用 NB-IoT 技術設計電纜防損監(jiān)控系統(tǒng)

談生磊 侯天錄 姜永宏 張首旺 楊霄 國網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司 馬璽堯 青海大學水利電力學院

一、我國城市輸電線路電纜入地的優(yōu)勢及存在的危險因素

在我國，電纜入地已成為電力建設的一種趨勢。電纜入地對于完善城市電網(wǎng)功能，使電網(wǎng)布局更合理、層次更清晰，全面提升供電可靠性，對美化市容市貌，推動當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮促進作用。

隨著電纜轉入地下隱藏，針對于地下電纜附近的土方開挖施工，就成了導致電纜損傷、影響安全運行的危險因素。因外部施工開挖造成的電纜破壞時有發(fā)生，影響供電安全運行，影響生產，造成國民經(jīng)濟巨大的損失。

（一）避免地埋電纜被外力破壞的技術監(jiān)控方案

如何保障地埋電纜不被外力挖掘破壞，是一項重要的課題。最直觀的方案是埋設標示樁進行提示但因現(xiàn)場情況復雜，效果不佳。

另外還有采用OTDR系統(tǒng)的分布式光纖傳感器來監(jiān)測電纜路徑上是否存在外力破壞。這種方案，要求沿電纜路徑全程埋設傳感光纖。同時要配備OTDR分析系統(tǒng)，來實時監(jiān)測分析是否存在異常。

這種方案，投資大，設備昂貴，施工費用高昂，無法大量推廣應用。而且，分布式光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，其對異常點的定位參數(shù)為距離監(jiān)測裝置的距離數(shù)據(jù)，管理人員無法通過異常點距離數(shù)據(jù)迅速找到異常點位置，無法對異常做出快速反應。

（二）采用全新思路設計地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測系統(tǒng)

當前對于現(xiàn)有地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測的應用，其難點在于傳感器形式和采用了線纜方式的數(shù)據(jù)傳輸，導致施工工程量巨大，投資大。

分析地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測的數(shù)據(jù)特征，其在監(jiān)測過程中，如無異常，可以不需要發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，只需要在出現(xiàn)異常時需要向管理方發(fā)送數(shù)據(jù)。以此特征為思路重新設計監(jiān)測系統(tǒng)，尋找不需要大量布線的監(jiān)測系統(tǒng)形式。

在本設計中，計劃采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)，可以避開敷設大量數(shù)據(jù)線纜的弊端。因傳感器需要布設在地域廣闊的室外電纜路徑上方，無法取得外部電源供電，因此必須采用高能長效電池供電。在此情況下，常規(guī)的無線傳輸方式如GPRS、4G等，因其耗電量大，一組電池工作只能堅持幾個小時，均無法保證長期工作，這個是遠遠不夠的。我們需要的設計是要長期工作，時間范圍在數(shù)年的續(xù)航時間。其他方式如藍牙、LORA無法實現(xiàn)遠距離傳輸，其耗電也無法支持數(shù)年的工作，因此，必須尋找更加低耗的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

在數(shù)據(jù)無線傳輸方式的選擇過程中，我們需要根據(jù)本設計需求選擇：

1.數(shù)據(jù)傳輸量要求不是很大，速率可以低一點。

2.要求數(shù)據(jù)傳輸范圍廣，本設計和實際應用，其地下電纜廣泛分布于室外、野外等廣闊的地域范圍，不是在某個單位，某個廠區(qū)的狀態(tài)，因此，其數(shù)據(jù)傳輸范圍，要求傳輸范圍要廣，要求不能受距離限制。

3.功耗低，要求傳輸方式的能耗越小越好。

4.技術成熟，便于應用和實現(xiàn)。

綜上所述，篩選當前的無線傳輸技術，排除掉藍牙、LORA、ZIGBEE等，這些方式基本上是視距傳輸；排除掉4G、5G，這些方式耗電大，而且無法保證信號的覆蓋范圍；GPRS也排除了。剩下一種就是NB-IOT方式，這種方式是物聯(lián)網(wǎng)的一個新興技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫做低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IOT支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。我國的NB-IOT基站部署也較為完善，大部分地區(qū)都有信號覆蓋，能夠提供NB-IOT技術在本設計中應用的技術支持。

而且NB-IOT技術較為成熟，生產生活中已經(jīng)滲透了很多這了應用，如：共享單車、智能家居設備、智能市政設施、定位產品等，符合本設計對無線傳輸技術的基本要求。

二、選擇NB-IOT方式的影響因素及應用重點技術

相對于傳統(tǒng)的藍牙、Wi-Fi等技術，NB-IOT技術具有覆蓋廣、大（海量）連接、功耗更小等優(yōu)勢。

1.NB-IOT在本項目設計中的優(yōu)勢

1）接入數(shù)量大：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術提供50-100倍的接入數(shù)。本設計需要大量獨立傳感器搭載獨立傳輸數(shù)據(jù)的無線連接，NB-IOT這種大接入量特性正是本項目需要的特性。

2）信號覆蓋能力強：NB-IoT室內覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力，對于地下設備的信號覆蓋有較大的提升。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當，就可以很好地解決這一難題。本設計中的監(jiān)測傳感器，需要埋設于電纜路徑的地面內，對信號覆蓋能力要求較高，因此需要選擇信號覆蓋能力強的NB-IOT方式。

3）低功耗：低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，設備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年；此種特性，正是本設計需要的低功耗性能。

綜上所述幾種特性，是本設計中選擇使用NB-IOT傳輸方式的依據(jù)。

2.模塊選擇

在本系統(tǒng)的監(jiān)測裝置設計中，除了電池之外，影響裝置體積尺寸的就是數(shù)據(jù)傳輸模塊了。本設計中選擇使用了BC260Y模塊。此款模塊是一款高性能、低功耗且多頻段的LTECatNB2無線通信模塊。其尺寸僅為17.7mm×15.8mm×2.0mm，能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，同時模塊在封裝設計上兼容移遠通信GSM/GPRS系列M26模塊以及NBIoT系列BC26/BC25/BC28模塊，方便在測試過程中靈活地進行替換、升級等操作。

BC260Y提供豐富的外部接口和協(xié)議棧，同時可支持中國移動OneNET平臺、中國移動Andlink平臺、中國電信AEP平臺和中國電信IoT平臺等物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為應用設計提供極大的便利。

BC260Y模塊采用易于焊接的LCC封裝，可通過標準SMT設備實現(xiàn)模塊的快速生產，滿足復雜環(huán)境下的應用需求。

憑借緊湊的尺寸、超低功耗和超寬工作溫度范圍，BC260Y廣泛應用于煙感、無線抄表、智慧物流、智能停車等諸多應用中，其應用案例多，性能已被廣泛驗證，因此本設計擬采用此型號模塊。

3.低功耗的實現(xiàn)

在本設計中，監(jiān)測傳感器會被安裝于室外，采用電池供電，鑒于需要長時間續(xù)航監(jiān)測，進行低功耗設計是十分必要的。而本設計擬選擇的BC260Y，通過研究其技術文檔有多種低功耗方案可供選擇。

在通訊模塊中，模組的Modem擔負著連接網(wǎng)絡，傳輸數(shù)據(jù)的重任，是耗電最大的組件，也是整個傳感器耗電最大的部分。因此，設計不同情景下Modem的不同工作方式，是降低功耗的一個重要途徑。

1.DRX模式

DRX：Discontinuous Reception（不連續(xù)接收），為模塊Modem的工作模式。

為了節(jié)省功耗，模塊于每個DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道，以檢查是否有下行業(yè)務到達。

DRX模式下，模塊在每個DRX周期監(jiān)聽一次尋呼信道，功耗相對eDRX和PSM來說較高，在實時性要求較高的場景下，建議使用DRX方案。

2.eDRX模式

eDRX：extended DRX（擴展不連續(xù)接收），為模塊Modem的工作模式。

eDRX是3GPPRel.13引入的技術，eDRX比DRX擁有更長的尋呼周期，使得終端能夠更好地節(jié)省功耗，但是也會導致更長的下行數(shù)據(jù)延時。模塊只能在PTW（Paging Time Window，尋呼時間窗口）內按DRX周期監(jiān)聽尋呼信道，以便接收下行業(yè)務；PTW外的時間處于睡眠態(tài)，不監(jiān)聽尋呼信道、不能接收下行業(yè)務。

eDRX就是模塊不斷地打開、關閉接收機。打開接收機時能夠接收數(shù)據(jù)，關閉接收機時則無法接收數(shù)據(jù)；eDRX周期即由關閉接收機和打開接收機這兩個完整的時段組成，以BC26模組為例，支持配置的時長為20.48s～2.92h，eDRX功耗較DRX低。

eDRX在兼顧低功耗的同時，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的快速響應；比如可通過配置使模塊實現(xiàn)休眠若干分鐘，再喚醒工作，再休眠若干分鐘。因此eDRX適用于無須頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)、但需要實現(xiàn)快速響應的應用場景。模塊還可通過設置不同的eDRX參數(shù)實現(xiàn)不同場景下的應用需求。

3.PSM模式

PSM：Power Saving Mode（省電模式），為模塊Modem的工作模式。

模塊Modem的PSM是3GPP Rel.12引入的技術；其原理是允許模塊在空閑態(tài)一段時間（T3324）后，關閉信號的收發(fā)和AS（接入層）相關功能，從而減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗。模塊在PSM期間，不接收任何網(wǎng)絡尋呼，包括搜尋小區(qū)消息、小區(qū)重選等，對于網(wǎng)絡側來說，模塊此時是不可達的，不再接收下行數(shù)據(jù)。

在PSM模式下，終端不再監(jiān)聽尋呼，但終端還是注冊在網(wǎng)絡中；因此，要發(fā)送數(shù)據(jù)時不需要重新連接或建立PDN連接。在模塊Modem進入PSM模式后，仍然可以主動發(fā)送上行數(shù)據(jù)到平臺。

與eDRX相比，PSM打開、關閉接收機的頻率更低，可低至幾天打開一次接收機。PSM周期內，模塊僅在接收機打開的時間內能夠接收到數(shù)據(jù)，接收機關閉的時間內將無法接收下行數(shù)據(jù)。PSM模式下，功耗只有微安級，終端在此工作模式下才可能實現(xiàn)極低的功耗，如“一節(jié)電池用數(shù)年”。

基于以上幾種模塊的功耗控制方案，在本設計中，采用多種功耗控制方案聯(lián)合應用的方案：

1）在傳感器監(jiān)測到異常的期間，設置模塊工作在Active狀態(tài)，連接服務器發(fā)送告警數(shù)據(jù)，等待下行指令。

2）如果在幾分鐘之后依然沒有下行指令響應，那么模塊Modem將被調整成Idle狀態(tài)，模塊將工作在DRX或者eDRX狀態(tài)，以便節(jié)省電能，同時保持對下行數(shù)據(jù)的響應。

3）在傳感器的正常待機監(jiān)測期間，模塊工作在PSM模式，此時傳感器未檢測到異常信息，不需要實時發(fā)送異常數(shù)據(jù)，只需要定期向服務器報告一下自身狀態(tài)。因此功耗被最大限度地降低，實現(xiàn)電池供電長時間的續(xù)航。

本設計中地埋電纜的防外力開挖破壞監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，其系統(tǒng)組成原理示意圖如下：

監(jiān)測傳感器通過NB-IOT網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器，在管理終端接收數(shù)據(jù)和異常告警信息。

其中，傳感器是本次設計的重點內容，其采用微功耗設計，高能電池供電，采用全密封外殼，沿電纜路徑裝設于電纜上方的地面內。

傳感器內部設計了檢測傳感器組件和信號處理組件，采用微功耗器件，配合NB-IOT實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將異常信息通過公共物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)送到服務器，傳送到管理者的接收系統(tǒng)，實現(xiàn)異常信息的及時接收。其每個傳感器，都在服務器中注冊時，注冊自身的電子地圖信息，因此可以實現(xiàn)管理者迅速定位到異常位置附近。

此種設計方案，解決了常規(guī)標示樁無法主動監(jiān)測的弊端，解決了光纖傳感器需要開挖敷設工程量巨大的弊端，解決了光纖傳感器需要專業(yè)分析系統(tǒng)的高投資弊端，更解決了管理者無法快速定位異常點地理位置的弊端，實現(xiàn)了對異常信息的快速反應。

以上設計經(jīng)過實際測試，能夠實現(xiàn)預定目標。因此，使用NB-IOT網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)應用于地埋電纜防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)，代替有線數(shù)據(jù)傳輸作為數(shù)據(jù)傳輸方式，是完全可行的。