基于NB-IOT的變電站環境監測系統研究

楊青青，李寶才，張虎

(1.保定學院，河北 保定 071000；2.中國移動通信集團河北有限公司曲陽分公司，河北 保定 071000)

0 引言

隨著窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IOT)技術的研究與發展，NB-IOT具有大連接、廣覆蓋、深穿透、低成本、低功耗等特點，廣泛應用在速率要求不高且需要深覆蓋的領域。而變電站環境監測受到變電站自身特殊環境干擾因素的影響，使得傳統的短距離無線通信技術上傳的數據可靠性和穩定性無法得到保障，為了彌補這一不足，本系統使用NB-IOT技術實現變電站的環境監測。

1 系統總體設計

系統由采集終端、協調器、NB-IOT模塊和云平臺構成。采集終端負責采集變電站的環境參數；協調器負責將采集終端的數據轉發給網關，并接收網關下發的命令；網關模塊負責將底層數據通過串口發送給NB-IOT模塊；NB-IOT模塊接收數據后通過基站將數據發送到用戶操作云平臺。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 硬件模塊設計與選型

2.1 采集終端

采集終端負責采集變電站的環境參數，本系統采用TI公司的低功耗片上系統CC2530為核心的主控芯片，CC2530為8為增強型的MCU，內置18個中斷源，4個定時器，21個通用I/O口，可以外接多種外設，本系統通過外接各種傳感器(氣體傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器等)，實現變電站的環境數據采集[1]。

2.2 環境采集數據選型

本設計需要采集變電站的環境信息，傳感器的監測區域如表1所示，當超出設定值時，進行越限報警。

2.2.1 MQ系列傳感器

本設計采用MQ-2傳感器實現對變電站環境內的液化氣、苯、酒精、氫氣等危險氣體的信息采集。MQ-2具有靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長等優點。

2.2.2 火焰傳感器

本設計采用了Risym火焰傳感器實現變電站火災信息的采集，Risym火焰傳感器可以檢測火焰或者波長在760～1 100 nm范圍內的光源，火焰越大，測試距離越遠。

2.2.3 溫濕度傳感器

本設計采用DHT11傳感器作為變電站設備室的溫濕度傳感器，用來監測機房溫濕度以及監測設備、電纜等溫度，此傳感器是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度(±5%)RH，溫度(±2)℃，量程濕度20%～90% RH，溫度0～50℃。

2.2.4 水浸傳感器

本設計采用水浸傳感器作為檢測漏水的裝置，隔離式水浸傳感器根據探測電極浸水后阻抗發生變化，通過專用集成芯片對水浸輸入信號進行信號放大、整形、比較，輸出高低電平變化信號，指示所在位置是否有水，水浸傳感器是一種傳感裝置，主要用于檢測電纜溝內是否有積水，如有積水會影響電纜正常工作則報警。

2.3 網關模塊

網關模塊采用STM32，采用Cortex M3內核，內置了64 K或128 K字節的閃存存儲器，用于存放程序和數據。內置嵌套的向量式中斷控制器，能夠處理多達43個可屏蔽中斷通道和16個優先級。最高工作頻率是72 MHz。具有7通道DMA控制器、多達2個IIC接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口，內嵌2個12位的模擬/數字轉換器(ADC)，每個ADC共用多達16個外部通道、3個通用16位定時器和一個PWM定時器。這些硬件資源滿足了系統的需求。STM32F1最小系統引腳圖如圖2所示。

圖2 STM32F1最小系統引腳

2.4 通信模塊

終端模塊一般以MCU為核心，輔以通信模塊以及其他輸入輸出電路構成，MCU負責數據采集、處理、分析以及與通信模組的板內通信連接。本設計通信模塊采用BC95。BC95是一款低功耗、高靈敏度、高性能的窄帶物聯網無線通信模塊，尺寸較小，能夠滿足小尺寸產品終端設備的需求，在設計上兼容GSM/GPRS系列的M35模塊[2]。

2.5 云平臺

目前，提供物聯網平臺服務的平臺有：中移物聯網OneNET平臺[3-4]、華為OceanConnectIoT平臺、阿里云物聯網套件等，綜合性能和適配等因素，本系統選用中移物聯網OneNET平臺，OneNET云平臺適配各種網絡環境和協議類型，支持各類異構化傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，提供豐富的應用程序編程接口(Application Programming Interface，API)和應用模板以及支持各類行業和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發和部署成本，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全等平臺級服務要求。

BC95連接OneNet之后，可以在OneNet平臺上看到設備已上線，但是看不到數據，原因是LWM2M上報的數據要有信息標識符ID，而該ID是由OneNet發給模組的。模組收到信息后按照該ID發送數據給OneNet，然后才能看到OneNet上的數據。

接入過程：創建OneNet實例-添加LWM2M對象-向OneNet發送注冊 LWM2M請求-注冊資源-訂閱對象-模塊響應+上傳數據。

3 軟件開發環境

基于NB-IOT的變電站環境監測系統，除了有硬件設計還需要有軟件設計才能構成一個完整的系統，系統軟件設計包括：底層數據采集、上位機監測設計[5]。其中，底層數據采集主要由各個傳感器節點組成的ZigBee網絡，本系統采用IAR作為開發環境，實現數據的采集，采集的信息經過AC/DC轉換成數字信號，通過處理器模塊的處理器進行處理后，通過無線通信模塊ZigBee傳輸到路由節點作為信號的中繼，路由節點將信息通過ZigBee傳送到協調器節點的無線通信模塊，無線通信模塊接收到信息后，傳送到處理器模塊進行處理，進而決定信息是否轉發到網關，設計流程圖如圖3所示。

圖3 數據采集設計

上位機界面設計：在監測中心當登陸正確的用戶名、密碼后，可以進入監測界面，監測中心應顯示溫濕度、煙霧、漏水等的實際采集數據，對上述采集的數據進行統計保存，最低保存時限為6個月，能夠做到對數據的隨時調看。對個別的環境參數(溫濕度)需要設定安全警戒值的，軟件可以實現閾值控制，超出安全界限的出現聲光告警燈報警提示。上位機的整體流程如圖4所示。

圖4 上位機整體流程

4 不同干擾因子分析

變電站環境復雜，傳感器信息的傳輸容易受到電磁干擾、障礙物干擾、環境信息等干擾因素[6]。

通過對溫度傳感器進行障礙物干擾測試：無線傳感器的發送和接收節點放置在電氣設備之間，通過測試，發現傳感器采集數據受一定的影響，產生了5～35 db損耗。解決方案：通過多次測試，對損耗進行分析補償，以便減少影響。

通過對溫度傳感器進行電磁干擾測試：將無線傳感器的子節點放置在電氣設備相互作用的部分，距地面2 m處。接收節點和發送節點放置在同一水平面上，然后通過改變節點的距離來檢測通信的丟包率。實驗證明，當兩個節點距離大于10 m時，接收到的信號開始出現丟包現象。當兩個節點之間的距離大于18 m時，接收方則不會收到任何數據。解決方案：改變傳感器節點天線角度，或者改變傳感器通信信道，一般選擇11號信道干擾較小。為了減少環境影響，將采集模塊距離調整在10 m以內，且高度放置在適宜位置，保證正常通信。

通過上位機接收數據測試NB-IOT的穩定性，通過測試發現，其信號穿透能力強，廣覆蓋、受電磁干擾、障礙物干擾較小。

變電站機房中的電氣設備在潮濕環境下會受到影響，進而無法正常工作。受潮后的電纜的絕緣性也會大大降低，如果正在運行中的電纜發生進水受潮現象，則后果會十分嚴重。所以避免這種情況出現的方法主要以預防為主，要加強電纜溝處對濕度參數的實時監測并及時做出報警處理。

5 結語

文章主要利用ZigBee技術、NB-IOT技術以及計算機軟硬件技術等，研究并設計出了一套針對變電站環境的智能監測系統，解決了變電站以往傳統布線式監測系統中布線麻煩、不能實時監測、精確度差、技術成本高等問題。并在變電站不同區域內部署多個無線傳感器(如氣體傳感器、溫濕度傳感器、水浸傳感器等)，利用這些節點對環境數據進行采集、傳輸，并完成數據實時監測。