基于NB-IoT技术的智能光缆井盖监控系统的研究

丁 晖，黄 海，陈秀国，樊欣欣

（国网铜陵供电公司，安徽 铜陵 244000）

0 引言

电力通信管道光缆迅速发展， 与之对应的光缆井盖数量也快速增长。 与输电、配电、变电等电网专业相比，光缆属于新兴专业，除北京、上海等少数一线城市外，大部分还未建立起独立、完整、高效的光缆运检管理体系，光缆及通道的巡视检查、检测维护主要依靠人力，缺乏先进的管理模式和技术手段，效率不高且效果不明显［1-2］。 以某供电公司为例，地下光缆通道长度达175.41 km， 占公司光缆总长度的11.78%，运维人数较少。 光缆通道位于地面以下，环境较为恶劣，不确定因素较多，人员进入内部巡检作业时劳动强度大，危险系数高［3-4］。 光缆通道布置有大量的光缆井及光缆井盖， 光缆巡检人员需打开光缆井盖， 克服困难与危险进入光缆通道内部进行检查。 由于目前使用的光缆井盖多为球墨铸铁或者复合材质，功能单一，易引发井盖被盗、塌陷下沉，井盖空缺导致人员跌坠，井盖跌落井内砸伤光缆设备，井盖非法开启向井内倾倒垃圾等问题，给运行维护带来诸多困扰，影响人民群众生命财产安全。 除电力行业外，其他行业如供水、排水、供气、通讯等也同样面临此类问题［5］。

为此，通过研制低成本、高可靠的智能光缆井盖监控系统，对光缆井盖状态、光缆井内环境等信息进行实时监控，从而实现光缆井盖的安全管理，为地下光缆通道的精益化管理创造条件。

1 NB-IoT物联网技术概述

研制基于NB-IoT 物联网技术、低成本与高可靠的智能光缆井盖， 实现光缆井盖状态、 光缆井内环境、光缆运行状态等信息实时监控，从而实现井盖管理的信息化、智能化，提高光缆通道巡检和故障查找效率，创新光缆通道和井盖管理模式。

NB-IoT 窄带物联网技术标准最初由华为与高通提出，2016 年6 月由3GPP 标准组冻结，是物联网领域一个新兴的技术。 NB-IOT 使用License 频段（800 MHz 或 900 MHz）， 只消耗大约 180 kHz 的带宽，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级。 目前国内三大电信运营商均大力建设各自的NB-IoT 窄带物联网蜂窝网络，其中电信已建成全国性商业应用网络［6-8］。

相比蓝牙、ZigBee、433M 等物联网通信技术，NB-IoT 具备四大特点［9-10］：一是覆盖广，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益20 dB，相当于提升了100 倍覆盖区域的能力； 二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT 一个扇区能够支持10 万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构； 三是更低功耗，NB-IoT 终端模块的待机时间可长达10 a；四是更低的模块成本。

2 智能光缆井盖监控系统

2.1 智能光缆井盖监控系统架构设计

基于NB-IoT 物联网技术的智能光缆井盖的监控系统架构如图1 所示，智能井盖状态、井内环境、光缆运行状态等数据通过NB-IoT 窄带物联网接入国网云平台， 运行于国网云平台的智能井盖监控管理系统实现智能井盖终端信息接入、存储、分析，将实时预警在光缆井盖智能监控中心显示， 并同步推送至运维管理人员手机App 移动终端。

2.2 NB-IoT物联网芯片和模组选型

开展NB-IoT 物联网技术芯片和模组选型调研，参考目前共享单车智能锁主流芯片应用情况， 选定了中兴物联ME3612 模组，该模组采用高通芯片，支持NB-IoT+eMTC+GSM 的多模方式通信， 集成了GPS+北斗导航功能，能提供丰富而便利的硬件与软件开发支持。

图1 智能光缆井盖监控系统整体架构

在实现过程中， 可以与电信运营商合作开展现场实际NB-IoT 蜂窝信号测试，以验证信号是否覆盖至边远区域、水下、覆土下、室内和地下室等，为智能光缆井盖终端可靠通信提供依据。

2.3 智能光缆井盖终端研制

由于光缆井盖分布范围广，部分地处偏僻，智能井盖终端工作环境非常恶劣，设计与研制的关键：一是整体低功耗设计，包括选择低功耗CPU，设计低功耗控制电路，应用低功耗传感器，智能井盖终端软件采用正常休眠、异常唤醒的省电运行模式设计等；二是防水防腐设计，智能井盖终端安装在井盖背部，工作环境阴暗潮湿， 多雨季节甚至有可能浸泡在积水中， 而终端内部集成有多种感应灵敏的电子元器件以及电池等， 这对终端外壳的防水防腐性能提出较高要求，采用专业防水防腐设计，实施IP68 等级防水；三是可靠性设计，终端硬件（包括锂电池）及软件应免维护，能在极端低温和高温下工作，软件能远程自动升级等；四是数据通信交互技术，智能井盖接入光缆监测终端采集的光缆接头表面温度、护层电流、局放预警等信息，通过NB-IoT 通信网络发送至国网云平台服务器。

当井盖被打开一定角度且未身份识别，或井盖位置发生变化，或井内水深超标、温湿度异常，或有烟雾、有异常声响，或光缆及附件表面温度异常、护层电流异常、局放预警时，采集信息上传至云平台智能井盖监控管理系统，云平台服务器发出预警信号。

智能监测终端结构如下图2 所示。

图2 智能监测终端结构框图

2.4 云平台服务端功能开发

基于云平台的智能井盖监控管理系统将实现智能光缆井盖信息接入、信息的图形化显示、数据的存储查询分析和预警， 实现光缆井盖和事件管理的智能化、网络化和空间可视化。

云平台服务器具有以下主要功能模块：

1）状态信息显示模块。通过NB-IoT 实现智能井盖终端采集信息的快速接入，GIS 地图直接显示异常地点，实时接收并图形化显示包括开盖身份识别，井盖位置、开合，井内温湿度、声音、烟雾，光缆及附件表面温度、护层电流、局放预警等各种数据信息。

2）终端信息查询模块。 对终端采集历史信息进行查询和显示，并进行趋势分析与图表展示。

3）数据分析模块。对接入数据进行分析处理，实现对光缆井盖状态、光缆井内光缆运行状态预判，能对非法打开、移位，异常水位，异常声响、烟雾，异常温度，异常护层电流、局放预警等情况进行预判，提供辅助决策，并提交分析报告。

4）告警管理模块。告警消息自动发送，及时对井盖、井下、光缆等异常状态信息发出报警。

5）配置管理模块。包括所有终端的设置管理、人员权限管理、软件升级管理等。

2.5 App移动终端开发

智能井盖App 将对现场实时监测数据、 预警信息及时推送至运维管理人员， 从而智能井盖的实现远程监控，及时安排人员到现场处置，并将维修情况反馈至平台， 提高了光缆通道巡检和现场问题处置的工作效率与管理水平。

智能井盖App 移动终端具有以下主要功能模块：

1）状态及预警信息显示模块。 GIS 地图实时显示所辖光缆通道井盖状态信息与预警信息位置，点击显示开盖身份识别，井盖位置、开合，井内温湿度、声音、烟雾，光缆及附件表面温度、护层电流、局放预警等井盖状态信息。

2）巡检导航模块。接收预警信息或巡检任务后，选择光缆通道或光缆井，实现巡检导航功能。

3）终端信息查询模块。 对终端采集历史信息进行查询和显示，并进行趋势分析与图表展示。

4）设备报装模块。采用扫码录入，实现现场安装时设备基础信息和安装信息上传与归档。

5）身份识别模块。当井盖打开超6°，启动身份识别，此时应立即采用扫码方式进行身份识别，若未识别，则视为异常打开发出预警信息。

3 应用前景分析

根据国网公司光缆线路定期巡检制度的有关要求，传统的地下管道光缆人工巡检每周应不少于1～2 次，参照当地平均每人每小时工作量的成本30 元为例，结合每次巡检时间为6 h 来计算，节省的人力成本为（360÷7）×2×30×6，因此该系统投入使用后，预计每年大约节约人员及维护费用1.8 万元。 同时提高了光缆通道巡检和故障查找效率， 减轻了基层员工的工作压力。

4 结语

通过基于NB-IoT 物联网技术的智能光缆井盖监控系统的研制，解决了低功耗、防水防腐、可靠性与数据通信交互的设计难题，实时采集井盖倾角、定位，井内水深，井内温湿度、烟雾与声响，光缆表面温度、护层电流、局放预警等井盖状态，将井内环境与光缆运行状态信息上传至云平台服务器实时显示、分析与预警。 利用智能井盖App 终端， 实现井盖状态、井内环境、光缆运行状态的动态感知和异常警报功能，使井盖及光缆井管理信息化、智能化。 由于传感器常受到外力等不可控因素的影响， 能否可靠采集终端数据， 是研发井盖监控系统需要进一步解决的问题。