基于NB-IoT的低功耗桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊柳林，劉沖鶴

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已組建了一個(gè)巨大的傳輸網(wǎng)絡(luò)。輸電桿塔作為支撐電力傳輸?shù)闹匾画h(huán)直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來(lái)，電力桿塔倒塌事故時(shí)有發(fā)生，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。由眾多報(bào)告顯示，桿塔倒塌事故大多由眾多微小的改變累加而成[1]，但在初期工作人員往往無(wú)法直觀地注意到桿塔姿態(tài)的變化。因此，研究輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)有著十分重要的意義。

在早期階段，桿塔的信息監(jiān)測(cè)只能通過(guò)工作人員持檢測(cè)儀器定時(shí)沿線路巡檢[2]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)階段已研制出多款智能機(jī)器人替代人工進(jìn)行巡線工作[3-4]，但智能機(jī)器人受巡檢范圍、電量損耗、高空移動(dòng)等限制，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全智能化大規(guī)模自動(dòng)巡檢，且制作成本較高。無(wú)線通信技術(shù)需要布置傳感器進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，但由于測(cè)量裝置需長(zhǎng)期處在高壓且無(wú)源環(huán)境下工作，因此，裝置電量的問(wèn)題直接影響著使用壽命。其中，有研究利用蓄電池與太陽(yáng)能電池板混合的供電方式[5-6]，但考慮到布置數(shù)量巨大，采用太陽(yáng)能電池板極大地增加了成本，由于太陽(yáng)能電池板質(zhì)量等因素，在長(zhǎng)時(shí)間頻繁使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低，長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中易損壞器件，且后期維護(hù)不易。因此，無(wú)法很好地解決高壓環(huán)境下對(duì)微電子設(shè)備的充電問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)多利用減少器件損耗和減少通信損耗的方式來(lái)解決裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的問(wèn)題。在通信方式選擇方面，文獻(xiàn)[7]利用ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)對(duì)桿塔姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，實(shí)現(xiàn)精度測(cè)量；文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)輸電鐵塔不同高度的傾斜角度分析，利用光纖傳感進(jìn)行桿塔監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[9]采用4G傳輸方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸電鐵塔的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[10]基于MEMS的加速度傳感器，并采用SHM技術(shù)對(duì)塔身傾斜角度、溫濕度等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[11]基于最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能路燈控制，滿足了智慧城市的建設(shè)需求；在測(cè)量精度方面，文獻(xiàn)[12]根據(jù)鐵塔結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)鐵塔參數(shù)的精確測(cè)量；文獻(xiàn)[13]基于桿塔傾斜度、導(dǎo)線張力等測(cè)量值研究了一種輸電線路機(jī)械狀態(tài)估計(jì)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在利用無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)所需信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，大都考慮了測(cè)量精度、測(cè)量方法的優(yōu)化，在面對(duì)設(shè)備實(shí)際功耗等問(wèn)題時(shí)，無(wú)法給出較為有效的解決方案。通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)可知，對(duì)裝置電能的優(yōu)化可以從四個(gè)方面進(jìn)行：

1）低功耗器件的合理選型與搭配；

2）根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求調(diào)整采集、傳輸頻率；

3）利用先進(jìn)的通信方式減少信息傳輸損耗；

4）根據(jù)測(cè)量環(huán)境實(shí)現(xiàn)同步智能控制。

由此，本文基于NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計(jì)一種低功耗桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)桿塔所處不同環(huán)境的考量分析，對(duì)終端器件的合理選型與搭配，并調(diào)整采集與傳輸頻率，以達(dá)到降低功耗的要求，實(shí)現(xiàn)基于云端平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)管理等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，桿塔測(cè)量系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。其中，感知層由多個(gè)終端構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互并設(shè)計(jì)節(jié)能電路降低功耗。網(wǎng)絡(luò)層包括NB-IoT、基站與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議棧。NB-IoT是通過(guò)現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)組建的一種新的無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)。NB-IoT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署，并能直接部署在GSM、GPRS、CDMA等無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。應(yīng)用層包括云端平臺(tái)開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理等功能。

圖1 桿塔測(cè)量系統(tǒng)

2 終端設(shè)計(jì)

終端硬件部分主要由MCU、電源模塊、NB-IoT模塊、傾角傳感器組成。為最大限度降低電量損耗，在器件選型中會(huì)在滿足工作性能的前提下重點(diǎn)考慮能耗和經(jīng)濟(jì)方面的因素，終端架構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端架構(gòu)圖

2.1 控制芯片

文中選擇意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)的STM32L431作為控制芯片。該芯片能夠在1.71～3.6 V電壓下工作，且在運(yùn)行模式下的功耗為84μA/MHz。STM32L431具有BOR功能，能夠在除關(guān)斷之外的所有模式下工作，且擁有7種低功耗模式供選擇，在關(guān)斷模式下的電流為8 nA。因此，采用該型號(hào)MCU能夠滿足多種環(huán)境下的設(shè)備低功耗運(yùn)行。

2.2 NB-IoT模組

NB模組選用QUECTEL系列，常用NB模組為BC95和BC35-G。與BC95模組相比，兩種NB模組功耗相同，BC35-G可支持外部Class B USIM卡的電壓范圍更廣，支持更多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和頻段，提升了后期擴(kuò)展能力。在數(shù)據(jù)傳輸方面，BC35-G可支持的傳輸方式更多，且下行傳輸速率更高。因此，選用BC35-G型號(hào)的NB模組更加適應(yīng)桿塔后期的大規(guī)模部署和擴(kuò)展能力。

BC35-G供電電壓范圍為3.1～4.2 V，設(shè)有Active、Idle、PSM三種工作模式，引腳特性表如表1所示。

表1 NB-IoT模組VABT引腳特性

在PSM模式下最大耗流為5μA。對(duì)BC35-G電路進(jìn)行改進(jìn)，在靠近電源輸入端接入4.7μF的鉭電容C28和兩個(gè)0.1μF的濾波電容C25，C26，保證良好的供電性能。在29，30引腳處串聯(lián)R29，R30電阻，降低串口功耗；在USIM卡的引腳處增加雙向TVS管以保證較好的靜電防護(hù)性能；裝設(shè)天線并在RF_ANT端設(shè)計(jì)了π型匹配電路，用于更好地調(diào)節(jié)射頻性能，電路如圖3所示。

圖3 NB-IoT模組電路圖

2.3 傳感器

系統(tǒng)采用VTI公司研發(fā)的SCA100T-D02雙軸加速度傳感器，該傳感器由5 V電源供電，分辨率為0.002 5°，在測(cè)量時(shí)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。當(dāng)桿塔發(fā)生傾斜時(shí)，傳感器將感應(yīng)到其傾斜時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)，由式（1）可實(shí)現(xiàn)輸出電壓與角度的計(jì)算；將輸出電壓經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，由SPI串口傳送至MCU，由式（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與角度的計(jì)算。

式中：α為傾斜角；Vout為器件輸出的模擬量；Offset為電壓輸出的初始值；Sensitivity為器件靈敏度，此處為2 V/g，當(dāng)加速度為g時(shí)，輸出電壓為2 V。

式中：α為傾斜角；Dout為數(shù)字量輸出；Dout@0°為0°時(shí)數(shù)據(jù)寄存器對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，在十進(jìn)制下的標(biāo)準(zhǔn)值為1 024；Sens為器件的靈敏度，當(dāng)加速度為g時(shí)輸出數(shù)字量在十進(jìn)制下的標(biāo)準(zhǔn)值為819。

2.4 電源模塊

電源電路如圖4所示，在電源電路中加入單極性和雙極性TVS管，在供電瞬間TVS管以極快的速度將D1，D2兩極間的阻抗變低，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。在開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下采用電源管理芯片增大了能耗，由此放棄選用可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)的電源管理芯片，而轉(zhuǎn)向選擇輸出電壓為5 V的MP3414A升壓轉(zhuǎn)換芯片和輸出電壓為3.3 V的MP1601GTF降壓轉(zhuǎn)換芯片，來(lái)滿足器件安全運(yùn)行。采用NMOS和PMOS對(duì)電源電路進(jìn)行節(jié)能控制，當(dāng)MCU被定時(shí)器喚醒，Q1（NMOS）在柵極高電平時(shí)動(dòng)作，電源電路正常供電，終端開(kāi)始初始化并實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程；通信過(guò)程結(jié)束后，由MCU控制Q2（PMOS）柵極低電平導(dǎo)通，Q1不動(dòng)作，電源電路進(jìn)入低功耗模式。Q1，Q2在導(dǎo)通與截止時(shí)，電壓下降或上升的過(guò)程存在開(kāi)關(guān)損耗P=UI，基于桿塔信息傳輸?shù)牡兔舾刑匦裕ㄟ^(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗；在Q1，Q2導(dǎo)通后均存在導(dǎo)通損耗，本文采用導(dǎo)通電阻小的Si2302CDS-T1-GE3來(lái)減小此過(guò)程損耗。

圖4 電源電路圖

電源由4×ICR18650CL/2 200 mA·h低溫鋰電池組供電，ICR18650CL體積小、重量輕，輸出電壓為3.7 V，充電上限為4.2 V，能夠工作在-40～85℃溫度下。在常溫下電池容量能夠保持在93.68%～99.21%，在-40℃下，電池容量仍能保持在72.77%～76.32%范圍內(nèi)。ICR18650CL預(yù)期使用壽命為10年，常溫下年自放電為1%，較為適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期工作的需求，電池不同溫度放電曲線如圖5所示。

圖5 電池在不同溫度下放電曲線

3 終端主控程序設(shè)計(jì)

終端的主控程序在Keil MDK嵌入式開(kāi)發(fā)軟件下進(jìn)行編程和調(diào)試。

3.1 NB-IoT通信程序

MCU先發(fā)出寄存器指針和傳感器地址，由MCU讀取存于傳感器存儲(chǔ)單元的測(cè)量值，通過(guò)二進(jìn)制碼與BCD碼轉(zhuǎn)換并計(jì)算，將結(jié)果存于存儲(chǔ)單元并傳遞至NB模塊，NB模塊將數(shù)據(jù)封裝成多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)包并按順序發(fā)送。系統(tǒng)在測(cè)試環(huán)境中，將以4 h為周期傳輸數(shù)據(jù)，在同一區(qū)域內(nèi)的終端采用梯次傳輸方式，提高頻譜利用率，避免信息阻塞。根據(jù)不同測(cè)量需求設(shè)置eDRX模式和PSM模式減小待機(jī)功耗。

3.2 NB-IoT通信機(jī)制

NB-IoT模組采用半雙工通信方式經(jīng)eNodeB與核心網(wǎng)建立默認(rèn)承載，由核心網(wǎng)中的P-GW（PDN GateWay）為終端分配IP地址，并將測(cè)量信息經(jīng)核心網(wǎng)傳輸至NB-IoT平臺(tái)。終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、命令等信息在NB-IoT平臺(tái)進(jìn)行解析并存儲(chǔ)，云端平臺(tái)通過(guò)RESTful接口得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。針對(duì)資源受限的特點(diǎn)，采用雙層結(jié)構(gòu)的CoAP通信協(xié)議對(duì)低數(shù)據(jù)量傳輸進(jìn)行優(yōu)化。NB-IoT的協(xié)議棧在LTE的協(xié)議?；A(chǔ)上做出修改，減少了PHY層的信道，對(duì)MAC層、RLC層和PDCP層進(jìn)行優(yōu)化，弱化協(xié)議棧的處理功能并在RRC層增加eDRX、PSM等功能。NB-IoT上行傳輸支持SC-FDMA技術(shù)，下行傳輸采用OFDMA技術(shù)，與LTE系統(tǒng)相似，且NB-IoT中相鄰子載波間的中心頻點(diǎn)距離與LTE系統(tǒng)相同，減小了帶內(nèi)部署下信息傳輸?shù)母蓴_。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，在發(fā)射功率相同時(shí)，NB-IoT的PSD（Power Spectrum Density）更高，采用重復(fù)傳送方式也增強(qiáng)了信息覆蓋能力和傳輸可靠性。

3.3 MCU控制程序

MCU控制程序?yàn)闂U塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)的主導(dǎo)模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)終端定時(shí)喚醒、休眠等所有功能的控制、調(diào)配，通過(guò)控制模塊的協(xié)調(diào)使終端正常運(yùn)行，系統(tǒng)初始化如圖6所示。

圖6 MCU控制模塊初始化

主要工作流程如圖7所示。由電壓采集模塊采集電源電壓，當(dāng)電壓低于閾值時(shí)，跳過(guò)后續(xù)程序，通過(guò)NB模組發(fā)送警報(bào)1并休眠；當(dāng)電源電壓正常，則執(zhí)行后續(xù)程序；由傳感器采集傾斜角、溫度等參數(shù)，當(dāng)測(cè)量值超出閾值時(shí)，發(fā)送警報(bào)信息。若信息發(fā)送失敗，并在指定重復(fù)次數(shù)內(nèi)無(wú)法成功發(fā)送，則終端進(jìn)入休眠模式。

圖7 MCU控制模塊流程

4 云端平臺(tái)設(shè)計(jì)

云端平臺(tái)管理系統(tǒng)能夠?qū)⒋罅康男畔R聚在一起實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，其主要由設(shè)備中心模塊、監(jiān)控模塊、警報(bào)模塊、用戶模塊、系統(tǒng)管理模塊組成，結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 云端平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1）設(shè)備中心

設(shè)備中心模塊是對(duì)終端的統(tǒng)一管理，新的設(shè)備需要將信息錄入云端平臺(tái)才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該模塊能夠錄入或刪除終端信息并對(duì)其編碼、修改除IMEI號(hào)、IMSI號(hào)外的其他非核心信息，如設(shè)備名稱、經(jīng)緯度等；由于不同測(cè)量環(huán)境的實(shí)際觸發(fā)閾值是存在差異的，本文通過(guò)設(shè)備中心增減觸發(fā)器、修改觸發(fā)條件實(shí)現(xiàn)靈活控制。

2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊可顯示總終端數(shù)、在線終端數(shù)等信息，并能查看傾斜角度、溫度、電壓等信息；由于終端設(shè)置在桿塔高處，使得數(shù)據(jù)變化更明顯，根據(jù)長(zhǎng)期測(cè)量數(shù)據(jù)能夠合理預(yù)測(cè)桿塔姿態(tài)變化趨勢(shì)，傾斜角變化曲線如圖9所示，桿塔在大風(fēng)等外力作用下受迫振動(dòng)時(shí)，易產(chǎn)生-4°～4°的搖擺角，均處在正常變化范圍內(nèi)；模塊內(nèi)嵌百度地圖，可顯示終端位置等基本信息；基于大量的測(cè)量信息，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊調(diào)節(jié)觸發(fā)條件減小測(cè)量誤差。

圖9 傾斜角變化曲線

3）警報(bào)模塊

當(dāng)監(jiān)測(cè)信息達(dá)到觸發(fā)器所設(shè)置閾值時(shí)，會(huì)將報(bào)警信息傳至警報(bào)模塊處理。在警報(bào)模塊下，報(bào)警信息能夠以列表的形式展示并可直接處理；通過(guò)警報(bào)模塊下發(fā)命令修改上報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

4）用戶管理

在用戶管理模塊下能夠增減、修改云端平臺(tái)管理賬戶并設(shè)置不同權(quán)限；同一賬戶下可綁定多個(gè)終端且在相應(yīng)賬戶信息中添加手機(jī)號(hào)、郵箱等信息，當(dāng)終端觸發(fā)閾值時(shí)，能夠?qū)ο鄳?yīng)綁定賬戶發(fā)送報(bào)警短信。

5）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)使用Ali的短信網(wǎng)關(guān)，在接收到警報(bào)信息后，系統(tǒng)自動(dòng)編輯警報(bào)信息并發(fā)送至工作人員，或設(shè)置由網(wǎng)絡(luò)向工作人員發(fā)送郵件；通過(guò)系統(tǒng)管理模塊查看運(yùn)行日志所在文件，能夠準(zhǔn)確找出相應(yīng)運(yùn)行信息并分析故障原因。

5 終端功耗測(cè)試

通過(guò)對(duì)主要器件的選型與電路設(shè)計(jì)，分別在工作狀態(tài)持續(xù)5 s，休眠狀態(tài)持續(xù)14 400 s兩種方式下進(jìn)行多次測(cè)量，所測(cè)得部分器件測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 部分終端器件測(cè)量參數(shù)

終端休眠功耗如圖10所示，在休眠241.35 s下，采集樣本數(shù)為1 206 749，所測(cè)設(shè)備休眠電流為80μA，休眠能耗為5.18μA·h，在1 000 mA·h容量下預(yù)計(jì)休眠12 951.39 h。

圖10 終端休眠功耗

由式（3），式（4）計(jì)算終端運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)：

式中：P1+P2為每個(gè)測(cè)量周期的平均功耗，P1為終端工作能耗，P2為休眠能耗；Ii為主要耗能器件工作電流；I4為終端休眠電流；t1為終端工作時(shí)間；t2為終端休眠時(shí)間；B為終端電池組容量；f為每日終端測(cè)量次數(shù)；N為終端預(yù)計(jì)運(yùn)行年限；D終端運(yùn)行天數(shù)。

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）對(duì)器件合理選型與搭配，針對(duì)特殊的應(yīng)用環(huán)境，利用高效的升壓芯片、降壓芯片替代平滑調(diào)節(jié)的電源管理芯片，降低了設(shè)備能耗。

2）基于現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)，利用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本、廣覆蓋的實(shí)際需求。

3）通過(guò)MCU設(shè)計(jì)控制模塊，根據(jù)具體環(huán)境改變終端通信頻率和低功耗模式，延長(zhǎng)終端工作時(shí)間；在同一區(qū)域避開(kāi)測(cè)量時(shí)間，節(jié)約頻譜資源。

4）設(shè)計(jì)了云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程收集桿塔姿態(tài)信息的應(yīng)用需求，降低了成本和工作強(qiáng)度；內(nèi)嵌百度地圖，直觀反映運(yùn)行線路和設(shè)備組網(wǎng)情況；并實(shí)現(xiàn)云端與終端的交互和遠(yuǎn)程升級(jí)，提高了設(shè)備的可利用率。

6 結(jié) 論

針對(duì)輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)成本高、壽命短等問(wèn)題，文中采用NB-IoT通信技術(shù)設(shè)計(jì)了低功耗桿塔姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)器件搭配和節(jié)能電路設(shè)計(jì)，采用梯次傳輸方式和降低通信頻率，減少了功耗和成本，提高了頻譜利用率；設(shè)計(jì)了云端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和平臺(tái)模塊化管理，匯聚了大量數(shù)據(jù)樣本，為其他應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，終端滿足低功耗運(yùn)行預(yù)期，云端平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、命令下發(fā)等預(yù)定功能?？紤]信號(hào)較差時(shí)設(shè)備信息發(fā)送失敗等因素影響，系統(tǒng)在正常環(huán)境下，可至少工作5年。針對(duì)桿塔形態(tài)多樣化的特點(diǎn)，如何提高測(cè)量精度、優(yōu)化終端布置位置和數(shù)量將是本文下一步研究的重點(diǎn)。