基于藍(lán)牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應(yīng)用

馮 磊 王珊珊

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.太原金智礦信息技術(shù)有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力達(dá)電力設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

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基于藍(lán)牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應(yīng)用

馮 磊1，2王珊珊3

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.太原金智礦信息技術(shù)有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力達(dá)電力設(shè)計有限公司，山西 太原 030006)

為了解決架空電力線路入地后產(chǎn)生的各種問題，在電纜管道中引入了藍(lán)牙4.0及其組件技術(shù)，并闡述了藍(lán)牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應(yīng)用方案，指出藍(lán)牙4.0及其組件具有簡單方便、易實施、低成本等優(yōu)點。

電力電纜，藍(lán)牙，硬件功能，芯片

0 引言

目前，就城市架空電力線路入地改由電力電纜在管溝中敷設(shè)運(yùn)行而言存在諸多問題，例如，電纜走徑及去向不明，電纜運(yùn)行狀況不明，電纜所處環(huán)境不明等等。但為了加快城市化進(jìn)程以及從城市美觀考慮架空電力線路入地已經(jīng)成為一種普遍的解決思路，所以，為了解決以上電力電纜存在的普遍性問題以及幫助電力電纜維護(hù)人員更高效便捷的解決這些問題，我們引入了藍(lán)牙4.0在電纜管道中的應(yīng)用，該應(yīng)用的實現(xiàn)能更好更高更低成本的幫助我們減輕以上困擾。

1 現(xiàn)狀及存在問題

目前，架空電力線路入地已經(jīng)基本上遍布全國各中大型城市，但是電纜在電纜管道中敷設(shè)，電纜走向較架空線來說隱蔽了很多，很多情況下若不打開電力井則無法準(zhǔn)確判斷該電纜的正確走向，更有很多情況是即便打開了電力井但是由于井內(nèi)積水或井內(nèi)情況惡劣導(dǎo)致原有電纜上標(biāo)示破損、污穢無法辨識的情況也比比皆是，最終只能使用電纜帶電檢測裝置利用人工探尋的方式來判別電纜走向，既費(fèi)時又費(fèi)力，準(zhǔn)確性也不是100%。

對于電纜運(yùn)行狀況不明情況，當(dāng)前，市場上只針對有條件的電力隧道以及35 kV及以上大電壓等級的電纜展開電纜監(jiān)測，而對于通常的35 kV以下電纜管道(通常指排管及溝道，以下簡稱管道)而言則沒有電纜監(jiān)測設(shè)備安裝及運(yùn)行的環(huán)境，主要是由于管道狹小、潮濕甚至積水而電纜監(jiān)測設(shè)備則較大且不防水。

另外，對于電纜所處環(huán)境不明的情況，目前更是沒有行之有效的方式方法，只能依靠電纜維護(hù)人員逐個打開井蓋探明……

針對以上提出的架空電力線路入地后產(chǎn)生的三大類問題，藍(lán)牙4.0及其組件在電纜管道中的應(yīng)用都能夠很好地解決。

2 解決方案設(shè)計

2.1 藍(lán)牙4.0簡介及優(yōu)勢

正如前面提到的，由于環(huán)境的特殊性，GPRS及Wifi信號均表現(xiàn)出了其不適性，所以最終我們將目光投放在了藍(lán)牙4.0上，因為藍(lán)牙4.0是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟2010年7月發(fā)布的新核心版本，與之前版本最大的改進(jìn)是使用低功耗技術(shù)，最小待機(jī)功率可以達(dá)到0.01 mW，即使是峰值功率也只有10 mW，相比較老版本功耗降低了90%以上；而且增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，只要使用一顆普通的紐扣電池即可以連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行一年甚至數(shù)年之久。另外，藍(lán)牙4.0傳輸過程中所有數(shù)據(jù)包使用24位的CRC循環(huán)冗余校驗，確保周圍環(huán)境不穩(wěn)定時的抗干擾能力，使得其傳輸距離可以達(dá)到最大100 m的理論值；而且其小型化的設(shè)計和低廉的成本可以更方便的集成到各種設(shè)備和儀器上。

2.2 CC2541模塊簡介

我們在方案中選用了符合藍(lán)牙4.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的CC2541芯片組，CC2541是一款針對藍(lán)牙4.0及私有2.4 GHz應(yīng)用的片載系統(tǒng)解決方案，它擁有領(lǐng)先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU處理器核心、128/256 KB閃存模塊作為存儲器，8 kRAM以及其他功能強(qiáng)大的特性結(jié)合在一起。它支持AT指令，可以便捷的與單片機(jī)或其他終端進(jìn)行交互，也可以作為獨立的處理單元來響應(yīng)外部請求、存儲數(shù)據(jù)等操作。

2.3 硬件功能擴(kuò)展

由于藍(lán)牙4.0模塊的小型化和低廉的價格，我們完全可以將其封裝在PVC材料中，外部增加可固定在電纜或墻壁上的裝置如便利貼性質(zhì)的綁帶等，且設(shè)備防水防潮，數(shù)年內(nèi)無需更換電池，安裝線纜時使用手機(jī)APP將基本數(shù)據(jù)錄入后放置到指定位置即可。線路維護(hù)或檢修人員只要使用智能手機(jī)通過APP就可以在地面獲取到設(shè)備發(fā)出的藍(lán)牙信號，并通過訪問設(shè)備獲取到基本數(shù)據(jù)信息。

如果為藍(lán)牙設(shè)備加裝存儲裝置的話可以通過增加傳感器獲取到設(shè)備周圍的環(huán)境信息，如當(dāng)前電纜溫度、濕度、磁場等信息，也可以通過連續(xù)不斷的獲取傳感器信息，從而繪制一段時間內(nèi)數(shù)值的變化曲線，有利于幫助工程或維護(hù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和問題排查，同時也可以收集更多的數(shù)據(jù)來進(jìn)行更深入的分析和挖掘，如某路段多年環(huán)境溫濕度變化對于線纜壽命的影響。

2.4 軟件功能擴(kuò)展

當(dāng)前主流的智能手機(jī)基本都支持以藍(lán)牙作為交換數(shù)據(jù)的方式之一，主要功能是用來連接外部設(shè)備，如無線藍(lán)牙耳機(jī)等，隨著藍(lán)牙傳感器的普及和制造成本的降低，越來越多的智能穿戴式設(shè)備、醫(yī)療儀器以及智能家居設(shè)備都將其加入到了自身的組件中，因此只要在手機(jī)端開發(fā)相應(yīng)功能的APP即可滿足前面提到的問題，只要使用工作人員個人的智能手機(jī)，既不需要開發(fā)專門的終端設(shè)備，節(jié)省了一大筆成本，而且軟件升級速度也比硬件研發(fā)和生產(chǎn)快很多。

主流的智能手機(jī)終端操作系統(tǒng)中均包含了對藍(lán)牙4.0的支持：IOS系統(tǒng)中的CoreBluetooth框架，Android的BluetoothGatt組件、Window Phone8版本也開始支持藍(lán)牙4.0的功能。而且各大硬件廠家很多都已經(jīng)把藍(lán)牙作為其基本信息交互方式之一，在短距離傳輸時擁有很大的優(yōu)勢。

3 應(yīng)用設(shè)計思路及分析

下面以IOS中實現(xiàn)方案來簡單描述一下系統(tǒng)流程(如圖1所示)。

過程分為兩個階段，即初始化階段和運(yùn)行階段：

初始化階段主要是指將硬件設(shè)備安裝到電纜上，然后通過終端——智能手機(jī)上的APP對其進(jìn)行設(shè)置，內(nèi)容包括電力電纜的電壓等級、電纜線路名稱、電纜的起止點、電纜運(yùn)行正常溫度及異常范圍、電纜運(yùn)行正常濕度及異常范圍、電纜運(yùn)行正常漏電值及異常范圍等基本信息，也可以根據(jù)不同情況錄入相關(guān)的其他自定義內(nèi)容。

運(yùn)行階段則需要首先打開手機(jī)藍(lán)牙功能，運(yùn)行手機(jī)端APP程序，掃描并與藍(lán)牙設(shè)備配對，設(shè)備在初始化前的默認(rèn)狀態(tài)是主從模式，此時通過手機(jī)連接可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)，通過在APP上設(shè)置具體的數(shù)據(jù)字段和內(nèi)容，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)備作為存儲，保存后藍(lán)牙模塊將改變狀態(tài)為廣播模式，這時設(shè)備主要負(fù)責(zé)周期性的向外界發(fā)出廣播信號，這樣手機(jī)可以不用配對就獲取到相關(guān)的信息。注意，藍(lán)牙設(shè)備的廣播模式根據(jù)不同需求可細(xì)分為四種類型，我們選用的類型叫做Scannable Unbirected Event Type即可掃描非定向

廣播，這種廣播不會發(fā)起連接，但允許其他設(shè)備掃描該廣播設(shè)備，也就是說該設(shè)備可被發(fā)現(xiàn)，但不能建立連接，這種模式更適合專為廣播某些信息，可以將設(shè)備中存儲的信息以動態(tài)數(shù)據(jù)的方式包含于廣播數(shù)據(jù)中，也可以以靜態(tài)的方式包含在掃描相應(yīng)數(shù)據(jù)中，這個要根據(jù)以后具體數(shù)據(jù)的多少來定。

另外，當(dāng)工作人員在地面上使用APP掃描設(shè)備時即可得到井下藍(lán)牙廣播的信息內(nèi)容，但為了防止任何設(shè)備都會訪問到廣播，可以將信息在發(fā)送端加密，再在APP端解密后顯示，由于設(shè)備處于非連接狀態(tài)，也就不需要擔(dān)心其他終端會連接到設(shè)備上，造成數(shù)據(jù)泄露。

另一個好處是通過APP可以記錄每次維護(hù)或檢查時的設(shè)備狀態(tài)，看到之前工作人員的維修記錄，這樣可以極大的減少由于不了解現(xiàn)場實際情況而帶來的不必要成本，采集到的歷史數(shù)據(jù)也可以在出現(xiàn)問題之后作為分析問題的一個重要依據(jù)，為解決問題帶來了很大的便利。而且如果將所有獲取到的設(shè)備信息提交至后臺的服務(wù)器，該設(shè)備還可以用于城市管網(wǎng)的其他方面，可以在未來的很多年里作為該城市大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)信息。

4 效果分析

1)針對電纜走向不明問題，使用藍(lán)牙4.0及其組件由于其體積微小則能利用便利貼的方式，每隔固定電纜段長設(shè)置一組，方便收集電纜管道內(nèi)該電纜走向的預(yù)定信息，只需相關(guān)人員現(xiàn)場接受藍(lán)牙4.0發(fā)出的匹配信息，則可以輕松的找到該電纜的走向而不必逐一打開井蓋下井探明。

2)針對電纜運(yùn)行狀況不明及運(yùn)行環(huán)境不明的問題，利用藍(lán)牙4.0及其組件采集運(yùn)行中該電纜的溫度、濕度、漏電電流等可測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端以供后臺人員統(tǒng)計分析。如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)異常，則可直接報警，且顯示異常區(qū)域，方便運(yùn)行維護(hù)人員更快更高效解決問題。如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)異常，則可在后臺顯示標(biāo)記，待運(yùn)行維護(hù)人員去現(xiàn)場探明。

簡單來說，因為我們的藍(lán)牙4.0及其組件體積小并且具有防水的性能，對使用環(huán)境的要求比較低，且具備超強(qiáng)的信息收集能力，它能夠幫助我們簡單方便、易操作實施、低成本的解決文中提出的問題。

[1] Texas Instruments CC2540/41 Bluetooth Low Energy Software Developer’s Guide v1.3.2,Texas Instruments.

[2] 深圳市信馳達(dá)科技有限公司.低功耗藍(lán)牙(BLE)模塊及協(xié)議v2.21u[Z].2015.

[3] 關(guān)東升.IOS傳感器應(yīng)用開發(fā)最佳實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[4] 金 純,李婭萍.BLE低功耗藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

Based on the application of bluetooth 4.0 and its components in cable ducts

Feng Lei1,2Wang Shanshan3

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.TaiyuanJinzhikuangInformationTechnologyCo.,Ltd,Taiyuan030006,China; 3.TaiyuanMinglidaPowerDesignCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

In order to solve various problems occurring overhead power line grounding, the paper introduces bluetooth 4.0 and its component technology in cable pipeline, illustrates the application scheme of bluetooth 4.0 and its components in power cable pipeline, and finally points out advantages of bluetooth 4.0 and its components, such as simple, convenient, easy operation and low cost and so on.

power cable, bluetooth, hardware function, chip

1009-6825(2016)28-0121-02

2016-07-27

馮 磊(1984- )，男，在讀工程碩士，高級工程師； 王珊珊(1986- )，女，工程師

TU990.3

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