基于NB-IOT的泵站監(jiān)測系統(tǒng)

王利明 李新堂

（深圳市特發(fā)泰科通信科技有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 引言

泵站作為水利工程建設(shè)過程中不可或缺的組成部分，其正常運行對水利工程的建設(shè)有著非常重要的影響。目前，水利資源的形勢越來越緊張，使得人們也提高了對水利泵站的管理要求。通過現(xiàn)場布設(shè)的大量傳感器等設(shè)備可以及時獲取到其中的設(shè)施設(shè)備運行狀況，并通過對獲取到的數(shù)據(jù)進行分析，及時做出反饋。對那些與監(jiān)控中心距離較近的泵站，可以鋪設(shè)光纖等線路，通過有線方式傳輸監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。但很多泵站分布點多、地處偏僻，這些站點與監(jiān)控中心的距離較遠，在傳輸線路上施工布線非常不方便，導(dǎo)致用于監(jiān)測和控制工程運行的設(shè)施設(shè)備本身的安全狀況、運行狀況一直以來缺乏有效的監(jiān)測手段。

而窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band Internet of things，NB-IoT）技術(shù)，具有廣覆蓋、低功耗、大連接和低成本等優(yōu)點，可以解決這些設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測問題，對變壓器、高壓開關(guān)柜、電機、閥井、廠房、電（光）纜井、GIS室等運行環(huán)境及工況等進行監(jiān)測。本文提出了一種基于NB-IOT無線通信技術(shù)的泵站監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對泵站設(shè)施設(shè)備的在線監(jiān)控。通過在現(xiàn)場布設(shè)各類傳感器，采集變壓器關(guān)鍵點溫度、開關(guān)柜局部放電與溫度、電機狀態(tài)（包括溫度、電流、震動）、GIS室SF6氣體、室內(nèi)外溫濕度、室內(nèi)水浸、閥井和電（光）纜井內(nèi)液位等數(shù)據(jù)，經(jīng)由公網(wǎng)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心，然后對所收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，以便了解到泵站設(shè)施設(shè)備的運行狀況，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。

同時，針對沒有NB-IOT接口的傳感器，以及需要對接提供了北向接口的第三方監(jiān)測系統(tǒng)，通過內(nèi)置NB-IOT通訊模組的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)經(jīng)由公網(wǎng)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。

2 泵站監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概況

基于NB-IOT無線通信技術(shù)的泵站監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用展示層三部分。感知層主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，通過各種傳感器采集變壓器關(guān)鍵點溫度、開關(guān)柜局部放電與溫度、電機狀態(tài)（包括溫度、電流、震動）、GIS室SF6氣體、配電室和廠房內(nèi)外溫濕度、廠房水浸、閥井和電（光）纜井內(nèi)液位等現(xiàn)場數(shù)據(jù)。傳輸層則專門負責(zé)將采集到的各種數(shù)據(jù)利用NB-IOT無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心云平臺。應(yīng)用展示層是對各種數(shù)據(jù)進行高性能計算和數(shù)據(jù)挖掘，并利用圖表的形式實時顯示，同時進行相關(guān)控制和告警處理。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

對于新建或已運行，但沒有布設(shè)監(jiān)測傳感器的泵站，可以全部采用NB-IOT接口的傳感器，系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1：泵站監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖（完全使用NB傳感器）

對那些已經(jīng)在本地布設(shè)了監(jiān)測設(shè)備和傳感器的站點，或者沒有NB-IOT接口的傳感器，可以通過增加帶有NB-IOT接口的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，即物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過串口或網(wǎng)口采集各種監(jiān)測設(shè)備或傳感器的數(shù)據(jù)， 然后通過NB-IOT接口上傳到監(jiān)控中心云平臺，實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場的設(shè)備運行情況及環(huán)境狀況。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2：泵站監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖（NB傳感器和網(wǎng)關(guān)配合使用）

2.3 分層描述

2.3.1 采集層

采集層主要完成對各類監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)采集及上傳，針對變壓器、高壓開關(guān)柜、電機、GIS室、配電室、閥井、廠房、電（光）纜井等進行監(jiān)測，使用的傳感器包括但不限于：

（1）變壓器無線測溫傳感器。用于測量變壓器等高壓帶電物體表面或接點處的溫度，可實現(xiàn)高壓設(shè)備熱故障預(yù)知維護。

（2）局放傳感器。用于開關(guān)柜及其內(nèi)部設(shè)備的局部放電和溫度在線監(jiān)測，必要時給出報警，及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的絕緣缺陷，并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據(jù)，為開關(guān)柜的檢修工作提供依據(jù)。

（3）電機監(jiān)測傳感器。對電機的振動、電流、溫度等運行狀態(tài)參數(shù)持續(xù)監(jiān)測與采集，并將采集到的數(shù)據(jù)信息進行存儲，通過參數(shù)的交叉對比和趨勢分析，對電機的實際運行健康狀態(tài)進行評估，為預(yù)測性提前維護提供依據(jù)，從而為設(shè)備的運維保養(yǎng)制定相應(yīng)的計劃和流程。

（4）SF6等有害氣體檢測傳感器。檢測六氟化硫SF6等有害氣體濃度和泄露，對危險現(xiàn)場的作業(yè)安全進行預(yù)警。

（5）溫濕度傳感器。實時監(jiān)測現(xiàn)場溫度和濕度，防止溫濕度過高對設(shè)備造成不可挽回的損失。

（6）水浸傳感器。檢測閥井、廠房等處是否發(fā)生漏水，防止漏水事故造成相關(guān)損失和危害。

（7）液位傳感器。用于監(jiān)測閥井、光纜井、電纜井的液位狀態(tài)。

（8）變壓器油色譜監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)測變壓器等油浸電力設(shè)備，檢測出絕緣油中溶解的各種故障特征氣體濃度及變化趨勢，這些氣體包括氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，為變壓器等油浸電力設(shè)備的長期穩(wěn)定運行提供了可靠保證。

2.3.2 傳輸層

傳輸層采用NB-IoT組網(wǎng)技術(shù)。NB-IoT具備深度覆蓋（比GSM高20db的覆蓋增益，可實現(xiàn)地下室、井內(nèi)等覆蓋），海量連接，超低功耗，低成本等特點。通過將NB-IoT模塊內(nèi)嵌至各傳感器中，使其具備遠程組網(wǎng)功能，可以將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心云平臺。

對于已在本地布設(shè)的監(jiān)測設(shè)備或者傳感器，可以將它們接入NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采用RS232/485,以太網(wǎng)口等接入方式，通過Modbus、MQTT、PLC協(xié)議以及各廠家的私有協(xié)議等獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并整合。同時，也可以接入第三方監(jiān)測設(shè)備，以油色譜監(jiān)測系統(tǒng)舉例：現(xiàn)場已安裝油色譜監(jiān)測系統(tǒng)，并提供北向接口。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)就可以獲取到油色譜監(jiān)測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，并上報到監(jiān)控中心云平臺。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)上報數(shù)據(jù)可以采用兩種方式：

（1）透明傳輸。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將接入的數(shù)據(jù)按原有協(xié)議進行透傳。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)分析接入的數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成約定的協(xié)議格式傳輸，包括但不限于IEC 104規(guī)約、MQTT協(xié)議、HTTP協(xié)議等。

2.3.3 展示層

在應(yīng)用展示層，監(jiān)控中心云平臺對環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行處理分析，實現(xiàn)告警處理、控制指令下發(fā)等功能，同時實現(xiàn)遠程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、維護管理等功能。通過對泵站設(shè)施設(shè)備運行狀況的處理和評估，對故障的消除和后續(xù)維護提供了保障。

2.4 云平臺應(yīng)用架構(gòu)

監(jiān)控云平臺采用云架構(gòu)方式構(gòu)建，包括交互層、應(yīng)用層、平臺層、接入層、終端層五層，可以采用成熟的軟硬件產(chǎn)品和中間件，并根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展進行擴展，支撐平臺及應(yīng)用的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、數(shù)據(jù)分析等資源和能力需求。平臺應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

圖3：監(jiān)控云平臺應(yīng)用架構(gòu)

（1）交互層：是平臺與用戶的交互中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和業(yè)務(wù)的交互。可以通過Web瀏覽器、Android版、IOS版的APP等方式呈現(xiàn)系統(tǒng)界面，并使用各個終端顯示效果和進行相應(yīng)的業(yè)務(wù)場景操作。同時可對采集、加工的數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)輸出，如將數(shù)據(jù)進行大屏展示或者將數(shù)據(jù)通過開放接口輸出到其他平臺。

（2）應(yīng)用層：為用戶提供所需的業(yè)務(wù)功能，包括GIS地圖顯示和管理、報表分析和統(tǒng)計、設(shè)備監(jiān)控查詢、環(huán)境監(jiān)控查詢、告警展示和處理、故障分析和診斷、工單管理和運轉(zhuǎn)等功能，涵蓋實時監(jiān)控、通知告警、工單管理、查詢統(tǒng)計、智能分析、遠程運維等核心業(yè)務(wù)功能模塊，可以實現(xiàn)基于監(jiān)控平臺對設(shè)備、環(huán)境的遠程監(jiān)測。

（3）平臺層： 包括數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理、系統(tǒng)管理等。

其中，數(shù)據(jù)服務(wù)包括服務(wù)管理、數(shù)據(jù)引擎服務(wù)、流程引擎服務(wù)、規(guī)則引擎服務(wù)、后臺數(shù)據(jù)服務(wù)等。由于整體系統(tǒng)一般采用微服務(wù)的框架，為了對系統(tǒng)微服務(wù)進行有效的編排和管理，通過服務(wù)管理模塊可以進行分布式微服務(wù)管理，實現(xiàn)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、管理、編排、負載均衡等，統(tǒng)一管理各個微服務(wù)；數(shù)據(jù)引擎服務(wù)：隔離后臺數(shù)據(jù)的直接訪問，提供上層應(yīng)用訪問后臺數(shù)據(jù)服務(wù)的各類接口；流程引擎服務(wù)：提供工單流程調(diào)度、流轉(zhuǎn)的服務(wù)；規(guī)則引擎服務(wù)：定義智能化規(guī)則，運轉(zhuǎn)相關(guān)規(guī)則；后臺數(shù)據(jù)服務(wù)：包括數(shù)據(jù)計算服務(wù)、資源服務(wù)、數(shù)據(jù)緩存服務(wù)等，提供上層應(yīng)用統(tǒng)一的資源、告警、監(jiān)控數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)功能。

設(shè)備管理：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)備類型及數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)設(shè)備的在線掛載。包括設(shè)備生命周期管理、配置管理、設(shè)備類型和分組管理、遠程控制管理等模塊。

業(yè)務(wù)管理：提供上層應(yīng)用相關(guān)模塊的靈活配置，以滿足不同需求。包括報表分析配置、模型導(dǎo)入配置、告警配置、參數(shù)管理、通知管理、區(qū)域/站點管理等模塊。

系統(tǒng)管理：主要進行系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)的管理修改和系統(tǒng)自監(jiān)控，包括用戶管理、日志管理、消息管理、組織管理、權(quán)限管理、角色管理、菜單管理等。

（4）接入層：包含多個協(xié)議適配服務(wù)，用以適配不同類型的通信協(xié)議，如MQTT協(xié)議、Modbus協(xié)議、HTTP協(xié)議、各傳感器或其他設(shè)備廠家的私有協(xié)議等。經(jīng)過統(tǒng)一格式的協(xié)議轉(zhuǎn)換，輸出到平臺層分析處理。

（5）終端層：通過接入各種傳感器，完成對各類監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)采集和上傳。

3 系統(tǒng)特點

與目前常用的泵站監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有如下不同的特點：

（1）以NB-IOT無線通信方式連接采集傳感器和監(jiān)控中心云平臺，實現(xiàn)了對泵站設(shè)施設(shè)備的遠程監(jiān)控，可以便捷和及時的維護。

（2）采用NB-IOT低功耗廣域網(wǎng)的技術(shù)，不需要在泵站再組建局域網(wǎng)，節(jié)約了硬件成本的投入，而各傳感器的低功耗保證了長時間的運行。

（3）對已在本地布設(shè)了監(jiān)測設(shè)備和傳感器的站點，通過NBIOT物聯(lián)網(wǎng)關(guān)接入，將采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心云平臺，實現(xiàn)了遠程和統(tǒng)一監(jiān)控。

（4）NB-IOT傳感器和NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)關(guān)配合使用，方便傳感器的選型、資源的合理利用和設(shè)計方案的制訂。

4 結(jié)語

針對水利建設(shè)中大量泵站數(shù)量多且分散的問題，本文設(shè)計了基于NB-IoT技術(shù)的泵站監(jiān)測系統(tǒng)。通過在現(xiàn)場布設(shè)各類傳感器，經(jīng)由公網(wǎng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心，然后對所收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對泵站設(shè)施設(shè)備的在線監(jiān)控，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。維護人員可以通過Web客戶端或手機APP查看泵站設(shè)施設(shè)備的運行狀況，降低了維護成本和提高運維效率，對水利工程的正常運行提供了幫助。