盧明浩

（北京順義燃氣有限責任公司，北京）

1 背景及現(xiàn)狀

近年來全國多地燃氣泄露爆炸事故頻發(fā)，特別是中低壓調(diào)壓箱，數(shù)量眾多，靠近用戶側，發(fā)生泄露爆炸事故時，可能會造成嚴重的人身傷害和財產(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)，應采取有效的監(jiān)控措施，保障中低壓調(diào)壓箱的運行安全。

2 目的和意義

為了滿足對中低壓調(diào)壓箱遠程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的可靠性需求，同時解決系統(tǒng)功耗高、數(shù)據(jù)傳輸安全性差等問題，本文結合低功耗技術、傳感器技術、Cat.1無線數(shù)據(jù)傳輸技術以及中低壓調(diào)壓箱現(xiàn)狀，設計了一種基于Cat.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊的低功耗采集器，構建完善的中低壓調(diào)壓箱監(jiān)控系統(tǒng)，切實提高中低壓調(diào)壓箱運行的安全系數(shù)，有效保障天然氣用戶側的安全。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，實現(xiàn)對調(diào)壓箱進出口壓力及天然氣濃度的實時監(jiān)控，確實提高無人值守站點運行安全水平，降低人工巡檢的人力、物力成本。

（2） 超低功耗技術，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計、軟件功能設計、電源管理策略及外設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，同時確保系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)運行。

（3） 數(shù)據(jù)安全加密技術，將國密安全芯片集成于Cat.1 通訊模組中，構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，實現(xiàn)采集器和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺的通訊，并將采集到的數(shù)據(jù)，并入SCADA 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的綜合展示和應用[1]。

3 系統(tǒng)總體方案設計

3.1 系統(tǒng)需求分析

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

通過對中低壓調(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、硬件低功耗設計和動態(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：5 min 一存儲，本地可連續(xù)存儲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)存儲周期可設置；

（5） 防爆標志：Exd ia II BT6；

（6） 防護等級：IP68；

（7） 工作溫度：-30 ℃～70 ℃。

3.2 系統(tǒng)總體方案設計

本次設計的基于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、數(shù)據(jù)傳輸、報警處理等功能，并將數(shù)據(jù)遠傳至調(diào)度中心工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，系統(tǒng)的組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

4 低功耗設計

采集器需長時間運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，實現(xiàn)對調(diào)壓箱的遠程監(jiān)控。為了減少電池的頻繁更換，降低人工維護成本，系統(tǒng)從硬件電路設計、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 硬件電路設計

（1） MCU 單元

MCU 是采集器的核心控制單元，負責與系統(tǒng)各個功能模塊共同完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸、報警處理、人機交互等功能。本系統(tǒng)采用STM32 系列32位增強型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、休眠、停止三種低功耗運行模式，2.0～3.6V 電壓供電，待機或停機模式下，功耗低至幾μA，通過低功耗RTC 芯片提供的精確時鐘源，定時喚醒，在完成數(shù)據(jù)的采集或上傳后立即進入休眠模式，最大限度的降低整個系統(tǒng)的功耗。

（2） 供電單元

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

設計選用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，功耗較大，本設計采用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,待機模式下供電電流可低至5 μA，支持標準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，可實現(xiàn)對壓力的低功耗采集。

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，上電需先預熱后才能正常檢測，功耗較大，本次設計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，可實現(xiàn)對天然氣濃度的低功耗采集。

（4） 通訊單元

本次設計采用CAT.1 通訊模組作為無線傳輸模塊，實現(xiàn)采集器和調(diào)度中心工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的通訊；同時在CAT.1 通訊模塊內(nèi)集成國密級安全芯片，提高通訊數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 軟件設計

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

圖3 軟件功能框圖

（1） 定時采集、集中上傳

通過設定數(shù)據(jù)采集、上傳周期，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的定時采集、集中上傳。

例如設定數(shù)據(jù)采集周期為1 h，上傳周期為24 h，采集器通過外設RTC 時鐘，每小時喚醒MCU 等功能模塊，完成對壓力、濃度、電池電量和工作溫度的采集和數(shù)據(jù)存儲，完成后立即進入休眠模式，等待下一個采集周期；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模式，和中心建立連接后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位平臺，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入休眠模式，等待下一個采集或上傳周期。

（2） 異常報警數(shù)據(jù)喚醒模式

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

例如進口壓力報警上限設定為1.5 Mpa，當在任意采集周期內(nèi)采集到的進口壓力超過1.5 Mpa 時,MCU 立即啟動CAT.1 撥號上傳程序，將數(shù)據(jù)及時上傳至上位平臺，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)絡下用戶終端類別的一個標準。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)應用市場的一個類別。

在我國，隨著5G 建設高速推進，2G、3G 退出舞臺已是大勢所趨，隨著2G 網(wǎng)絡的承載能力進一步減弱，在新部署的物聯(lián)網(wǎng)連接中NB-IoT、4G 會逐步替代2G模組。相比NB-IoT，Cat.1 在網(wǎng)絡覆蓋、速度和延時上均有優(yōu)勢；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。同時，Cat.1 適配于當前國內(nèi)的4G 網(wǎng)絡，非常適合運用在對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有要求的運用場景[3]。

5.2 CAT.1 國密安全通訊模組

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

本次設計的低功耗采集器采用國密級硬件加密芯片，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構，構建一體化的Cat.1 國密安全通訊模組，具備標準的Cat.1 通訊能力，同時支持國密SM2/2/3/4/9 等算法，在模組中內(nèi)嵌密鑰分發(fā)，密碼運算能力，外部應用通過AT 指令訪問Cat.1 模組的安全服務，可實現(xiàn)身份認證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名驗證等功能,簡化通訊結構的同時，有效降低通訊功耗。