基于NB-IOT的变电站环境监测系统研究

杨青青，李宝才，张虎

(1.保定学院，河北 保定 071000；2.中国移动通信集团河北有限公司曲阳分公司，河北 保定 071000)

0 引言

随着窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IOT)技术的研究与发展，NB-IOT具有大连接、广覆盖、深穿透、低成本、低功耗等特点，广泛应用在速率要求不高且需要深覆盖的领域。而变电站环境监测受到变电站自身特殊环境干扰因素的影响，使得传统的短距离无线通信技术上传的数据可靠性和稳定性无法得到保障，为了弥补这一不足，本系统使用NB-IOT技术实现变电站的环境监测。

1 系统总体设计

系统由采集终端、协调器、NB-IOT模块和云平台构成。采集终端负责采集变电站的环境参数；协调器负责将采集终端的数据转发给网关，并接收网关下发的命令；网关模块负责将底层数据通过串口发送给NB-IOT模块；NB-IOT模块接收数据后通过基站将数据发送到用户操作云平台。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 硬件模块设计与选型

2.1 采集终端

采集终端负责采集变电站的环境参数，本系统采用TI公司的低功耗片上系统CC2530为核心的主控芯片，CC2530为8为增强型的MCU，内置18个中断源，4个定时器，21个通用I/O口，可以外接多种外设，本系统通过外接各种传感器(气体传感器、水浸传感器、温湿度传感器等)，实现变电站的环境数据采集[1]。

2.2 环境采集数据选型

本设计需要采集变电站的环境信息，传感器的监测区域如表1所示，当超出设定值时，进行越限报警。

2.2.1 MQ系列传感器

本设计采用MQ-2传感器实现对变电站环境内的液化气、苯、酒精、氢气等危险气体的信息采集。MQ-2具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长等优点。

2.2.2 火焰传感器

本设计采用了Risym火焰传感器实现变电站火灾信息的采集，Risym火焰传感器可以检测火焰或者波长在760～1 100 nm范围内的光源，火焰越大，测试距离越远。

2.2.3 温湿度传感器

本设计采用DHT11传感器作为变电站设备室的温湿度传感器，用来监测机房温湿度以及监测设备、电缆等温度，此传感器是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度湿度(±5%)RH，温度(±2)℃，量程湿度20%～90% RH，温度0～50℃。

2.2.4 水浸传感器

本设计采用水浸传感器作为检测漏水的装置，隔离式水浸传感器根据探测电极浸水后阻抗发生变化，通过专用集成芯片对水浸输入信号进行信号放大、整形、比较，输出高低电平变化信号，指示所在位置是否有水，水浸传感器是一种传感装置，主要用于检测电缆沟内是否有积水，如有积水会影响电缆正常工作则报警。

2.3 网关模块

网关模块采用STM32，采用Cortex M3内核，内置了64 K或128 K字节的闪存存储器，用于存放程序和数据。内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道和16个优先级。最高工作频率是72 MHz。具有7通道DMA控制器、多达2个IIC接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口，内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道、3个通用16位定时器和一个PWM定时器。这些硬件资源满足了系统的需求。STM32F1最小系统引脚图如图2所示。

图2 STM32F1最小系统引脚

2.4 通信模块

终端模块一般以MCU为核心，辅以通信模块以及其他输入输出电路构成，MCU负责数据采集、处理、分析以及与通信模组的板内通信连接。本设计通信模块采用BC95。BC95是一款低功耗、高灵敏度、高性能的窄带物联网无线通信模块，尺寸较小，能够满足小尺寸产品终端设备的需求，在设计上兼容GSM/GPRS系列的M35模块[2]。

2.5 云平台

目前，提供物联网平台服务的平台有：中移物联网OneNET平台[3-4]、华为OceanConnectIoT平台、阿里云物联网套件等，综合性能和适配等因素，本系统选用中移物联网OneNET平台，OneNET云平台适配各种网络环境和协议类型，支持各类异构化传感器和智能硬件的快速接入和大数据服务，提供丰富的应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)和应用模板以及支持各类行业和智能硬件的开发，能够有效降低物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全等平台级服务要求。

BC95连接OneNet之后，可以在OneNet平台上看到设备已上线，但是看不到数据，原因是LWM2M上报的数据要有信息标识符ID，而该ID是由OneNet发给模组的。模组收到信息后按照该ID发送数据给OneNet，然后才能看到OneNet上的数据。

接入过程：创建OneNet实例-添加LWM2M对象-向OneNet发送注册 LWM2M请求-注册资源-订阅对象-模块响应+上传数据。

3 软件开发环境

基于NB-IOT的变电站环境监测系统，除了有硬件设计还需要有软件设计才能构成一个完整的系统，系统软件设计包括：底层数据采集、上位机监测设计[5]。其中，底层数据采集主要由各个传感器节点组成的ZigBee网络，本系统采用IAR作为开发环境，实现数据的采集，采集的信息经过AC/DC转换成数字信号，通过处理器模块的处理器进行处理后，通过无线通信模块ZigBee传输到路由节点作为信号的中继，路由节点将信息通过ZigBee传送到协调器节点的无线通信模块，无线通信模块接收到信息后，传送到处理器模块进行处理，进而决定信息是否转发到网关，设计流程图如图3所示。

图3 数据采集设计

上位机界面设计：在监测中心当登陆正确的用户名、密码后，可以进入监测界面，监测中心应显示温湿度、烟雾、漏水等的实际采集数据，对上述采集的数据进行统计保存，最低保存时限为6个月，能够做到对数据的随时调看。对个别的环境参数(温湿度)需要设定安全警戒值的，软件可以实现阈值控制，超出安全界限的出现声光告警灯报警提示。上位机的整体流程如图4所示。

图4 上位机整体流程

4 不同干扰因子分析

变电站环境复杂，传感器信息的传输容易受到电磁干扰、障碍物干扰、环境信息等干扰因素[6]。

通过对温度传感器进行障碍物干扰测试：无线传感器的发送和接收节点放置在电气设备之间，通过测试，发现传感器采集数据受一定的影响，产生了5～35 db损耗。解决方案：通过多次测试，对损耗进行分析补偿，以便减少影响。

通过对温度传感器进行电磁干扰测试：将无线传感器的子节点放置在电气设备相互作用的部分，距地面2 m处。接收节点和发送节点放置在同一水平面上，然后通过改变节点的距离来检测通信的丢包率。实验证明，当两个节点距离大于10 m时，接收到的信号开始出现丢包现象。当两个节点之间的距离大于18 m时，接收方则不会收到任何数据。解决方案：改变传感器节点天线角度，或者改变传感器通信信道，一般选择11号信道干扰较小。为了减少环境影响，将采集模块距离调整在10 m以内，且高度放置在适宜位置，保证正常通信。

通过上位机接收数据测试NB-IOT的稳定性，通过测试发现，其信号穿透能力强，广覆盖、受电磁干扰、障碍物干扰较小。

变电站机房中的电气设备在潮湿环境下会受到影响，进而无法正常工作。受潮后的电缆的绝缘性也会大大降低，如果正在运行中的电缆发生进水受潮现象，则后果会十分严重。所以避免这种情况出现的方法主要以预防为主，要加强电缆沟处对湿度参数的实时监测并及时做出报警处理。

5 结语

文章主要利用ZigBee技术、NB-IOT技术以及计算机软硬件技术等，研究并设计出了一套针对变电站环境的智能监测系统，解决了变电站以往传统布线式监测系统中布线麻烦、不能实时监测、精确度差、技术成本高等问题。并在变电站不同区域内部署多个无线传感器(如气体传感器、温湿度传感器、水浸传感器等)，利用这些节点对环境数据进行采集、传输，并完成数据实时监测。