí),可能會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失,且普遍不具備市政電源接入條件,沒有納入監(jiān)控系統(tǒng),處于監(jiān)控盲區(qū),應(yīng)采取有效的監(jiān)控措施,保障中低壓調(diào)壓箱的運(yùn)行安全。

        2 目的和意義

        為了滿足對(duì)中低壓調(diào)壓箱遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的可靠性需求,同時(shí)解決系統(tǒng)功耗高、數(shù)據(jù)傳輸安全性差等問題,本文結(jié)合低功耗技術(shù)、傳感器技術(shù)、Cat.1無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及中低壓調(diào)壓箱現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器,構(gòu)建完善的中低壓調(diào)壓箱監(jiān)控系統(tǒng),切實(shí)提高中低壓調(diào)壓箱運(yùn)行的安全系數(shù),有效保障天然氣用戶側(cè)的安全。其目的和意義在于:

        (1) 適用于中低壓調(diào)壓箱的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓箱進(jìn)出口壓力及天然氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控,確實(shí)提高無人值守站點(diǎn)運(yùn)行安全水平,降低人工巡檢的人力、物力成本。

        (2) 超低功耗技術(shù),采用一次性鋰電池+外置電池供電模式,從采集器硬件電路設(shè)計(jì)、軟件功能設(shè)計(jì)、電源管理策略及外設(shè)傳感器選型等方面入手,不斷的降低電池放電電流及系統(tǒng)整體功耗,同時(shí)確保系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

        (3) 數(shù)據(jù)安全加密技術(shù),將國密安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中,構(gòu)建一體化的國密安全通訊模組,全面提升通訊數(shù)據(jù)的安全性。

        (4) 與SCADA 系統(tǒng)的融合,采用Cat.1 通訊模式,利用已建SCADA 系統(tǒng)的通訊專網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)采集器和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)的通訊,并將采集到的數(shù)據(jù),并入SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合展示和應(yīng)用[1]。

        3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)需求分析

        隨著傳感器技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及電池技術(shù)的迅速發(fā)展,目前低功耗智能終端設(shè)備已廣泛應(yīng)用于智慧能源、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)的基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器,主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守、無市電供應(yīng)的中低壓調(diào)壓箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        通過對(duì)中低壓調(diào)壓箱監(jiān)控系統(tǒng)背景及現(xiàn)狀分析,采集器需要滿足的主要功能如下:

        (1) 數(shù)據(jù)采集功能:進(jìn)出口壓力、天然氣濃度、環(huán)境溫度及電池電壓;

        (2) 系統(tǒng)功耗:采用一次性鋰電池+外置電池供電,在內(nèi)置電池供電模式下,壓力、溫度、電池電壓采集周期為5 min,天然氣濃度采集周期為1 h,在上傳周期為20 min 模式下,通過軟、硬件低功耗設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)電源管理等手段,系統(tǒng)可以連續(xù)使用1.5 年以上;數(shù)據(jù)采集、上傳周期可設(shè)置;

        (3) 通訊方式:4G-Cat.1 低功耗通訊模式,支持全網(wǎng)通;

        (4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ):5 min 一存儲(chǔ),本地可連續(xù)存儲(chǔ)1 年以上歷史數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可通過本地USB 口下載;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期可設(shè)置;

        (5) 防爆標(biāo)志:Exd ia II BT6;

        (6) 防護(hù)等級(jí):IP68;

        (7) 工作溫度:-30 ℃~70 ℃。

        3.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        本次設(shè)計(jì)的基于CAT.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗數(shù)據(jù)采集器采用內(nèi)置一次性鋰電池+外置電池供電模式,通過MCU 完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警處理等功能,并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)度中心工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),系統(tǒng)的組成框圖如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)的組成框圖

        4 低功耗設(shè)計(jì)

        采集器需長時(shí)間運(yùn)行在無人值守的中低壓調(diào)壓箱內(nèi),無市電接入,依靠內(nèi)置鋰電池+外置電池供電,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了減少電池的頻繁更換,降低人工維護(hù)成本,系統(tǒng)從硬件電路設(shè)計(jì)、器件選型、電源管理、通訊模式和軟件功能等方面來不斷的降低系統(tǒng)功耗,滿足系統(tǒng)的功能需求[2]。

        4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

        (1) MCU 單元

        MCU 是采集器的核心控制單元,負(fù)責(zé)與系統(tǒng)各個(gè)功能模塊共同完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸、報(bào)警處理、人機(jī)交互等功能。本系統(tǒng)采用STM32 系列32位增強(qiáng)型STM32F103VCT6 芯片作為系統(tǒng)的MCU,該芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器,最高工作頻率72MHz,具有待機(jī)、休眠、停止三種低功耗運(yùn)行模式,2.0~3.6V 電壓供電,待機(jī)或停機(jī)模式下,功耗低至幾μA,通過低功耗RTC 芯片提供的精確時(shí)鐘源,定時(shí)喚醒,在完成數(shù)據(jù)的采集或上傳后立即進(jìn)入休眠模式,最大限度的降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

        (2) 供電單元

        本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)置3.7V19Ah 一次性鋰電池+外置電池為整個(gè)系統(tǒng)供電,由MCU 合理調(diào)度、靈活切換各功能模塊的供電,只在某個(gè)功能模塊調(diào)用前上電,完成工作后立即斷電,進(jìn)入休眠或停止模式。

        設(shè)計(jì)選用SPX5205M5-L-3-3 型恒壓變壓器芯片,將3.7V 鋰電池電壓降為3.3V 為內(nèi)部各功能模塊供電,見圖2。

        圖2 微功耗邏輯控制原理圖

        (3) 信號(hào)采集單元

        ①I2C 或SPI 串行接口電路。調(diào)壓站壓力變送器普遍采用4-20 mA 輸出信號(hào),功耗較大,本設(shè)計(jì)采用MPM3808 數(shù)字壓力傳感器,該傳感器采用3.3V 電壓供電,工作模式下供電電流2.5 mA,待機(jī)模式下供電電流可低至5 μA,支持標(biāo)準(zhǔn)I2C 接口協(xié)議或SPI 接口協(xié)議輸出,可以方便的接入MCU STM32F103VCT6芯片的SPI 或I2C 接口,配合軟件間接供電模式,可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的低功耗采集。

        ②TTL 并行接口電路。調(diào)壓站濃度變送器普遍采用傳統(tǒng)的催化燃燒式,上電需先預(yù)熱后才能正常檢測,功耗較大,本次設(shè)計(jì)采用本安型激光甲烷傳感器,該傳感器采用激光光譜原理,響應(yīng)速度快,測量范圍大,測量精度高,支持TTL 通訊,額定功耗只有20 mA@ 3.3VDC,可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣濃度的低功耗采集。

        (4) 通訊單元

        本次設(shè)計(jì)采用CAT.1 通訊模組作為無線傳輸模塊,實(shí)現(xiàn)采集器和調(diào)度中心工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通訊;同時(shí)在CAT.1 通訊模塊內(nèi)集成國密級(jí)安全芯片,提高通訊數(shù)據(jù)的安全性。

        4.2 軟件設(shè)計(jì)

        軟件低功耗設(shè)計(jì)主要是通過控制各個(gè)功能模塊的工作喚醒和空閑休眠,控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸時(shí)間來降低系統(tǒng)功耗,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì),見圖3。

        圖3 軟件功能框圖

        (1) 定時(shí)采集、集中上傳

        通過設(shè)定數(shù)據(jù)采集、上傳周期,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、集中上傳。

        例如設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期為1 h,上傳周期為24 h,采集器通過外設(shè)RTC 時(shí)鐘,每小時(shí)喚醒MCU 等功能模塊,完成對(duì)壓力、濃度、電池電量和工作溫度的采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),完成后立即進(jìn)入休眠模式,等待下一個(gè)采集周期;完成24 次采集后,MCU 調(diào)用CAI.1 通訊模組,通訊模組開啟上電撥號(hào)模式,和中心建立連接后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位平臺(tái),完成數(shù)據(jù)發(fā)送后斷開通訊連接,采集器各功能模塊進(jìn)入休眠模式,等待下一個(gè)采集或上傳周期。

        (2) 異常報(bào)警數(shù)據(jù)喚醒模式

        除定時(shí)采集和上報(bào)外,還支持報(bào)警閾值設(shè)定,采集周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)超限時(shí),MCU 立即執(zhí)行CAT.1通訊子程序,將報(bào)警數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送至上位平臺(tái)。

        例如進(jìn)口壓力報(bào)警上限設(shè)定為1.5 Mpa,當(dāng)在任意采集周期內(nèi)采集到的進(jìn)口壓力超過1.5 Mpa 時(shí),MCU 立即啟動(dòng)CAT.1 撥號(hào)上傳程序,將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至上位平臺(tái),見圖4。

        圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

        5 CAT.1 國密安全通訊模組

        5.1 CAT.1 通訊

        Cat.1(全稱LTE UE-Category 1)是4G 通信LTE網(wǎng)絡(luò)下用戶終端類別的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其上行峰值速率5 Mbit/s,下行峰值速率10 Mbit/s,定位于面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場的一個(gè)類別。

        在我國,隨著5G 建設(shè)高速推進(jìn),2G、3G 退出舞臺(tái)已是大勢(shì)所趨,隨著2G 網(wǎng)絡(luò)的承載能力進(jìn)一步減弱,在新部署的物聯(lián)網(wǎng)連接中NB-IoT、4G 會(huì)逐步替代2G模組。相比NB-IoT,Cat.1 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速度和延時(shí)上均有優(yōu)勢(shì);相比傳統(tǒng)的LTE Cat.4 模組,Cat.1 則擁有低成本和低功耗優(yōu)勢(shì)。同時(shí),Cat.1 適配于當(dāng)前國內(nèi)的4G 網(wǎng)絡(luò),非常適合運(yùn)用在對(duì)性價(jià)比、時(shí)延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的運(yùn)用場景[3]。

        5.2 CAT.1 國密安全通訊模組

        目前,物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩允怯脩粢恢币詠肀容^關(guān)注的重點(diǎn),一般的解決方案是通過對(duì)報(bào)文軟加密處理或增設(shè)硬件加密芯片來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

        本次設(shè)計(jì)的低功耗采集器采用國密級(jí)硬件加密芯片,不同于傳統(tǒng)的安全模塊旁掛模式,將國密級(jí)安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中,采用安全模塊前置化串行結(jié)構(gòu),構(gòu)建一體化的Cat.1 國密安全通訊模組,具備標(biāo)準(zhǔn)的Cat.1 通訊能力,同時(shí)支持國密SM2/2/3/4/9 等算法,在模組中內(nèi)嵌密鑰分發(fā),密碼運(yùn)算能力,外部應(yīng)用通過AT 指令訪問Cat.1 模組的安全服務(wù),可實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名驗(yàn)證等功能,簡化通訊結(jié)構(gòu)的同時(shí),有效降低通訊功耗。

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