基于Lora的變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

倪 威, 姜 濤, 蔣中海

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司長(zhǎng)興縣供電公司, 浙江 長(zhǎng)興 313100)

近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能及5G通信技術(shù)快速發(fā)展,不僅提升了人民群眾生活的便利度和幸福感,而且極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力。對(duì)于新型技術(shù),電力行業(yè)提出了大力建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng),但是這些技術(shù)的落地應(yīng)用卻有一定的滯后性,落后于電網(wǎng)設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),用電需求及負(fù)荷不斷增加,電網(wǎng)規(guī)模、變電站數(shù)量也在快速增長(zhǎng)[1]。目前,220 kV及以下變電站已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守,運(yùn)維站對(duì)于站內(nèi)環(huán)境、輔助設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)、狀況的實(shí)時(shí)管控至關(guān)重要,需要大量運(yùn)維人員不間斷地巡視、檢查、記錄。然而,近年來(lái)人力資源緊張問(wèn)題突出,設(shè)備事故、責(zé)任性事件仍時(shí)有發(fā)生,造成較大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),嚴(yán)重影響了公司安全生產(chǎn)的穩(wěn)定局面。因此,有必要利用無(wú)線通信技術(shù),對(duì)變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與搭建,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的全面、實(shí)時(shí)、無(wú)間斷管控,以“物聯(lián)設(shè)備”管控“變電站設(shè)備”[2-3]。

本文針對(duì)站內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的搭建存在成本高、設(shè)備多、安裝繁瑣、擴(kuò)展性差等問(wèn)題[4],設(shè)計(jì)了變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),并進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用。本系統(tǒng)采用410～441 MHz頻段的Lora無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全站組網(wǎng)覆蓋,相比于藍(lán)牙、Zigbee及WIFI,其波長(zhǎng)更長(zhǎng)、穿透能力更強(qiáng)、無(wú)線范圍覆蓋更廣、功耗更低,無(wú)需網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、中繼器等設(shè)備,經(jīng)濟(jì)便捷,可擴(kuò)展性強(qiáng)[5]。采用SHA256安全散列簽名算法,以較高的安全性在較短計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成了不同設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的安全驗(yàn)證,有效地保障了站內(nèi)、遠(yuǎn)程通信信息的安全。采用4G模組依托現(xiàn)有4G信號(hào)覆蓋,不論處于變電站的任何位置,都可以穩(wěn)定可靠、快速直接地連接外網(wǎng),將變電站信息實(shí)時(shí)傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),簡(jiǎn)化了終端間的通信過(guò)程[6]。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以減小運(yùn)維人員工作量,進(jìn)一步提高變電站無(wú)人化、智能化為目的,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息交互、全站組網(wǎng)覆蓋、實(shí)時(shí)信息加密簽名。該系統(tǒng)由上位機(jī)人機(jī)交互界面、物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文的硬件設(shè)計(jì)在遵循物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合控制需求,采用了模塊化設(shè)計(jì),以STM32F103C8T6為控制核心,由下到上分為電源模塊、存儲(chǔ)顯示層、感知層及網(wǎng)絡(luò)層。其中,感知層為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用中的擴(kuò)展傳感器等設(shè)備,針對(duì)不同應(yīng)用感知層的設(shè)備也不相同,本文中不作詳細(xì)介紹。

2.1 電源電路

電源電路采用MiniUSB接口外接5 V電源與鋰電池供電,具體原理如圖2所示。

圖2 電源電路原理

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí),由MiniUSB外接5 V電源供電。若鋰電池電量不足,可經(jīng)TP4056芯片以恒定電壓線性充電,當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓后降至設(shè)定值的1/10時(shí),TP4056自動(dòng)終止充電循環(huán)。當(dāng)MiniUSB外接5 V電源失電時(shí),可由PMOS場(chǎng)效應(yīng)管自動(dòng)切換至鋰電池供電,且發(fā)送失電信息至遠(yuǎn)程人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)主、子節(jié)點(diǎn)的不間斷供電。

2.2 存儲(chǔ)顯示層

根據(jù)控制需求,在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了Flash存儲(chǔ)器W25X16以及液晶顯示屏。

本設(shè)計(jì)采用的微控制器STM32F103C8T6內(nèi)部集成了128 kB的Flash存儲(chǔ)器,不僅要存儲(chǔ)程序代碼、中文字庫(kù),而且在程序運(yùn)行時(shí)還需存儲(chǔ)、擦除各類型空調(diào)、除濕器的紅外解碼命令以及異常溫濕度,操作過(guò)程復(fù)雜且容易溢出,增加了程序運(yùn)行的不確定性,故在控制器上集成2 MB的Flash存儲(chǔ)器W25X16。該Flash與微控制器的SPI2 4個(gè)引腳相連,為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、擦除紅外編解碼模塊輸出的命令幀等操作,在控制器上集成了2個(gè)按鍵。

液晶顯示屏分辨率為128×64,采用IIC通信協(xié)議,四引腳兩線制,與微控制器的IIC2 2個(gè)引腳相連,節(jié)省了引腳資源,可實(shí)時(shí)顯示變電站名稱、溫濕度以及控制器的設(shè)備狀態(tài),以供運(yùn)行人員查看實(shí)時(shí)信息。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

本文采用EC600S 4G上網(wǎng)模組、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及Lora無(wú)線網(wǎng)等組網(wǎng)方案解決系統(tǒng)各層級(jí)設(shè)備間的通信問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)感知層設(shè)備與遠(yuǎn)程平臺(tái)的實(shí)時(shí)對(duì)接。

2.3.1 Lora站內(nèi)無(wú)線網(wǎng)

Lora無(wú)線網(wǎng)由物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)上集成的Lora模塊組成,基于加密后的ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳輸。

由于大部分變電站層數(shù)多、面積大,各個(gè)設(shè)備室相距較遠(yuǎn),通過(guò)比較與測(cè)試,本設(shè)計(jì)選擇Lora無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù)完成了站內(nèi)通信組網(wǎng)。Lora模塊采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片,頻段為410～441 MHz,體積小、靈敏度高、支持低功耗省電、傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng),空曠處通信距離可達(dá)3 000 m[4],在實(shí)際應(yīng)用中其通信覆蓋了110 kV變電站全站范圍。Lora模塊為6引腳串口通信,將其與微控制器的串口1相連,定向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,空中速率為19.2 kb/s,發(fā)射功率為100 mW。為降低功耗,將物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)設(shè)置為喚醒模式,子節(jié)點(diǎn)為省電模式。站內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)采用ModBus通信協(xié)議,7位命令幀,依次為幀頭、從機(jī)地址、設(shè)備號(hào)、功能碼、溫度、濕度、CRC校驗(yàn)碼,可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)256個(gè)設(shè)備組網(wǎng)。

2.3.2 遠(yuǎn)程通信無(wú)線網(wǎng)

由于本地變電站無(wú)WIFI覆蓋,故采用EC600S模組、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交互。

EC600S模組依托現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)良好覆蓋,支持最大下行速率10 Mb/s和上行速率5 Mb/s,具有低功耗、低延遲、移動(dòng)性良好等特點(diǎn)[7]。該模塊與微控制器的串口3相連,采用AT命令與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息交互。此外,主節(jié)點(diǎn)集成按鍵可實(shí)現(xiàn)一鍵連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可向下連接設(shè)備,支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上傳云端,又向上提供API統(tǒng)一接口。服務(wù)端通過(guò)API的調(diào)用將指令下發(fā)至設(shè)備端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外,該平臺(tái)使用產(chǎn)品密鑰、設(shè)備名、設(shè)備密鑰三元組確定設(shè)備信息,具有唯一性,保障了設(shè)備的信息安全,并提供各種設(shè)備開(kāi)發(fā)所需的幫助文檔和技術(shù)支持[8-9]。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)鏈路如圖3所示。

圖3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)鏈路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 SHA256簽名加密算法

為保障通信信息在站內(nèi)無(wú)線交互及外網(wǎng)傳輸時(shí)的安全性,在上位機(jī)、下位機(jī)側(cè)分別將指定命令幀經(jīng)過(guò)SHA256安全散列簽名算法驗(yàn)證后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

SHA256算法是一個(gè)迭代的哈希函數(shù)。它將任意長(zhǎng)度的消息經(jīng)n次迭代得到256 Bit的哈希值,由8個(gè)32 Bit的字組成[10-11]。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為以下3個(gè)步驟。

步驟1 在消息末尾附加填充塊與原始信息長(zhǎng)度,使得消息總長(zhǎng)度為512 Bit的整數(shù)倍。

步驟2 將消息等分為M1,M2,M3,…,Mn共n塊,在本文中n為1。將M1分解為16個(gè)32 Bit的字W0,W1,W2,…,W15,由迭代公式得到剩余48個(gè)字W16,W17,W18,…,W63,其構(gòu)成公式為

(1)

式(1)中σ0(x)與σ1(x)定義如下

(2)

式中:Sn(x)——循環(huán)右移n位;

Rn(x)——邏輯右移n位;

⊕——按位異或。

步驟3 進(jìn)行64次加密循環(huán),如圖4所示。其中:“+”表示兩數(shù)相加,若大于232,則除232取余;Kt為第t個(gè)密鑰,即算法的64個(gè)初值。

圖4 加密循環(huán)示意

圖4中,CH,MA,∑1,∑2的定義如下

(3)

式中:∧——按位與;

最后一次循環(huán)所產(chǎn)生的8個(gè)字合起來(lái)即是散列字符串,加密前后的通信命令幀數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 通信命令幀數(shù)據(jù)格式

通過(guò)SHA256簽名加密后的指定命令幀建立不同設(shè)備間的通信,只有指定設(shè)備經(jīng)過(guò)加密算法的驗(yàn)證后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?在不知其加密算法及簽名的狀態(tài)下也無(wú)法獲知具體內(nèi)容,且簽名隨機(jī)生成、每天更改,抗攻擊性強(qiáng)。

3.2 下位機(jī)程序

下位機(jī)由物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)兩部分組成,均采用μC/OSIII實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng),時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。μC/OSIII是一個(gè)可剪裁、可剝奪、無(wú)任務(wù)限制的多任務(wù)內(nèi)核,包括資源管理、同步、任務(wù)通信等功能,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可讀性強(qiáng)[12]。

以實(shí)際應(yīng)用變電站溫濕度控制系統(tǒng)為例,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的功能需求,將主節(jié)點(diǎn)程序封裝成μC/OSIII系統(tǒng)下的4個(gè)事件,其程序流程如圖5所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)程序流程

物聯(lián)網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)將程序封裝成μC/OSIII系統(tǒng)下的3個(gè)事件,程序流程參照主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)程序流程

3.3 上位機(jī)程序

由于基于Windows環(huán)境下的電腦仍占據(jù)市場(chǎng)主流[13],故采用C#編寫(xiě)語(yǔ)言、Visual Studio編程環(huán)境編寫(xiě).exe文件的人機(jī)交互界面。

以實(shí)際應(yīng)用變電站溫濕度控制系統(tǒng)為例,人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)的功能包括:溫濕度與設(shè)備控制信息的采集;上位機(jī)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接與信息交互。

上述功能分別由MQTT操作、空調(diào)控制、除濕器控制以及溫濕度采集4個(gè)部分組成。

通過(guò)變電站的選擇以及MQTT服務(wù)器的操作,實(shí)現(xiàn)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)不同設(shè)備的連接和消息訂閱。通過(guò)對(duì)空調(diào)、除濕器以及溫濕度采集等按鍵操作,向阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的相應(yīng)設(shè)備發(fā)送消息。消息采用ModBus編碼,SHA256加密簽名算法建立不同設(shè)備間的通信。

4 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

在本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)主、子節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備室的溫濕度控制。其原理是通過(guò)紅外解編碼模塊IR05F對(duì)站內(nèi)空調(diào)、除濕器等紅外控制電器的命令進(jìn)行解碼、編碼、存儲(chǔ),將編碼信息通過(guò)紅外發(fā)射器發(fā)射至相應(yīng)電器設(shè)備,控制其啟停及溫濕度設(shè)置,從而達(dá)到溫濕度控制的目的。根據(jù)溫濕度傳感器DHT11采集的實(shí)時(shí)溫濕度信息來(lái)判斷設(shè)備室是否達(dá)到溫濕度控制。在征得班組的同意后,在不同構(gòu)造的3個(gè)變電站進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試,其中物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)放置于控制室,其余3個(gè)子節(jié)點(diǎn)分別放置于主控室以及10 kV開(kāi)關(guān)室內(nèi)空調(diào)、除濕器等設(shè)備的周圍。

為進(jìn)一步確認(rèn)該系統(tǒng)溫濕度檢測(cè)的一致性和可靠性,對(duì)所布置的4個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,4個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均處于溫度為25 ℃、濕度為64%的環(huán)境下,每1 h采集1次,共采集4次,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫濕度檢測(cè)可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出,該系統(tǒng)下的物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)溫濕度檢測(cè)具有很好的一致性和可靠性,不僅能實(shí)時(shí)采集站內(nèi)各設(shè)備室的溫濕度,而且檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度誤差都小于5%。此外,為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)溫濕度的控制特性,從人機(jī)交互界面依次輸入4個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn):空調(diào)溫度由25 ℃降至20 ℃,每10 min采集1次,共采集4次;除濕器濕度由60%降至50%,每3 h采集1次,共采集5次。

由表3可以看出,該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)空調(diào)、除濕器等設(shè)備進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度的控制。溫度控制效果明顯,精度較高;濕度控制效果較滯后,但精度較高,誤差均小于5%,控制效果滿足變電站對(duì)于室內(nèi)溫濕度控制的要求。

表3 溫濕度控制特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)本次測(cè)試驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)不僅完成了變電站內(nèi)的空調(diào)、除濕器等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)各設(shè)備室溫濕度的控制與監(jiān)測(cè),而且還驗(yàn)證了Lora模塊在變電站等空間較大的場(chǎng)所組網(wǎng)便捷,通信穩(wěn)定,為變電站物聯(lián)網(wǎng)的搭建提供了很好的實(shí)例。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由上位機(jī)人機(jī)交互界面與下位機(jī)物聯(lián)網(wǎng)主、子節(jié)點(diǎn)組成,實(shí)現(xiàn)了變電站全站組網(wǎng)、通信信息加密及遠(yuǎn)程信息交互等功能,各部分設(shè)計(jì)獨(dú)立,易維護(hù)、易擴(kuò)展、易應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了場(chǎng)景應(yīng)用,通過(guò)紅外編解碼模塊完成了對(duì)空調(diào)、除濕器等設(shè)備的控制以及溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站各設(shè)備室的溫濕度控制。

變電站物聯(lián)網(wǎng)的建立及遠(yuǎn)程無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn),為運(yùn)維工作的智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。后續(xù)可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘子節(jié)點(diǎn)的功能,如GIS設(shè)備SF6壓力與主變本體油溫的識(shí)別與傳輸、電纜孔洞封堵脫落檢測(cè)等。