面向智能城市配電線路在線監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)傳感終端

魯文帥，李夢(mèng)男，梁嘉倩

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041，2. 清華大學(xué)，北京 100084)

0 引 言

電網(wǎng)是城市管網(wǎng)的重要組成部分，隨著城市形態(tài)向未來發(fā)展，智能電網(wǎng)越來越多的被認(rèn)為是未來智能城市的重點(diǎn)領(lǐng)域和重要實(shí)現(xiàn)途徑。智能電網(wǎng)通常需要對(duì)電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及調(diào)度的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，全面掌控電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[1]。其中的輸電環(huán)節(jié)，智能輸電線路是保障智能電網(wǎng)安全、減少事故發(fā)生的重要手段[2]。輸電線路受環(huán)境與人為因素影響較多，需要監(jiān)測(cè)的導(dǎo)線情況主要有導(dǎo)線弧垂、覆冰與舞動(dòng)等現(xiàn)象，因此對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照度與導(dǎo)線振動(dòng)情況的在線監(jiān)測(cè)和信息聯(lián)網(wǎng)勢(shì)在必行[3]。

近年來，從事在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)的廠家迅速增加，如西安金源電氣有限公司研發(fā)了輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)絕緣子串的張力、傾角和環(huán)境氣象條件來推算導(dǎo)線的張力、弧垂及覆冰量。監(jiān)測(cè)分機(jī)由太陽能加蓄電池組供電，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。天津大學(xué)研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種層次型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)為Zigbee網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)圖像和標(biāo)量數(shù)據(jù)的采集；骨干網(wǎng)為基于IEEE 802.11的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離可靠傳輸[4]。

然而，傳統(tǒng)的GSM/GPRS，或3G/4G/5G大數(shù)據(jù)率傳輸?shù)膹V域網(wǎng)絡(luò)[5-6]，在通信覆蓋范圍、接入容量、設(shè)備功耗等方面已漸漸表現(xiàn)出乏力，而Zigbee、Wifi、藍(lán)牙等局域網(wǎng)技術(shù)又難以適用于電網(wǎng)這種分布范圍極廣的場(chǎng)景。隨著中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商和華為公司等在窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NBIoT)標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)作用，國(guó)內(nèi)廣域物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)開始規(guī)范化，因此對(duì)未來城市的電網(wǎng)管廊監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求已進(jìn)入新的廣域物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

本文在當(dāng)前高壓輸電線路無線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于NBIoT網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并基于多物理量傳感、無線通信和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制了監(jiān)測(cè)野外輸電線路環(huán)境情況的多參數(shù)無線傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備。該監(jiān)測(cè)設(shè)備降低了數(shù)據(jù)融合難度、提高了多參數(shù)傳輸通量，提高了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性，并適合低功耗優(yōu)勢(shì)，適合大范圍部署，具有工程實(shí)際意義。

1 監(jiān)測(cè)設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)控中心共同構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)監(jiān)測(cè)終端是系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)、直接向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與輸電線路運(yùn)行健康狀況密切相關(guān)的五個(gè)具體參數(shù)，分別為溫度、濕度、光照度、線加速度、角加速度。

無線傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備由測(cè)量導(dǎo)線所處環(huán)境情況的傳感器、核心處理器、NBIoT通訊模塊構(gòu)成，有獨(dú)立的電源供電。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備上集成的傳感器可以采集導(dǎo)線所處環(huán)境的相應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，監(jiān)測(cè)設(shè)備可以通過NBIoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 輸電線路監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

其中，多參數(shù)傳感器陣列包括溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、角加速度傳感器與光照度傳感器。設(shè)備基于嵌入式ARM核心處理器，提供傳感器控制、采集，數(shù)據(jù)處理，并與NBIoT通信模塊交互數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備中集成的NBIoT通訊芯片能夠與云服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接、遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備集成了微存儲(chǔ)卡來存儲(chǔ)采集到的歷史參數(shù)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備各部分由可充電鋰電池經(jīng)過穩(wěn)壓源后統(tǒng)一供電，并集成了充電電路。人機(jī)交互界面包含LED燈、蜂鳴器等，能夠指示設(shè)備初始化、設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)、充電等狀態(tài)等。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 傳感單元設(shè)計(jì)

為檢測(cè)輸電導(dǎo)線的表面溫度，監(jiān)測(cè)設(shè)備選用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。它是一種單總線數(shù)字溫度傳感器，芯片的測(cè)溫范圍為-55 ℃～125 ℃，可編程為9-12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625 ℃，溫度以16位的數(shù)字量串行傳輸。

選擇DHT11數(shù)字溫濕度傳感器測(cè)量導(dǎo)線工作環(huán)境的濕度。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。濕度測(cè)量范圍為20-90%RH。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。芯片為單線制串行接口，四針單排引腳封裝。

采用光強(qiáng)傳感芯片BH1750檢測(cè)導(dǎo)線所處環(huán)境光照強(qiáng)度。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化(1-65535 lx)。監(jiān)測(cè)設(shè)備中BH1750芯片采用I2C總線接口，具有兩種可選的從屬地址，由ADDR連線的不同來進(jìn)行區(qū)分，芯片ADDR接地時(shí)，對(duì)應(yīng)BH1750芯片讀取地址為0x46。

為了檢測(cè)導(dǎo)線振動(dòng)加速度，選用了意法半導(dǎo)體公司的加速度傳感器芯片LSM303DLHC。芯片可測(cè)三個(gè)方向加速度，得到16位數(shù)字輸出。具有可選的±2g、±4g、±8g、±16g測(cè)量范圍。芯片內(nèi)部集成了I2C串行接口，接口的兩個(gè)管腳SCL與SDA分別為I2C串行時(shí)鐘與I2C串行數(shù)據(jù)傳輸管腳。監(jiān)測(cè)設(shè)備在工作中將測(cè)量范圍設(shè)置為±2g，測(cè)量精度為1mg/LSB。

為了監(jiān)測(cè)導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度與角速度，監(jiān)測(cè)設(shè)備上選用意法半導(dǎo)體公司的L3G4200D作為監(jiān)測(cè)繞三個(gè)軸向的角加速度與角速度的傳感器芯片。芯片采用SPI接口進(jìn)行通訊，得到16位數(shù)字輸出數(shù)據(jù)。

2.2 核心處理單元與4G傳輸模塊

輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心處理芯片采用意法半導(dǎo)體公司的低功耗STM32L476芯片。內(nèi)嵌ARM Cortex-M4內(nèi)核，接口資源資源，特別是具有突出的低功耗策略。在監(jiān)測(cè)設(shè)備中SPI1分配給L4G4200D進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；I2C1分配給加速度傳感器芯片LSM303DLHC和光照度模塊BH1750，二者地址不同；濕度傳感器DHT11和溫度傳感器DS18B20分別使用兩個(gè)通用IO實(shí)現(xiàn)單線傳輸(Onewire)；另外通過USART1與4G通訊模塊MU509相連；SPI2與微SD卡相連。為指示工作狀態(tài)還設(shè)計(jì)了4個(gè)LED燈陣列、超亮報(bào)警LED、報(bào)警蜂鳴器，以及用于觸發(fā)人工指令的4按鍵獨(dú)立鍵盤，都采用通用IO控制。

監(jiān)測(cè)設(shè)備的通訊模塊選擇華為公司自主研制的NBIoT通訊模塊BC95，STM32L476與NC95之間通過AT指令交互，并與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，供云服務(wù)器深度解析。BC95內(nèi)部集成了電源管理單元、多芯片封裝存儲(chǔ)器、RF收發(fā)單元、射頻接口、射頻功率放大器與基帶控制單元，簡(jiǎn)化集成方案。

2.3 設(shè)備供電系統(tǒng)

設(shè)備采用可充電鋰電池作為電源供電。鋰電池工作電壓范圍為3.2～4.3 V。鋰電池直接為需要3.3～4.2V范圍電壓的BC95與功率器件(超亮LED和蜂鳴器)供電。監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電單元還選用了RICHTEK公司的RT9193穩(wěn)壓芯片來為STM32L476芯片內(nèi)核、LED燈、五種傳感器芯片提供3.3V電壓。該芯片最大輸出電流300 mA，此時(shí)要求輸入輸出壓降(drop out voltage)大于220 mV，即輸入大于3.22 V。

監(jiān)測(cè)設(shè)備選用SE9016充電芯片構(gòu)成外部充電電路為鋰電池充電，該芯片充電分成恒流、恒壓、涓流三個(gè)階段。恒流階段電池電壓會(huì)從3.2 V慢慢升到4.25 V，通過配置電阻將充電電流設(shè)置為800 mA；恒壓階段，電壓保持4.25V，電流慢慢降到100 mA；涓流充電階段，電流為50 mA，直至將電池充滿。

2.4 設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的主程序原理框圖如圖2所示。主程序采用輪詢方式逐一采集五個(gè)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一打包傳輸至NBIoT網(wǎng)絡(luò)，供上位機(jī)監(jiān)聽。電路板通電后首先進(jìn)入管腳配置，包括GPIO、串口、SPI、I2C、定時(shí)器與中斷的管腳配置。管腳配置完成后，進(jìn)入有使能的各個(gè)傳感器芯片的初始化程序。之后如果有NBIoT網(wǎng)絡(luò)使能信號(hào)，則開始向BC95芯片發(fā)送AT指令，完成模塊初始化，并向遠(yuǎn)端UDP服務(wù)器的IP地址發(fā)送建立連接的請(qǐng)求。等待連接建立之后進(jìn)入主程序輪詢。定時(shí)器每定時(shí)10 us程序開始逐次讀取5個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，定時(shí)超過1 ms后再統(tǒng)一輸出各個(gè)使能的傳感器數(shù)據(jù)。

圖2 主程序流程圖

3 測(cè)試與結(jié)果

搭建測(cè)試系統(tǒng)，主機(jī)接入公網(wǎng)IP，運(yùn)行UDP監(jiān)聽工具建立虛擬服務(wù)器，設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)通過NBIoT網(wǎng)絡(luò)接入U(xiǎn)DP服務(wù)，與服務(wù)器UDP端口連接和數(shù)據(jù)傳輸。

分別驗(yàn)證五種傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。溫度傳感，利用TES1307熱電偶測(cè)溫儀作為標(biāo)定設(shè)備，利用熱烘箱作為溫度發(fā)生設(shè)備，調(diào)整烘箱預(yù)設(shè)值為從30～60 ℃，步進(jìn)值10 ℃；濕度傳感，利用濕度發(fā)生箱產(chǎn)生30%～95%相對(duì)濕度，并利用濕度箱上面的濕度計(jì)標(biāo)定；光照度傳感，利用Newport太陽光模擬器，產(chǎn)生0.1～0.5倍標(biāo)準(zhǔn)太陽光；加速度傳感，利用重力加速度作為靜態(tài)定點(diǎn)標(biāo)定值，分別讓重力指向X、Y、Z軸的正方向和負(fù)方向。設(shè)備測(cè)試實(shí)物如圖3(a)所示。在服務(wù)器TCP監(jiān)聽工具上讀取測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)后結(jié)果如圖3(b)(c)(d)和表1所示。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，溫度、濕度檢測(cè)精度誤差分別為3.8%和5.7%，光照度的非線性度為0.3%。此外，將該設(shè)備置于遙控汽車(E646-001)上，測(cè)得最大啟動(dòng)加速度為4 m/s2，碰撞最大加速度為7.5 m/s2。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)有效的傳輸傳感數(shù)據(jù)。

圖3 終端實(shí)物圖及測(cè)試曲線

表1 三軸加速度計(jì)靜態(tài)測(cè)量結(jié)果(單位m/s2)

4 結(jié) 語

本文給出了一種將NBIoT通信和多參數(shù)傳感技術(shù)用于監(jiān)測(cè)高壓輸電線路環(huán)境的方法和設(shè)計(jì)，及其關(guān)鍵技術(shù)和測(cè)試結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路環(huán)境溫度、濕度、光照度以及導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠通過NBIoT網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸給監(jiān)聽的服務(wù)器，體積小，便于懸掛，為智能城市電網(wǎng)輸電線路的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了工程方法和工具。