基于NB-IOT的泵站监测系统

王利明 李新堂

（深圳市特发泰科通信科技有限公司 广东省深圳市 518057）

1 引言

泵站作为水利工程建设过程中不可或缺的组成部分，其正常运行对水利工程的建设有着非常重要的影响。目前，水利资源的形势越来越紧张，使得人们也提高了对水利泵站的管理要求。通过现场布设的大量传感器等设备可以及时获取到其中的设施设备运行状况，并通过对获取到的数据进行分析，及时做出反馈。对那些与监控中心距离较近的泵站，可以铺设光纤等线路，通过有线方式传输监测到的数据。但很多泵站分布点多、地处偏僻，这些站点与监控中心的距离较远，在传输线路上施工布线非常不方便，导致用于监测和控制工程运行的设施设备本身的安全状况、运行状况一直以来缺乏有效的监测手段。

而窄带物联网（narrow band Internet of things，NB-IoT）技术，具有广覆盖、低功耗、大连接和低成本等优点，可以解决这些设施设备的监测问题，对变压器、高压开关柜、电机、阀井、厂房、电（光）缆井、GIS室等运行环境及工况等进行监测。本文提出了一种基于NB-IOT无线通信技术的泵站监测系统，能够实现对泵站设施设备的在线监控。通过在现场布设各类传感器，采集变压器关键点温度、开关柜局部放电与温度、电机状态（包括温度、电流、震动）、GIS室SF6气体、室内外温湿度、室内水浸、阀井和电（光）缆井内液位等数据，经由公网NB-IOT网络上传到监控中心，然后对所收集到的数据进行分析处理，以便了解到泵站设施设备的运行状况，实现远程监控和管理。

同时，针对没有NB-IOT接口的传感器，以及需要对接提供了北向接口的第三方监测系统，通过内置NB-IOT通讯模组的物联网关中转，实现采集数据经由公网NB-IOT网络上传到监控中心。

2 泵站监测系统实现

2.1 系统概况

基于NB-IOT无线通信技术的泵站监测系统，主要包括感知层、传输层和应用展示层三部分。感知层主要负责数据的采集，通过各种传感器采集变压器关键点温度、开关柜局部放电与温度、电机状态（包括温度、电流、震动）、GIS室SF6气体、配电室和厂房内外温湿度、厂房水浸、阀井和电（光）缆井内液位等现场数据。传输层则专门负责将采集到的各种数据利用NB-IOT无线网络传输到监控中心云平台。应用展示层是对各种数据进行高性能计算和数据挖掘，并利用图表的形式实时显示，同时进行相关控制和告警处理。

2.2 系统架构

对于新建或已运行，但没有布设监测传感器的泵站，可以全部采用NB-IOT接口的传感器，系统架构示意图如图1所示。

图1：泵站监测系统架构图（完全使用NB传感器）

对那些已经在本地布设了监测设备和传感器的站点，或者没有NB-IOT接口的传感器，可以通过增加带有NB-IOT接口的物联网关实现，即物联网关通过串口或网口采集各种监测设备或传感器的数据， 然后通过NB-IOT接口上传到监控中心云平台，实现监控现场的设备运行情况及环境状况。系统架构示意图如图2所示。

图2：泵站监测系统架构图（NB传感器和网关配合使用）

2.3 分层描述

2.3.1 采集层

采集层主要完成对各类监测信息的数据采集及上传，针对变压器、高压开关柜、电机、GIS室、配电室、阀井、厂房、电（光）缆井等进行监测，使用的传感器包括但不限于：

（1）变压器无线测温传感器。用于测量变压器等高压带电物体表面或接点处的温度，可实现高压设备热故障预知维护。

（2）局放传感器。用于开关柜及其内部设备的局部放电和温度在线监测，必要时给出报警，及时发现开关柜的绝缘缺陷，并为评估其绝缘水平及老化程度提供判据，为开关柜的检修工作提供依据。

（3）电机监测传感器。对电机的振动、电流、温度等运行状态参数持续监测与采集，并将采集到的数据信息进行存储，通过参数的交叉对比和趋势分析，对电机的实际运行健康状态进行评估，为预测性提前维护提供依据，从而为设备的运维保养制定相应的计划和流程。

（4）SF6等有害气体检测传感器。检测六氟化硫SF6等有害气体浓度和泄露，对危险现场的作业安全进行预警。

（5）温湿度传感器。实时监测现场温度和湿度，防止温湿度过高对设备造成不可挽回的损失。

（6）水浸传感器。检测阀井、厂房等处是否发生漏水，防止漏水事故造成相关损失和危害。

（7）液位传感器。用于监测阀井、光缆井、电缆井的液位状态。

（8）变压器油色谱监测设备。监测变压器等油浸电力设备，检测出绝缘油中溶解的各种故障特征气体浓度及变化趋势，这些气体包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，为变压器等油浸电力设备的长期稳定运行提供了可靠保证。

2.3.2 传输层

传输层采用NB-IoT组网技术。NB-IoT具备深度覆盖（比GSM高20db的覆盖增益，可实现地下室、井内等覆盖），海量连接，超低功耗，低成本等特点。通过将NB-IoT模块内嵌至各传感器中，使其具备远程组网功能，可以将采集到的数据发送到监控中心云平台。

对于已在本地布设的监测设备或者传感器，可以将它们接入NB-IoT物联网关。物联网关采用RS232/485,以太网口等接入方式，通过Modbus、MQTT、PLC协议以及各厂家的私有协议等获取现场数据并整合。同时，也可以接入第三方监测设备，以油色谱监测系统举例：现场已安装油色谱监测系统，并提供北向接口。物联网关就可以获取到油色谱监测系统的检测数据，并上报到监控中心云平台。物联网关上报数据可以采用两种方式：

（1）透明传输。物联网关将接入的数据按原有协议进行透传。

（2）协议转换传输。物联网关分析接入的数据，再转换成约定的协议格式传输，包括但不限于IEC 104规约、MQTT协议、HTTP协议等。

2.3.3 展示层

在应用展示层，监控中心云平台对环境数据和设备运行数据进行处理分析，实现告警处理、控制指令下发等功能，同时实现远程监控、历史数据查询、维护管理等功能。通过对泵站设施设备运行状况的处理和评估，对故障的消除和后续维护提供了保障。

2.4 云平台应用架构

监控云平台采用云架构方式构建，包括交互层、应用层、平台层、接入层、终端层五层，可以采用成熟的软硬件产品和中间件，并根据业务发展进行扩展，支撑平台及应用的计算、网络、存储、数据分析等资源和能力需求。平台应用架构如图3所示。

图3：监控云平台应用架构

（1）交互层：是平台与用户的交互中心，实现数据的展示和业务的交互。可以通过Web浏览器、Android版、IOS版的APP等方式呈现系统界面，并使用各个终端显示效果和进行相应的业务场景操作。同时可对采集、加工的数据信息进行数据输出，如将数据进行大屏展示或者将数据通过开放接口输出到其他平台。

（2）应用层：为用户提供所需的业务功能，包括GIS地图显示和管理、报表分析和统计、设备监控查询、环境监控查询、告警展示和处理、故障分析和诊断、工单管理和运转等功能，涵盖实时监控、通知告警、工单管理、查询统计、智能分析、远程运维等核心业务功能模块，可以实现基于监控平台对设备、环境的远程监测。

（3）平台层： 包括数据服务、设备管理、业务管理、系统管理等。

其中，数据服务包括服务管理、数据引擎服务、流程引擎服务、规则引擎服务、后台数据服务等。由于整体系统一般采用微服务的框架，为了对系统微服务进行有效的编排和管理，通过服务管理模块可以进行分布式微服务管理，实现服务的发现、管理、编排、负载均衡等，统一管理各个微服务；数据引擎服务：隔离后台数据的直接访问，提供上层应用访问后台数据服务的各类接口；流程引擎服务：提供工单流程调度、流转的服务；规则引擎服务：定义智能化规则，运转相关规则；后台数据服务：包括数据计算服务、资源服务、数据缓存服务等，提供上层应用统一的资源、告警、监控数据、数据存储等服务功能。

设备管理：主要实现系统的设备类型及数据的管理，实现设备的在线挂载。包括设备生命周期管理、配置管理、设备类型和分组管理、远程控制管理等模块。

业务管理：提供上层应用相关模块的灵活配置，以满足不同需求。包括报表分析配置、模型导入配置、告警配置、参数管理、通知管理、区域/站点管理等模块。

系统管理：主要进行系统配置数据的管理修改和系统自监控，包括用户管理、日志管理、消息管理、组织管理、权限管理、角色管理、菜单管理等。

（4）接入层：包含多个协议适配服务，用以适配不同类型的通信协议，如MQTT协议、Modbus协议、HTTP协议、各传感器或其他设备厂家的私有协议等。经过统一格式的协议转换，输出到平台层分析处理。

（5）终端层：通过接入各种传感器，完成对各类监测信息的数据采集和上传。

3 系统特点

与目前常用的泵站监测系统相比，该系统有如下不同的特点：

（1）以NB-IOT无线通信方式连接采集传感器和监控中心云平台，实现了对泵站设施设备的远程监控，可以便捷和及时的维护。

（2）采用NB-IOT低功耗广域网的技术，不需要在泵站再组建局域网，节约了硬件成本的投入，而各传感器的低功耗保证了长时间的运行。

（3）对已在本地布设了监测设备和传感器的站点，通过NBIOT物联网关接入，将采集数据上传到监控中心云平台，实现了远程和统一监控。

（4）NB-IOT传感器和NB-IOT物联网关配合使用，方便传感器的选型、资源的合理利用和设计方案的制订。

4 结语

针对水利建设中大量泵站数量多且分散的问题，本文设计了基于NB-IoT技术的泵站监测系统。通过在现场布设各类传感器，经由公网NB-IoT网络上传到监控中心，然后对所收集到的数据进行分析处理，能够实现对泵站设施设备的在线监控，实现远程监控和管理。维护人员可以通过Web客户端或手机APP查看泵站设施设备的运行状况，降低了维护成本和提高运维效率，对水利工程的正常运行提供了帮助。