基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)

張震

（安徽工商職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 231131）

0 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種低功耗廣域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，又稱窄帶蜂窩通信技術(shù)，具有靈活性和開放性的特點。弱電信號是影響無線信道傳輸穩(wěn)定性的主要原因，從傳輸距離的角度上來看，弱點信號主要分為兩種，一種是大尺度衰落，另一種是小尺度衰落。其中大尺度衰落是指在傳輸?shù)倪^程中受建筑物和植物以及地形起伏等影響，造成的陰影衰落，這些障礙物會阻擋信號的傳輸，主要反映在信號強度上，一般變化的比較平緩，只要通過合理的設(shè)計就可以消除信號的阻礙。小尺度衰落指的是在短時間和短距離的傳輸范圍之內(nèi)經(jīng)過各種矢量疊加而來的，導(dǎo)致信號快速波動和大幅度衰落。通過研究表明，小尺度衰落會引起傳輸信號10-30db的衰落。多徑傳播效應(yīng)是形成弱電信號的主要原因，信號傳輸選擇的路徑不同，每一條路徑傳播的幅度和到達的時間是無法保持一致的，從而造成矢量疊加信號出現(xiàn)衰落。為此基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)提出弱電信號智能感知系統(tǒng)，針對上述現(xiàn)象，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保證無線信道信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性[1]。

1 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

弱電信號智能感知系統(tǒng)能夠讓無線信道信號傳輸?shù)母€(wěn)定，是從表達信息中分析出符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)主要包括終端感知層、信息匯聚層和通信網(wǎng)絡(luò)層。其中終端感知層可以分析中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。從技術(shù)架構(gòu)上來看，這兩個硬件部分是緊密相連的[2]。從服務(wù)對象上來看，主要包括電能表和相關(guān)測量設(shè)備以及其他現(xiàn)場智能設(shè)備，這三種設(shè)備所連接的信號和采集的信號都會傳輸?shù)叫畔R聚層，主要是負責(zé)采集信號。從功能上看，主要負責(zé)采集配電網(wǎng)的原始信息，對現(xiàn)場進行控制，無論是哪一種設(shè)備都是可以實時記錄和分析檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)參數(shù)，比如，電流和電壓等。此外，這三種設(shè)備在監(jiān)測特殊參數(shù)的過程中，還具備雙向通信的能力，通過通信接口連接到終端感知層，在將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔R聚層。由主站調(diào)節(jié)指令，對其進行分析和監(jiān)測[3]。弱電信號智能感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示；

圖1 弱電信號智能感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 lntelligent Sensing System Architecture of Weak Electric Signala

圖1 是弱電信號智能感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主要是為了分析信號傳輸衰落的原因。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有三個功能，分別為遙測功能、遙控功能、遙信功能和故障檢測功能。其中遙測功能可以測量無線信道中的線路電壓和電流，通過計算得出有功功率。遙控功能指的是能夠接收遠方發(fā)送的指令，比如，在控制開關(guān)合閘時，需要經(jīng)過信息匯聚層分析和檢測，在由主站配合完成故障隔離。遙信功能指的是能夠采集遠方發(fā)送的信號，可以保護動作信號量不受破壞。故障檢測指的是檢測信號傳播的幅度和到達的時間，主要包括線路過負荷和線路三項過電流監(jiān)測。系統(tǒng)會根據(jù)采集的電流大小設(shè)定合理的定值，并且快速的計算出故障電流大小，經(jīng)過大小比較，將故障信息上傳到主站，以便進行故障隔離[4]。

弱電信號智能感知系統(tǒng)可以對無線信道傳輸?shù)男盘栠M行實時的分析和檢測，通過檢測歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)，對相關(guān)靜態(tài)數(shù)進行計算，通過計算對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行評估。評估方法主要包括網(wǎng)絡(luò)拓撲分析和狀態(tài)評估等。網(wǎng)絡(luò)拓撲分析指的是與電網(wǎng)相互連接的靜態(tài)數(shù)，并且會對設(shè)備運行狀態(tài)產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)。在檢測的過程中分析結(jié)果會受配電監(jiān)控和安全約束，主要針對復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)形成狀態(tài)評估。網(wǎng)絡(luò)拓撲分析使用的計算模型適用于任何形式的網(wǎng)絡(luò)接線方式。狀態(tài)評估是利用實時量測冗余性，采用估計算法檢測數(shù)據(jù)，剔除影響較大的數(shù)據(jù)，有效提高數(shù)據(jù)的精準度。該方法可以保證數(shù)據(jù)的一致性，還可以辨識配電網(wǎng)中存在的不良數(shù)據(jù)。通過符合估計和相容性分析方法對數(shù)據(jù)進行修復(fù)[5]。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 判別無線信道的故障信息

智能感知頻譜為用戶提供了更可靠的平臺，實現(xiàn)了智能頻譜信息的管理和分析。通過對弱電信號智能感知系統(tǒng)需求分析，設(shè)計軟件總體結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)顯示窗口、信號傳輸接口和運動檢測窗口，其中數(shù)據(jù)顯示窗口主要負責(zé)采集信號，該窗口可以很好的處理無線信道信號被阻礙的現(xiàn)象，通過融合電路板模擬后的信號，檢測數(shù)據(jù)融合的情況，實現(xiàn)了簡單的數(shù)據(jù)融合[6]。一般系統(tǒng)輸出的是8位的數(shù)據(jù)集，而智能感知系統(tǒng)可以輸出10位數(shù)據(jù)集，利用V C++軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理結(jié)果顯示到計算機主界面顯示窗口上。信號傳輸接口主要分為三個模塊，主要包括前端轉(zhuǎn)臺控制和融合電路板控制，將通信接口作為發(fā)送指令的端口，擴大無線信道的通信范圍。同時，還可以對前端轉(zhuǎn)臺進行實時的控制。控制融合電路板實現(xiàn)了數(shù)據(jù)調(diào)配的功能，可以有效提高無線信道檢測信號的穩(wěn)定性。此外，還在弱電信號智能感知系統(tǒng)上安裝了故障監(jiān)測設(shè)備，若傳輸信號受到阻礙，系統(tǒng)會將檢測到的原因上傳到終端設(shè)備，自動分析線路異常原因。當遇到設(shè)備故障停電時，系統(tǒng)會將采集的數(shù)據(jù)進行分析，判定故障區(qū)域和故障原因。一般來說，如果某一相流超過了規(guī)定范圍內(nèi)的故障電流，就需要系統(tǒng)向周圍相鄰開關(guān)的智能電子設(shè)備發(fā)送流過故障電流的信息。如果只有一個端點出現(xiàn)故障，說明系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問題，這時系統(tǒng)會自動將故障信息傳送到系統(tǒng)，對其進行判別[7-8]。

1.2.2 實現(xiàn)無線信道智能感知

在軟件結(jié)構(gòu)外部接口的設(shè)計上，應(yīng)用了智能感知原理，在界面的設(shè)計上具有易操作、外觀合理的特點。弱電信號智能感知系統(tǒng)的界面主要包括一個數(shù)據(jù)反饋顯示窗口和一個數(shù)據(jù)拼接窗口。其中一個信號窗口是人機交互的主窗口，主要是通過數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)檢測，在按照無線信道感知的交互原則傳輸信號。同時，還使用了一塊4路的采集卡，可以采集所有無線信道中傳輸?shù)男盘?，采集流程如下所示?/p>

圖2 采集流程Fig.2 Collection process

圖2 是信號采集流程，該采集卡在信號的選擇上，會優(yōu)先選取帶有信號標志的，以便檢測其有效性。然后在打開信號，設(shè)置傳輸信號的波特率為9000db，經(jīng)過審核傳輸?shù)酵ㄐ沤涌?，保證發(fā)送的信號得到有效的緩沖，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，當下位機對信號進行讀取時，會將讀取的信號發(fā)送到緩存區(qū)，并在編輯框中顯示各階段的信號分辨率，結(jié)束信號采集的通信過程。

該軟件設(shè)計能夠?qū)o線信道中的信號進行檢測，降低故障發(fā)生的概率，并且實現(xiàn)了已發(fā)生故障的快速定位和自動處理。當傳輸信號受到阻礙，系統(tǒng)會在最小的范圍內(nèi)找出故障的原因，盡快對負荷分布情況進行分析和優(yōu)化計算。此外，還實現(xiàn)了智能監(jiān)視和運行優(yōu)化，根據(jù)綜合采集的數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)分析，主動分析無線信道傳輸信號的運行狀態(tài)，迅速找出運行動態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)，準確捕捉監(jiān)控要點[9-10]。

2 實驗論證分析

為了驗證基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)的有效性，在實驗的過程中對弱電信號智能感知系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件設(shè)備的各項參數(shù)進行檢測，主要包括GPP型號、CPP CPU、GPP內(nèi)存、硬盤、射頻外設(shè)、GPP和USRP連接口、服務(wù)器型號、GPP操作系統(tǒng)和軟基站配置等參數(shù)進行監(jiān)測，實驗參數(shù)如下所示：

表1 通用配置參數(shù)Tab.1 General configuration parameters

表1是硬件設(shè)備和軟件設(shè)備的通用配置參數(shù)，實驗中對傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)和基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)進行對比實驗，實驗結(jié)果如下所示：

圖3是傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)和基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)對比實驗結(jié)果。從圖3中可以看出，本次設(shè)計的系統(tǒng)實時性能較高，在程序的處理速度上相比傳統(tǒng)的智能感知系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。在測量無線信道信號的過程中，可以有效提高系統(tǒng)的處理速度，經(jīng)過處理后的信道模塊耗時為0.4秒，比采用傳統(tǒng)的智能感知系統(tǒng)更快，在信號強度上，表現(xiàn)的比較平緩，可以有效消除信號的阻礙。通過實驗證明，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)穩(wěn)定性能較好。

圖3 實驗對比結(jié)果Fig.3 Comparison of experimental results

3 結(jié)論

本次對基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電信號智能感知系統(tǒng)進行研究與實現(xiàn)。為了保證無線信道傳輸穩(wěn)定性，根據(jù)無線信道的衰落傳播特性，設(shè)計硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和軟件功能。希望本次的研究能夠為無線通信傳輸信號故障原因提供理論依據(jù)和參考。