基于LPWAN技術(shù)的分布式電纜防破壞監(jiān)測系統(tǒng)

陳新崗，王梅林，馬志鵬，賈 勇，朱 磊，趙 蕊，鄒越越

(1.重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400054)

0 引言

在我國城市輸電網(wǎng)絡(luò)中，出于對電力安全和市容市貌的考慮，電纜的鋪設(shè)量急劇增加[1]。埋于地下的電纜本體長期處于監(jiān)測盲區(qū)，經(jīng)常因?yàn)橥饬ζ茐摹a(chǎn)品質(zhì)量和施工安裝等原因造成故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由外力破壞造成的電纜本體故障率高達(dá)70%，其中主要原因是基礎(chǔ)設(shè)施施工引起的外力破壞對電纜本體造成的直接或間接損傷[2]。目前對于地下電纜外力破壞防護(hù)的常規(guī)措施主要是通過專人巡查、特殊地點(diǎn)設(shè)置警示標(biāo)志或外加保護(hù)層等被動防護(hù)方式。

隨著信息技術(shù)和測控技術(shù)的快速發(fā)展，許多學(xué)者嘗試運(yùn)用新技術(shù)對地下電纜的安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，部分成果已經(jīng)用于實(shí)踐。文獻(xiàn)[3]通過與電纜同溝敷設(shè)分布式光纖，以光信號獲得電纜的應(yīng)力應(yīng)變等物理信息。這種方法不受電磁干擾、實(shí)時性高，但針對已經(jīng)鋪設(shè)好的地下電纜進(jìn)行光纖鋪設(shè)，工程量大、費(fèi)用高昂，只適用于在建電纜線路；文獻(xiàn)[4]以短程無線射頻技術(shù)和GPRS技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建了預(yù)警系統(tǒng)，在架空線路中具有一定實(shí)用價值，但不能組成大型無線網(wǎng)絡(luò)，不適合電纜監(jiān)測；文獻(xiàn)[5]在電纜井內(nèi)布置了ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)后利用井上的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離有限，只能運(yùn)用在小范圍的電纜井環(huán)境監(jiān)測中。

在外力破壞頻發(fā)的施工區(qū)域，地下電纜的敷設(shè)方式通常采用溝道、穿管和直埋等方式。在這樣的環(huán)境中對電纜進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，具有供電困難、布置繁瑣和通信環(huán)境復(fù)雜等難點(diǎn)，并且目前還沒有較好的解決方案。針對上述難點(diǎn)，本文利用LoRa和NB-IoT兩種LPWAN(low power wide area network)技術(shù)來構(gòu)建電纜防破壞監(jiān)測系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)低功耗、小型化和便攜式的采集裝置和通信網(wǎng)絡(luò)，來適應(yīng)各類運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測需要。在監(jiān)測地區(qū)安全風(fēng)險解除后，裝置能夠被方便的拆卸，以便于投入到新的監(jiān)測地區(qū)使用。利用該系統(tǒng)，可以將地下電纜的安全管理由被動巡查轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃痈兄?/p>

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測界面等單元組成，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分主要由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)通過LoRa通信技術(shù)組成的多個星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，各個子網(wǎng)絡(luò)采用不同信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。子網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用分布式布置方式，可根據(jù)施工區(qū)域環(huán)境和地下電纜敷設(shè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)靈活調(diào)整位置與數(shù)量。其中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要由傳感器獲取空間偏移、瞬時加速度和溫濕度等地下電纜運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理后經(jīng)LoRa無線模塊發(fā)送到對應(yīng)的匯集節(jié)點(diǎn)。匯集節(jié)點(diǎn)接收本網(wǎng)絡(luò)所屬監(jiān)測節(jié)點(diǎn)信息并進(jìn)行分析判斷各個節(jié)點(diǎn)是否處于安全狀態(tài)，感知到危險時發(fā)出報(bào)警提示，同時應(yīng)用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)以LWM2M協(xié)議將各類數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。最后通過API調(diào)用執(zhí)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢和命令交互等操作來完成在線監(jiān)測平臺的搭建。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)2部分，其硬件框圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集部分通過加速度傳感器采集電纜振動數(shù)據(jù)，監(jiān)測地下電纜所受外力情況。同時，考慮到高溫高濕環(huán)境和可燃?xì)怏w泄漏對電纜運(yùn)行的威脅，利用溫濕度傳感器和可燃?xì)怏w傳感器對這類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并通過電池電量計(jì)獲取電池能量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)部分包含調(diào)試電路和各類擴(kuò)展接口。數(shù)據(jù)處理部分將主控芯片所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和上傳。

(a)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

匯集節(jié)點(diǎn)具有GPS定位功能，以LoRa模塊和NB-IoT模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。接收的數(shù)據(jù)將由主控芯片處理并判斷，通過狀態(tài)指示部分進(jìn)行相應(yīng)的顯示與報(bào)警。

2.1 數(shù)據(jù)采集與邊緣化處理

系統(tǒng)通過各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在選用傳感器時考慮到體積、功耗和工作穩(wěn)定性等因素，最終所用傳感器型號與待測物理量如表1所示。

表1 傳感器型號與待測物理量

為盡可能改善數(shù)據(jù)上傳延時、降低系統(tǒng)能源消耗，本系統(tǒng)中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算和判別任務(wù)由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)中的邊緣設(shè)備進(jìn)行處理。其中，根據(jù)解析傳感器ADXL345輸出的三軸加速度數(shù)據(jù)獲得表征瞬時沖擊力的動態(tài)加速度和表征長期緩慢扭力的空間變化矢量，來進(jìn)行電纜外力破壞的判斷。

電纜處于靜止?fàn)顟B(tài)時，三軸加速度矢量和A始終滿足：

(1)

式中Ax、Ay、Az為當(dāng)前三軸靜態(tài)加速度，10-3g。

基于此，系統(tǒng)在讀取三軸加速度數(shù)據(jù)后將求取矢量和存放于樣本庫內(nèi)。如圖3所示，樣本庫容量大小固定，存儲最新的200組加速度矢量和數(shù)據(jù)。通過對樣本庫內(nèi)的數(shù)據(jù)求取標(biāo)準(zhǔn)偏差得到監(jiān)測點(diǎn)動態(tài)加速度，評估當(dāng)前瞬時沖擊力大小，計(jì)算過程如式(2)和式(3)所示。樣本庫的容量大小N和采樣頻率f將影響反映速率，多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)N=200、f=200 Hz時，系統(tǒng)能夠及時感知振動并保持3 s穩(wěn)定輸出，具有良好效果。

圖3 樣本庫數(shù)據(jù)獲取示意圖

加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算為

(2)

相對動態(tài)加速度值

(3)

式中：a為相對動態(tài)加速度，m/s2；k1為轉(zhuǎn)換系數(shù)，k1=9.8 m/s2；k2為傳感器分辨率，k2=3.91×10-3g/LSB。

為監(jiān)測電纜因地面重型機(jī)械設(shè)備擠壓等造成電纜緩慢扭變所帶來的影響，系統(tǒng)利用傳感器輸出的靜態(tài)加速度變化進(jìn)行評估，如圖4所示，電纜若發(fā)生形變后將會影響重力加速度在各軸的分量，圖中Axy為g在XOY平面的投影。

圖4 ADXL345靜態(tài)輸出變化示意圖

因此，系統(tǒng)在初始化時存儲表征電纜原始空間位置的初始靜態(tài)加速度，通過計(jì)算靜態(tài)加速度值的空間變化矢量D大小進(jìn)行電纜形變的判斷，相比計(jì)算三軸傾角，計(jì)算簡單，其靈敏度更高，更具有直觀性，計(jì)算過程如下式。

(4)

式中：D為當(dāng)前靜態(tài)加速度值的空間變化矢量，m/s2；Ax0、Ay0、Az0為初始三軸靜態(tài)加速度，10-3g。

為減少NB網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)量和服務(wù)器計(jì)算負(fù)擔(dān)，由匯集節(jié)點(diǎn)承擔(dān)運(yùn)行狀況判別任務(wù)，通過將接收到的各類環(huán)境數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值對比，得到表征當(dāng)前電纜運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)編號，將狀態(tài)編號和各類運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)通過NB網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺，由應(yīng)用界面調(diào)用狀態(tài)數(shù)據(jù)展示當(dāng)前電纜狀態(tài)。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)的ZigBee、藍(lán)牙、WiFi等無線傳輸方式用于大范圍長時間的電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在通信距離短、功耗高、組網(wǎng)復(fù)雜和易受干擾等問題，因此本系統(tǒng)利用LoRa和NB-IoT兩種LPWAN技術(shù)遠(yuǎn)距離、低功耗和大連接的優(yōu)勢[9]，來構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，使其能夠滿足苛刻環(huán)境下的應(yīng)用需求。

LoRa是一種利用線性擴(kuò)頻調(diào)制，在保證低功耗特性的同時又顯著增加了傳輸距離的通信技術(shù)[10]。自2013年發(fā)布以來已在全球多個國家進(jìn)行了應(yīng)用，在我國的電力、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域也有了大量研究應(yīng)用[6-8]。本系統(tǒng)選用基于SX1268射頻芯片的LoRa無線串口模塊E22-400T22D，接收靈敏度可達(dá)-148 dB，空中傳輸速率范圍為0.3～62.5 kbit/s，穩(wěn)定通信距離可達(dá)5 km。為了防止不同子網(wǎng)絡(luò)之間的信號干擾，不同星型網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率進(jìn)行通信。在初始化時給每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)地址和頻率信道等參數(shù)。

在施工現(xiàn)場，可通過匯集節(jié)點(diǎn)的報(bào)警單元進(jìn)行及時預(yù)警。而為使運(yùn)維人員能夠在遠(yuǎn)方實(shí)時觀察電纜的安全狀態(tài)，系統(tǒng)通過可直接部署于運(yùn)營商現(xiàn)有基站的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至云服務(wù)器，其中硬件部分選用M5311模塊，工作電路如圖5所示。

圖5 M5311模塊硬件電路

3 軟件(程序)設(shè)計(jì)

軟件部分由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件、匯集節(jié)點(diǎn)軟件和監(jiān)測頁面設(shè)計(jì)3部分組成。LoRa無線模塊為半雙工通信，每個星型網(wǎng)絡(luò)中匯集節(jié)點(diǎn)以廣播的形式下發(fā)控制指令，監(jiān)測界面基于OneNET云平臺進(jìn)行開發(fā)。

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示，上電后首先對STM32的時鐘和各類外設(shè)進(jìn)行初始化，對LoRa無線模塊的地址和信道等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后針對各個傳感器模塊進(jìn)行自檢，檢測出異常狀態(tài)時向匯集節(jié)點(diǎn)上傳對應(yīng)異常事件代碼。系統(tǒng)一切正常時，實(shí)時進(jìn)行信道監(jiān)聽，查看有無控制指令下發(fā)，接收到指令并解析后，進(jìn)行工作狀態(tài)更新。無指令下發(fā)時，系統(tǒng)依次采集傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，封裝成自定義的數(shù)據(jù)幀，在上傳周期來臨時進(jìn)行上傳。

圖6 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 匯集節(jié)點(diǎn)

匯集節(jié)點(diǎn)流程圖如圖7所示，在初始化后進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接，接入過程如圖8所示。網(wǎng)絡(luò)連接成功后，通過LoRa無線模塊可向本網(wǎng)絡(luò)下發(fā)來自匯集節(jié)點(diǎn)或云平臺的控制指令?？刂浦噶钪饕獙Ω鱾€監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠、喚醒和上報(bào)周期時間設(shè)置。無指令下發(fā)時，接收各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)備編號緩存到消息列表的相應(yīng)位置中，進(jìn)行電纜運(yùn)行環(huán)境安全評估。為提升系統(tǒng)可靠性，將接收和上傳分開進(jìn)行，消息列表中收集到本輪所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，或者強(qiáng)制上傳時間來到時，系統(tǒng)根據(jù)地址編號依次上傳重新封裝的數(shù)據(jù)幀至云平臺。

圖7 匯集節(jié)點(diǎn)流程圖

圖8 NB-IoT模塊入網(wǎng)流程

3.3 監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

監(jiān)測界面通過調(diào)用平臺API進(jìn)行讀寫執(zhí)行和管理請求。在OneNET平臺收到各傳感器數(shù)據(jù)及設(shè)備信息后，將數(shù)據(jù)推送至監(jiān)測界面，通過圖表的形式實(shí)時顯示各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。當(dāng)超出閾值時，下發(fā)信息進(jìn)行預(yù)警。監(jiān)測平臺具有歷史數(shù)據(jù)查詢、在線預(yù)警、節(jié)點(diǎn)選取等人機(jī)交互功能。圖9為電纜空間形變時，監(jiān)控界面的實(shí)時狀態(tài)。

4 測試與運(yùn)行

圖10為系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與匯集節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在本節(jié)中對LoRa網(wǎng)絡(luò)的通信距離、子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)功耗分別進(jìn)行了測試。

圖10 裝置實(shí)物圖

4.1 系統(tǒng)覆蓋能力測試

測試地點(diǎn)選擇在建筑物較少的空曠地帶，分別采用1個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和1個匯集節(jié)點(diǎn)。設(shè)置通信頻率為433 MHz，發(fā)射功率為22 dBm，波特率為9 600 bit/s，空中通信速率設(shè)置為2.4 kbit/s，共上傳200幀數(shù)據(jù)。匯集節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)數(shù)量與傳輸時間。測試結(jié)果如表2所示，在2.1 km內(nèi)通信正常，延時在40 ms內(nèi)，傳輸極限距離為4.4 km。

表2 測試數(shù)據(jù)表

4.2 系統(tǒng)功耗

匯集節(jié)點(diǎn)可外接電源，因此本系統(tǒng)中主要考慮監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功耗。正常工作中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)不會頻繁改變，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，因此忽略接收和執(zhí)行控制指令工作過程，并設(shè)置上傳周期為5 s。在測試監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備穩(wěn)定工作后，不同工作狀態(tài)的功耗如表3所示。通過計(jì)算可得一個周期內(nèi)平均電流約為0.67 mA。因此，系統(tǒng)采用3 000 mAh鋰電池作為供電電源，能夠滿足監(jiān)測節(jié)點(diǎn)正常工作4 477 h，足以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測需求。

表3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不同工作狀態(tài)功耗

5 結(jié)束語

本文提出的基于LPWAN技術(shù)的分布式電纜防破壞監(jiān)測系統(tǒng)，利用LPWAN技術(shù)低功耗、遠(yuǎn)距離和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，對處于危險區(qū)域的電纜分布式布置監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。測試表明本系統(tǒng)能夠滿足電纜監(jiān)測長時間、大范圍和便攜式的需求，可及時發(fā)現(xiàn)電纜安全隱患發(fā)送預(yù)警信息，對于推進(jìn)電纜管理的智能化和信息化具有重要意義。