基于LoRa無線通信技術(shù)的變電站環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

盛亞杰 赫樹開 曾曉哲 王幸輝 侯新梅

摘? 要：針對(duì)變電站感知終端碎片化嚴(yán)重，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用不足的問題，基于LoRa低功耗無線通信技術(shù)，采用無線通信模塊、微控制單元設(shè)計(jì)開發(fā)一種可擴(kuò)展、低功耗、無線化的智能感知節(jié)點(diǎn)，該感知節(jié)點(diǎn)可對(duì)變電站環(huán)境狀態(tài)傳感參量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及傳輸。測試結(jié)果表明：感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的穩(wěn)定性好，在1 500 m范圍內(nèi)通信丟包率為0，感知節(jié)點(diǎn)消耗電能約為4.62 mAh/D，有效工作時(shí)長可達(dá)5年。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可為變電站環(huán)境狀態(tài)的智能監(jiān)測提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LoRa；無線通信技術(shù)；感知節(jié)點(diǎn)；信息傳輸；變電站環(huán)境狀態(tài)

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）02-0161-04

Design of Substation Environment Awareness Node Based on LoRa Wireless Communication Technology

SHENG Yajie1， HE Shukai1， ZENG Xiaozhe1， WANG Xinghui1， HOU Xinmei2

（1.Henan Relations Co.， Ltd.， Zhengzhou? 450001， China; 2.School of Physics， Zhengzhou University， Zhengzhou? 450001， China）

Abstract： In view of the serious fragmentation of the substation sensing terminal and the insufficient application of the Internet of Things technology， based on LoRa low power consumption wireless communication technology， a scalable， low power consumption， wireless intelligent sensing node is designed and developed using wireless communication modules and micro control units. The sensing node can collect and transmit the data of the substation environmental state sensing parameters. The test results show that the data transmission of the sensing node is stable， the communication packet loss rate is 0 within 1 500 m， the power consumption of the sensing node is about 4.62 mAh/D， and the effective working time can reach 5 years. The design of the node can provide some reference for intelligent monitoring of substation environmental status.

Keywords： LoRa; wireless communication technology; sensing node; information transmission; substation environment state

0? 引? 言

“萬物互聯(lián)”已成為全球網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的重要方向。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面，諸多行業(yè)也在不斷挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)在潛力，有力推動(dòng)著我國產(chǎn)業(yè)改革和升級(jí)工作的發(fā)展[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合已成為當(dāng)今時(shí)代的重要發(fā)展趨勢[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)供電數(shù)量及質(zhì)量的要求都在不斷提升，打造智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是電力行業(yè)亟需解決的重要課題[5]。

目前智能電網(wǎng)已從普及蓄力期進(jìn)入完善增長期，智能變電站改造是未來智能電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分，其感知層運(yùn)用傳感技術(shù)采集變電站的環(huán)境狀態(tài)信息，再通過無線通信技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和匯聚。但目前變電站感知終端碎片化嚴(yán)重，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用深度不夠，表現(xiàn)為所需終端種類雜，感知設(shè)備多，數(shù)據(jù)傳輸方式多樣，這一現(xiàn)狀給智能變電站的推進(jìn)工作帶來很大的困難。另外，智能電網(wǎng)相關(guān)報(bào)告指出要持續(xù)大力推進(jìn)新一代電網(wǎng)傳感技術(shù)的深度發(fā)展，使傳感網(wǎng)系統(tǒng)終端平臺(tái)向著微型化、智能化、無線化、多功能化應(yīng)用方向發(fā)展[6]。

針對(duì)智能變電站建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用需求和電網(wǎng)傳感的發(fā)展趨勢，基于《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》文件，采用低功耗遠(yuǎn)距離無線通信（LoRa）、微控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可擴(kuò)展、低功耗、無線化的智能感知節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可對(duì)變電站的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線通信技術(shù)傳輸信息，為解決感知終端碎片化問題提供理論和技術(shù)支撐。

1? 整體結(jié)構(gòu)及原理

綜合考慮感知節(jié)點(diǎn)的功耗和可擴(kuò)展性，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于LoRa通信技術(shù)的低功耗通用型感知節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)主要由無線通信模塊、電源模塊、微處理器單元（MCU）、傳感接口模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，傳感接口模塊可通過預(yù)留接口對(duì)接多種類型的傳感器，將采集到的信號(hào)傳遞至微處理器單元。MCU微處理器單元選擇國產(chǎn)GD32系列低功耗芯片作為系統(tǒng)的主控制器，用來處理、存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)和控制其他模塊的工作。通信模塊以低功耗無線通信方式傳輸微處理器單元處理過的數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收?qǐng)?zhí)行北向設(shè)備下發(fā)的控制命令。電源模塊包含電池和電源管理模塊，為其他模塊動(dòng)態(tài)提供穩(wěn)定的工作電壓。

1.1? 微控制單元

微控制單元（MCU）采用國產(chǎn)的低功耗GD32F103C8T6芯片，具有體積小、片上資源豐富、計(jì)算能力強(qiáng)、工作待機(jī)電流小、部署便捷、操作靈活等優(yōu)勢。該芯片以高性能的處理器架構(gòu)ARMCortex-M3RISC為工作核心，提供高達(dá)108 MHz的工作核心頻率，內(nèi)置16 KB～3 MB的Flash，擁有極為豐富的內(nèi)外雙設(shè)備接口。通過合理的接口設(shè)計(jì)，可滿足變電站環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)所需接入傳感器的空間要求。該芯片在待機(jī)模式下電流只有3.6 μA，僅需5 μs即可喚醒，滿足低功耗設(shè)計(jì)、長時(shí)間監(jiān)測需求。

微控制單元預(yù)留多個(gè)接口與傳感接口相連，采集溫度、濕度、水浸、水位、微氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)，其中GPIO口連接LED燈、仿真器接口、USB轉(zhuǎn)TTL串口和一般按鍵，VDD口連接的是電源模塊；TIM口連接到時(shí)鐘，NRST口連接到Reset按鍵。MCU處理完接收到的數(shù)據(jù)后，將UART接口與LoRa通信模塊相連上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2? 無線通信模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳感器無線化設(shè)計(jì)，感知節(jié)點(diǎn)與北向設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和指令采用無線通信傳輸方式，LoRa運(yùn)行在免授權(quán)頻段，通信距離可達(dá)15 km，與無線短距離通信（Wi-Fi、藍(lán)牙）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（NB-IoT）幾種成熟可行的技術(shù)相比，具有通信距離遠(yuǎn)、建設(shè)及運(yùn)行成本低、可靈活組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用于發(fā)送小數(shù)據(jù)量及定期大范圍使用電池供電方式的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，故為保證傳輸速率和低功耗的要求，本文采用LoRa無線通信技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，如表1所示。

LoRa模塊采用SEMTECH的射頻芯片SX1268，通過UART接口與MCU模塊交互。模塊的UART接口參數(shù)默認(rèn)設(shè)置為波特率9 600 bps，數(shù)據(jù)位為8，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位。模塊具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種通信模式，主動(dòng)模式下通信模組控制整個(gè)傳感器的工作，可主動(dòng)喚醒、獲取傳感器數(shù)據(jù)。被動(dòng)模式下通信模組由傳感器控制，可被喚醒，被斷電；另外支持電網(wǎng)相關(guān)協(xié)議可將數(shù)據(jù)周期性上傳。LoRa模塊接線圖如圖3所示。

1.3? 傳感接口設(shè)計(jì)

由于傳感器種類繁多、接口各異，信號(hào)類型及交互協(xié)議也各式各樣，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致終端功能擴(kuò)展困難。本文依據(jù)《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，設(shè)計(jì)一個(gè)通用性較強(qiáng)的傳感接口，具備多物理接口，傳感器即插即用的功能，用以實(shí)現(xiàn)傳感器類型識(shí)別。該接口需要匹配識(shí)別多類型傳感器，同時(shí)完成信號(hào)通信的工作。傳感接口標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)、電氣特性及接線方式進(jìn)行嚴(yán)格分類，針對(duì)不同傳感器輸出信號(hào)類型，采用層次布局結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)接口模塊。此外，MCU微控制單元預(yù)留豐富的接口，配置專用協(xié)議UART串口轉(zhuǎn)換芯片，具體工作方式為傳感器感知的實(shí)時(shí)信號(hào)通過接口模塊傳輸至MCU，MCU將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)由UART透明傳輸至上行通信。該設(shè)計(jì)方案可適配大多數(shù)傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器即插即用，提高兩感知節(jié)點(diǎn)的通用性和可擴(kuò)展性。

1.4? 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊包含兩個(gè)部分，分別為電池模塊和電源管理模塊。電池采用ER26500H鋰亞電池，電源管理單元由LM2596S電源穩(wěn)壓模塊和電源轉(zhuǎn)換芯片組成，用以實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)無線化設(shè)計(jì)及電源的動(dòng)態(tài)管理，如圖4所示。鋰亞電池容量為8 500 mAh，3.6 V，年自放電率＜1%，用于微處理器、其他模塊及外圍的供電。在正常工作狀態(tài)下，溫濕度傳感器、水浸傳感器、水位傳感器電壓為3.3 V，煙霧傳感器的電壓為12 V，微控制單元的電壓為3.6 V。LM2596S穩(wěn)壓模塊輸入電壓為3.2 V～40 V，輸出電壓范圍為1.25 V～35 V，輸入電流為3 A，空載下為18 mA，符合該節(jié)點(diǎn)電源管理設(shè)計(jì)要求。根據(jù)各傳感器或模塊需要的電壓設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，將程序燒錄至電源轉(zhuǎn)換芯片。電源管理模塊依據(jù)程序調(diào)度節(jié)點(diǎn)資源配置，滿足節(jié)點(diǎn)上各模塊的電壓需求，能使電能效益最大化，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的供電。

2? 軟件設(shè)計(jì)

傳感器成功接入感知節(jié)點(diǎn)并采集變電站環(huán)境狀態(tài)的信息需要經(jīng)過三個(gè)步驟，分別是硬件接入、配置文件解析及感知節(jié)點(diǎn)初始化。傳感器模組的屬性、ID等參數(shù)按照國網(wǎng)《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》進(jìn)行配置。傳感器模組通過硬件接口與感知節(jié)點(diǎn)連接后，傳感器模組將配置文件發(fā)送給感知節(jié)點(diǎn)，感知節(jié)點(diǎn)對(duì)文件進(jìn)行接收和解析，若感知節(jié)點(diǎn)接收到文件并成功解析，則傳感器模組接入正常。若感知節(jié)點(diǎn)未接收到文件或者解析失敗會(huì)連續(xù)再接收三次，若接收文件接連失敗，則傳感器接入異常。傳感器接入感知節(jié)點(diǎn)后各個(gè)模塊進(jìn)行自檢，以確保初始化正常，然后感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)下行到指定節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，周期性啟動(dòng)傳感器模組采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過LoRa上送，同時(shí)接收下發(fā)的新指令，感知節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

3? 性能測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證該感知節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性，需對(duì)其進(jìn)行可擴(kuò)展性、丟包率及功耗測試。

3.1? 擴(kuò)展性測試

分別將溫濕度傳感器、水浸傳感器及水位傳感器接入感知節(jié)點(diǎn)，通過sscom串口工具對(duì)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過初始化設(shè)置后，串口工具可收到每個(gè)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，表明傳感器可成功接入，感知節(jié)點(diǎn)具備可擴(kuò)展性。

3.2? 丟包率測試

為模擬變電站較為復(fù)雜的通信環(huán)境，選擇在園區(qū)內(nèi)進(jìn)行通信丟包率測試，在不同的距離使用串口調(diào)試工具收發(fā)100組數(shù)據(jù)，在1 500 m范圍內(nèi)該感知節(jié)點(diǎn)的通信丟包率為0，在2 000 m范圍內(nèi)丟包率為5%，這些數(shù)據(jù)證實(shí)了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的穩(wěn)定性，結(jié)果如表2所示。

3.3? 功耗測試

感知節(jié)點(diǎn)工作模式分為采集模式、接收模式、發(fā)送模式及休眠模式，節(jié)點(diǎn)初始設(shè)置10 min為一個(gè)工作周期，節(jié)點(diǎn)采集收發(fā)一次數(shù)據(jù)后，自動(dòng)進(jìn)入休眠模式等待下一次采集收發(fā)。利用萬能表測量節(jié)點(diǎn)工作模式下的電流，采集模式下Ig=20.3 mA，Tg=0.1 s；接收模式Ia=40.62 mA，Ta=0.1 s；發(fā)送模式下Is=46.48 mA，Ts=0.1 s；休眠模式下Isl=14 μA，Tsl=999.7 s。根據(jù)式（1）計(jì)算節(jié)點(diǎn)一天需消耗的電能，測試結(jié)果如表3所示。

（1）

按照表3每10 min為一個(gè)工作周期，每天需消耗電能約為4.62 mAh，考慮到電池大概10%的損耗，計(jì)算出感知節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)長可達(dá)5年。

4? 結(jié)? 論

本文基于LoRa無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合傳感器、MCU、電池管理等技術(shù)研發(fā)了一種變電站環(huán)境狀態(tài)下的通用型感知節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過可擴(kuò)展性、丟包率及能耗測試，驗(yàn)證了該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送可靠，工作穩(wěn)定，且具有通用性強(qiáng)、功耗低、無線化設(shè)計(jì)及實(shí)用性高等優(yōu)勢，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站中的應(yīng)用具有一定的啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于良波.基于LoRa的無線傳感器通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2020.

[2] 舒文瓊.物聯(lián)網(wǎng)：萬物互聯(lián)奠定網(wǎng)絡(luò)社會(huì)基礎(chǔ) [J].通信世界，2013（14）：21.

[3] 朱國祥.蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢 [J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2019（8）：13-14.

[4] 白雪杰，郭雷崗，姜麗鴿.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（3）：83-88.

[5] 馮偉夏，孟安波，何雙伯.基于自組織網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)配電方案設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（9）：158-162.

[6] 張雯，張穎，曹越.傳感器在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究 [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（26）：262-263.

[7] 程亞軍.基于LoRa技術(shù)遠(yuǎn)距離無線通信模塊的研究與設(shè)計(jì) [D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2018.

作者簡介：盛亞杰（1992—），女，漢族，河南周口人，助理工程師，碩士，研究方向：智能化傳感器的研究。

收稿日期：2022-09-13