物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

王 輝,先 真,呂麗芳

(國網(wǎng)河南省電力公司鎮(zhèn)平縣供電公司,河南 鎮(zhèn)平 474250)

0 引言

2019 年,國家電網(wǎng)公司提出全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè),加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略部署,是網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略在公司的具體實踐,是落實中央部署、發(fā)揮央企帶頭作用的重要舉措,是適應(yīng)內(nèi)外部形勢和挑戰(zhàn)的必然要求。 其中,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(Ubiquitous Electric Internet of Things,UEIOT)是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié),充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù),實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互,具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)[1]。

在目前的通信保障過程中,光纜運行安全和可靠性十分重要。 對光纜運行的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行在線實時監(jiān)測及預(yù)警,是提高光纜使用壽命、確保數(shù)據(jù)安全性以及準(zhǔn)確性的重要保障機(jī)制。 在實際生產(chǎn)工作過程中,環(huán)境溫濕度的升高都會對光纜的正常工作造成一定的影響,甚至可能會造成其中某些元器件的非正常工作,將進(jìn)一步導(dǎo)致設(shè)備故障發(fā)生。 因此,必須嚴(yán)格按照各種設(shè)備要求,把溫濕度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。 同時,由于在變電站內(nèi)或附近,光纜的鋪設(shè)地點較淺,且變電站內(nèi)施工經(jīng)常有重型機(jī)械對光纜鋪設(shè)的地面進(jìn)行碾壓,有可能導(dǎo)致光纜的斷裂,從而影響通信[2]。

市場上現(xiàn)有的光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備,能夠在有外力接近光纜時,震動傾斜傳感器捕捉到信號后發(fā)出告警信號。 但這些產(chǎn)品主要有幾個問題,一是供電方式有外接電源和電池供電兩種方式,但外接電源的方式不靈活,給大范圍推廣帶來很大困難,而電池的供電方式設(shè)備只能工作1 年左右,且設(shè)備埋在地下,工作時間不能滿足長期工作的要求;二是采用的無線技術(shù)有4G 和433 MHz 兩種,采用4G 技術(shù)會給未來信號接入內(nèi)網(wǎng)帶來很大的障礙,而433 MHz 的單載波技術(shù)沒有信道網(wǎng)管,會在接入點達(dá)到一定量的時候產(chǎn)生陰影效應(yīng)。 綜上所述,由于監(jiān)測系統(tǒng)需部署的監(jiān)測點數(shù)量較多、分布分散且現(xiàn)場安裝情況復(fù)雜,供電問題和數(shù)據(jù)傳輸問題無法實現(xiàn)全時有效的監(jiān)測。

本文提出的全無線光纜環(huán)境狀態(tài)全時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是集先進(jìn)傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、低功耗技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及自動化控制技術(shù)為一體的系統(tǒng),通過采集和地面無線傳輸?shù)姆绞?構(gòu)建無線局域網(wǎng),當(dāng)光纜環(huán)境有變化的時候,能清晰感知變化,并上傳報警信息。通過泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的遠(yuǎn)距離無線(Long Range Radio,LoRa)技術(shù)傳輸相應(yīng)的溫度、濕度、功耗等數(shù)據(jù)參數(shù)并上傳至服務(wù)器,用戶通過訪問服務(wù)器來查看或控制相應(yīng)設(shè)備,從而實現(xiàn)超窄帶、低功耗、一定數(shù)量級、較大范圍的光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測,有效保障光纜運行安全。

1 LoRa 技術(shù)

監(jiān)測點多且分散決定了如果采用傳統(tǒng)的有線信號的傳輸方式,存在布線困難、維護(hù)工作量大、不可移動等缺點。 無線信號的傳輸擺脫了線纜的束縛,具有安裝周期短、易于維護(hù)、擴(kuò)容能力強(qiáng)等優(yōu)點,同時組網(wǎng)靈活,無須考慮為新添加的設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)展設(shè)備后,即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。 因此,根據(jù)現(xiàn)場實際情況可采用無線信號傳輸方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信的方式形成的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息。 根據(jù)不同的現(xiàn)場情況選取適合的通信技術(shù),可以選擇速率和穩(wěn)定性更高的5G 技術(shù),也可以選擇功耗低、距離遠(yuǎn)、連接大的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技術(shù)。 目前常用的幾種通信方式中,GPRS 數(shù)據(jù)經(jīng)由公網(wǎng)傳輸,且成本高,不滿足要求,而2.4 GHz(ZigBee)的組網(wǎng)方式為Mesh 組網(wǎng),這與工信部的要求相違背,因此也不滿足要求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,更先進(jìn)的無線通信新技術(shù)也層出不窮。 其中,遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)(Long Range Radio WAN,LoRaWAN)因其獨特的靈活性,受到了廣大物聯(lián)網(wǎng)用戶的認(rèn)可。 LoRaWAN 是基于遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu),針對低功耗、電池供電的傳感器進(jìn)行了優(yōu)化,而LoRa 是LoRaWAN 的一個子集,屬于其中物理層的一種調(diào)制技術(shù),相較于傳統(tǒng)的頻移鍵控(Frequency-Shift Keying,FSK)技術(shù)以及穩(wěn)定性和安全性不足的短距離射頻技術(shù),LoRa 基于線性調(diào)制擴(kuò)頻(Chirp Spread Spectrum,CSS)調(diào)制技術(shù)在保持低功耗的同時顯著地提高了信號接收的靈敏度,實現(xiàn)了比其他調(diào)制技術(shù)更遠(yuǎn)的通信距離,極大地拓寬了通信范圍,且CSS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和空間通信,具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等特點[3]。

LoRaWAN 規(guī)范是一個全球多個廠商共同參與的開放標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用案例等都是多個廠商共同參與的,任何組織或個人都可以根據(jù)這一規(guī)范進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署。 LoRa 聯(lián)盟的成立催生出一個全球數(shù)百家廠商支持的廣域組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系,從而形成了廣泛的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。 LoRa 因其功耗低,傳輸距離遠(yuǎn),組網(wǎng)靈活等諸多特性與物聯(lián)網(wǎng)碎片化、低成本、大連接的需求十分契合,因此被廣泛部署在智慧社區(qū)、智能家居和樓宇、智能表計、智慧農(nóng)業(yè)、智能物流等多個垂直行業(yè)。 LoRa 的主要參數(shù)如表1 所示[4]。

表1 LoRa 的主要參數(shù)

此外,433 MHz 的傳輸方式中鏈路性能遠(yuǎn)差于LoRa 技術(shù),且其節(jié)省功耗的方式較差,用在無源設(shè)備中耗電表現(xiàn)差于LoRa,433 MHz 的無線體制沒有強(qiáng)大的無線網(wǎng)管系統(tǒng)作后臺支撐,監(jiān)測點的掉線率較高。LoRa 技術(shù)不需要建設(shè)基站,一個網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備,且布網(wǎng)方式較為靈活,可大幅度降低建設(shè)成本。 綜上所述,在本系統(tǒng)中采用LoRa 技術(shù)進(jìn)行無線組網(wǎng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

LoRa 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器4 部分組成,如圖1 所示,應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。 左邊為多個無線終端,包括溫度傳感器、濕度傳感器等。 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP 的格式發(fā)送到Internet 上。 大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)?易于不斷擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,但缺點在于使用各種不相關(guān)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息,路由迂回,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和總功耗[5]。 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)采用遠(yuǎn)距離星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可進(jìn)行多信道、多調(diào)制收發(fā),多信道同時解調(diào)。網(wǎng)關(guān)使用不同于終端節(jié)點的RF 器件,具有更高的容量,作為一個透明網(wǎng)橋在終端設(shè)備和中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間中繼消息并通過標(biāo)準(zhǔn)IP 連接到后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器,終端設(shè)備使用單播的無線通信報文到一個或多個網(wǎng)關(guān)。

圖1 LoRa 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

地下光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由一個LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)和若干個狀態(tài)監(jiān)測傳感器組成,如圖2所示。 連接溫濕度傳感器的終端節(jié)點放置于各種設(shè)備附近,根據(jù)程序設(shè)定時間定時采集。 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,將數(shù)據(jù)以約定格式打包并通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)通過有線方式傳輸?shù)焦芾矶薖C 機(jī),通過PC 機(jī)上的圖形界面顯示各類設(shè)備附近環(huán)境的溫濕度。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)介紹

安裝部署系統(tǒng)的過程如下:首先,部署網(wǎng)關(guān)、傳感器等硬件,然后針對每個傳感器的類型,預(yù)先配置固定數(shù)量的條目;其次,安裝溫濕度監(jiān)測預(yù)警軟件,設(shè)置當(dāng)傳感器的數(shù)值超過設(shè)定的閾值時,觸發(fā)主動上報功能;再次,將傳感器采集的數(shù)據(jù),推送給服務(wù)器;最后,服務(wù)器將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再存入SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。

軟件實施關(guān)鍵技術(shù):

(1) 無線通信。 從傳感器中采集數(shù)據(jù),主要是傳感器與網(wǎng)關(guān)的相互通信;

(2) SQL Server 數(shù)據(jù)庫。 將獲取的數(shù)據(jù),經(jīng)過一定的處理,存儲于SQL Server 數(shù)據(jù)庫中,且定時備份;

(3) WebSocket。 主要功能是管理端PC 機(jī)和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信方式,通過服務(wù)器主動向客戶端推送信息來避免“輪詢”帶來的效率低、資源浪費等問題。

(4) 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。 json 數(shù)據(jù)格式。

3.1 光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測裝置

監(jiān)測點包含5 個部分,狀態(tài)采集傳感器、處理器、電池、天線和支撐結(jié)構(gòu),此監(jiān)測裝置需要采用電池供電的模式,因此設(shè)備完全使用低功耗設(shè)計。 電池的使用壽命設(shè)計為大于8 年;處理單元采用IP67 的結(jié)構(gòu)設(shè)計;天線采用470 MHz 的全向天線;完全適應(yīng)室外的應(yīng)用。 監(jiān)測模塊的參數(shù)如下。

供電:采用電池供電;無線傳輸:數(shù)據(jù)傳輸使用LoRa 擴(kuò)頻通信,使用470 M 頻段。

根據(jù)系統(tǒng)要求,通過無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有通斷值,數(shù)據(jù)量很小。 因此使用LoRa 無線技術(shù)傳輸完全能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要。

3.2 無線網(wǎng)關(guān)

無線網(wǎng)關(guān)HC-1000C 安裝于所需監(jiān)測的區(qū)域,包括幾個功能部分:電源模塊、處理模塊、470 MHz 天線、中繼模塊、5.8 GHz 天線。 如果線路不需要中繼,后兩個模塊可以省略。 無遮擋情況下可接收3 km 范圍內(nèi)的終端發(fā)來的數(shù)據(jù),然后通過以太網(wǎng)或者無線寬帶(特殊情況可用4G)將數(shù)據(jù)加密傳輸至后臺服務(wù)器,在本方案中使用的是使用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的下行引接。

無線網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)管理終端數(shù)目自適應(yīng)調(diào)整傳輸速率,以達(dá)到一個網(wǎng)關(guān)管理超過1 000 個無線監(jiān)測終端的需求。 無線網(wǎng)關(guān)采用的多徑抑制技術(shù)可以保證在變電設(shè)備遮擋情況下良好通信。

3.3 后臺管理軟件

后臺管理軟件兼容C/S 和B/S 架構(gòu),可本地管理和遠(yuǎn)程登錄管理,保證數(shù)據(jù)管理的安全和便捷性。 同時提供對數(shù)據(jù)終端的分組、分析、預(yù)警服務(wù),進(jìn)一步將管理數(shù)據(jù)化、自動化。

4 結(jié)語

針對地下光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測的需求以及當(dāng)前監(jiān)測手段的不足之處,提出了一種基于LoRa 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及在線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。 本系統(tǒng)因地制宜地采用目前比較先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù),為地下光纜環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測搭建了一個全新的技術(shù)平臺,相信它能夠在未來供電公司乃至其他行業(yè)發(fā)揮其獨有的科技魅力,為社會、國家做出更好的貢獻(xiàn)。