基于NB-IoT 技术的电缆接头在线测温监控装置设计

2022-07-11李龙

电子技术与软件工程 2022年10期

李龙

（徐州医科大学附属医院江苏省徐州市 221000）

1 前言

信息化、自动化、智能化是当前工业互联网领域的发展趋势和前进方向，几乎涉及到所有的工业领域。供配电作为事关国计民生的重要行业，在工业互联网领域有广泛和深入的应用。近年来随着我国科学技术水平的不断进步，一系列智能化物联网硬件在供配电领域得到了广泛的应用，在保障供电安全方面发挥了重大作用。目前，绝大多数的变电所都实现了无人值守，这在保障供电安全的同时也极大的节省了人力物力。在供电线路安全方面，也有大批的智能物联网设备在部署和应用。

传统的互联网已经是当今社会最重要的基础设施之一，充分实现和满足了人与人之间的互联互通，而物联网则进一步把人与物，物与物有机连接起来，形成更为广泛和广义的互联网。物联网的具体含义不难理解，其本质是基于各方数据的感知、获取和传输，而数据的感知和获取则依赖于各种各样的智能设备、智能传感器、智能仪表、智能监控，也可以是通过基于传感器的实物终端，比如现在居民日常用的带数据远传功能的电表，电表被连接起来后，极大提高工作效率的同时也为居民提供了便利。我们可以充分的预见，物联网将渗透到我们工作和生活的方方面面，创造出极大的经济价值和社会价值。作为当今最为蓬勃发展的互联网信息技术之一，物联网（IoT, Internet of Things）指的就是万物互联的网络，是在人所使用的互联网基础上的延伸和扩展。物联网将各种信息传感器、智能仪表集成或是植入在各种工业设备和装置之中，与互联网充分深入结合起来而形成的一个巨大网络，实现任何时间、地点，人、机、物的互联互通。物联网的出现和发展，真正让人类进入了万物互联的时代。

窄带是互联网领域的一个专属名词，是相对于大家目前广泛使用的宽带网络而言的。一般来说，带宽不到4M 的网络称为窄带，只有4M 或以上的网络才能被称为宽带。同样，窄带也和数据在网络上的传输速率有关。按照OECD（经济合作与发展组织）在2006 年的一份报告中的描述：任何传输速率在256Kbps 以上的互联网连接可称为宽带，以下的则称之为窄带。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）这个名词，正是将窄带网络同物联网技术结合起来。传统的物联网使用有线宽带、无线宽带、4G 或是5G 网络，虽然传输速率高，但同样也伴随着功耗高、信号质量要求高、设备体积大、附属设备多、使用空间和地域受限多等缺点，对于一些需要大数量广泛布置、野外环境取电不便、信号覆盖环境差等场景的使用来说，传统的物联网在部署上存在很大的制约和不足。而目前的物联网，绝大多数设备传输的数据量都不是很大，有很大一部分带宽和传输速率属于资源浪费。正是基于如此，一些对数据传输速率要求不高、传输数据量不大、带宽要求低、功耗要求低的物联网，可以利用窄带网络来部署，这就是窄带物联网（NB-IoT）在应用方面的优势。窄带物联网（NB-IoT）是物联网（IoT）领域一个正在兴起的技术和重要发展分支，正是由于其支持低功耗设备在广域网的大范围多点数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。窄带物联网的突出优势就是支持待机要求时间长、对网络连接稳定性要求较高设备的稳定连接。具有支持广域多点连接、大范围覆盖、超低功耗待机、低成本部署等特点，是实现真正意义上万物互联的突破性技术。

对于一条线路距离较长的外线电缆来说，在铺设好后为了使其成为一条完整连通的线路，每一段电缆必须连接为一个整体，故而每段电缆只见都存在一个连接点，这些连接点就称为电缆接头。电缆线路中间部位的电缆接头称为中间接头。根据相关数据统计和分析，整根电缆因为绝缘层保护完整外界水汽很难进入，绝大多数的电缆线路故障都发生在中间接头部位。对于很多在野外或是偏远地区铺设的电缆来说，一点发生电缆接头故障，无论是查找故障点还是维修更换都是极为麻烦的，还有可能带来严重的供电安全事故。

电缆中间接头的质量受使用材料和制作工艺的限制，目前常用的电缆接头制作工艺有热缩式、冷缩式、绕包式等，无论采用哪种工艺和材料，都存在一定的发生故障的可能性。电缆接头在发生故障前，绝缘层受到破坏，电阻增大，一定会发生一段时间的发热升温现象。故而对电缆接头的温度进行持续的在线监控，就能够提前发现升温现象，进而发现可能出现故障的电缆接头，准确的定位和查找故障点，提前处理避免可能出现的电缆事故。

窄带互联网的优势就是：覆盖范围广、建设成本低、功耗能耗低、连接设备多。对于长距离的输电线路来说，可能有几十上百个电缆中间接头，其中有相当数量的电缆接头都处在野外环境之中，有些还位于人迹罕至的地区，根本无法保证能够提供稳定的电源和高质量的网络信号。而在这种场景之中，为了能够实现大范围内数量众多的电缆接头在线测温监控，窄带物联网技术的优势就能够得到充分的发挥了。

2 装置设计

作者所在的医院是一所综合性三级甲等医院，对供电的安全和稳定要求较高。国家对医院的供电方式也有特殊要求，需要采用双回路供电，在极端情况下还需要自己配备发电机以保证手术室、ICU 等重要场所的供电。医院的外线电缆整体长度也比较大，电缆中间接头的数量有几十个，一旦发生接头爆炸击穿事故，虽然能够切换到另外一条线路，但短时间内还是会对医院的供电安全带来影响，在线路切换的时候也有可能会损坏部分设备。正是基于以上的知识背景和对现实问题的研究思考，为了解决大量电缆接头在线测温监控这一技术需求，作者设计了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术的电缆接头在线测温监控装置。这种装置的特点是体积小、集成度高、便于安装、免维护、使用寿命长。下面来分别介绍本装置的组成结构。

本装置由以下三个部分组成：分别是集成式NB-IoT 数据模块，测温模块，铠装绝缘防水模块（含钳夹），具体构造如图1 所示。

图1：电缆接头在线测温监控装置结构图

因此，结合电力系统进行分析，不论在高压线路还是在低压线路内，电缆导体皆具备一定的挖补绝缘隔离作用。首先，可结合电压的高低进行分析，若电压相对较高，则屏蔽层、绝缘层就会较厚，而一点电压超过3kV，则其中的绝缘层外则会出现异常，导致半导电层出现异常问题，无法保证电厂不会出现均化问题。这也表面在电缆接头在线测温监控环节，需增加对高压电缆以及低压线路的关注，避免均化问题对检测电缆导体带来负面的影响。所以，在目前电缆接头在线测温监控技术中，电缆接头的测温产品，会运用间接测温的方式，执行对电缆外表的检测工作，使工作人员能够运用理论计算的方式，掌握在实际操作环节，内部电缆导体的实际温度，通过技术方案的实施，降低对温度信息的干扰，使其可以穿透电缆的表层，降低在线测温监控环节的不准确问题发生。但其仍存在两点缺陷：

（1）温度检测准确度相对较低，易受到外部环境影响，使产品结构的计算环节差异性较大，增加在电缆接头实际检测环节的影响。长此以往，若技术人员未增加对产品结构的分析，则会导致计算环节的差异性较大，使计算结果的准确性有待深究。

（2）存在时效性相对较差的问题，一旦电缆接头温度出现过高的现象，则会增加温度信息传导环节的不准确性，使外部的接收站存在一定的限制，无法保证其能够经历长久的接受工作，促使此种技术方案能够在此区域内进行实施，以展现出工程的实际价值。

再者，可运用直接测温的方式，掌握电缆导体内的不同区域温度传感器的安装位置，使温度传感器的温度信息能够被控制，确保温度信息可以完成无线发送工作，使其能够在第一时间内进入接收站。这样，则可执行对电缆导体的实时检测工作，促使直接测温的方法能够提升检测环节的准确性。但若在实际操作环节应用直接测温的方式，则需在一定限度内，执行电缆导体传感器的位置确认，落实被检测温度信息、温度传感器的状态，使电缆导体外部的屏蔽层、绝缘层处于稳定状态。

2.1 模块设计和功能

2.1.1 集成式窄带物联网（NB-IoT）数据模块

此模块位于整套装置的最外层。鉴于本装置的体积小集成度高，故而在本模块设计中采用了SoC 芯片。SoC 是System on a Chip 的英文首字母缩写，其中文翻译就是在一块芯片上集成一整套信息处理系统，因此又被称为片上系统或系统级芯片。这是一个十分广泛的定义，根据不同的具体用途，也有各种各样的SoC 芯片，不同的SoC 芯片上所集成的部件是不一样的。一般说来，SoC 芯片具有体积小、功能多、集成度高、功耗低的特点，这也决定SoC 芯片非常适合在本装置中使用。在本模块中使用的SoC 芯片集成了数据处理芯片、锂电池、电源管理芯片、无线信号发射芯片，构成了一套完整的系统。其中数据处理芯片的主要功能是将测温模块传来的相关温度数据进行数字化处理，转换为符合物联网传播规范的数据格式。锂电池为整套装置的运行提供电源，采用一体封装设计，电池容量能够满足整套装置在全寿命周期内的运行而无需更换。无线信号发射芯片的主要功能是将测温数据通过信号网络发送出去。得益于国内几十年的通信基础设施建设，目前国内无论是平地、高原、山区、盆地，还是城市、郊区、地铁、高铁等，几乎都有通信信号覆盖。根据工信部的相关数据统计，国内约每2.1 平方公里就有一座通信基站，全国95%以上的偏远山区都已经覆盖通信信号。故而本装置产生的数据可以完全利用现有的国内三大运营商的2G、3G、4G 等通信网络，覆盖范围极广，适合在野外部署。且因为数据传输量少带宽要求低，即使信号质量不是特别好的环境中也能及时的将数据传输出去。因为本装置所使用的SoC 芯片需要的功耗很低，此模块集成的锂电池不需要太大的容量，就能够满足本装置在整根电缆使用寿命内的运行需要，且在整个使用周期内做到免维护。

同时，可结合新型高压电力电缆的连接方式进行分析，掌握在电缆接头区域是否存在远程智能测温装置。如：通过对防护组件、测温组件的判定，了解电缆的实际运行方式，将电缆的一段与中间区域进行连接，完成电缆接头的衔接工作。其中电缆可包含（101），则另一端的接头则为（102），此时可根据工程实际要求进行整理，保证中间接头处不存在热电偶，促使中间接头的防护件能够顺利应用于电力电缆的外侧，使所述防护件的顶端位置能够顺利在密封件中进行安装。由此方式，增加防护件在两端的应用，避免电力电缆接头在测温环节出现异常。而测温组件在应用过程中，可增加在中间接头区域的设置，将其应用于中间接头外侧，执行外部的温度检测工作，促使温度检测件能够被合理应用于测温区域，使工作人员可以在第一时间内设置相应的温度检测工具，增加固定件的使用（202），让其可以设置在防护件的内腔内，使电缆接头内腔中的温度测温件能够与外界传输件进行衔接。

2.1.2 测温模块

此模块的功能主要是持续的对电缆接头进行测温。电缆测温有多种模式，在本装置内部采用连续型热电偶对电缆接头部位进行持续测温。热电偶是常用的测温器件，在工程领域有十分广泛的应用，其实质就是一个热电转换装置，将热能转化为电信号，通过对电信号的测量而实现对温度的测量。热电偶的特点有：测量精度高。因为热电偶是感温元件，直接与被测对象的表面接触，不受中间介质的影响，测温误差小；测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可以进行连续测温，某些特殊的热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬热电偶），最高可达+2800℃（如钨-铼热电偶）；构造简单，使用方便。热电偶基本上是由两种或几种不同的金属丝组成，而且不受大小和形状的限制，一般热电偶的外层有专门的保护套管，安装起来十分方便；技术成熟，采购成本低，热电偶是市场上技术十分成熟的产品，长时间使用稳定性极好。本装置采用连续型热电偶的采购价格较低，有助于降低整套产品的制造成本。

另外，在本装置的设计中，测温模块和集成式NBIoT 数据模块之间采用CANBus 总线进行连接。CANBus（Controller Area Net-work Bus），称为控制器局域网总线，作为ISO11898CAN 标准，专门用来在制造过程中连接现场设备（例如传感器、执行器、控制器等），是一种面向广播的串行总线系统。CANBus 最早由美国通用汽车公司（GM）开发出来用于汽车制造领域，后来逐渐发展扩大，更多的出现在各种工业自动化控制领域。CANBus 的优点是数据传输效率高，稳定，容错率高，这对需要长时间连续监测温度的本装置来说是十分重要的。另外，CANBus 是一种开源的总线协议，无需任何的专利费用，任何人都能够进行开发和使用，从而进一步实现整套装置的低成本高可靠运行。

2.1.3 铠装绝缘防水模块（含钳夹）

这部分主要是对NB-IoT 数据模块、测温模块进行绝缘防水耐候的包裹，使得整套系统能够在野外较为恶劣的环境中持续长时间工作。本装置设计的防水指标是IPX8 级，能够满足长时间浸水情况下的正常工作。在此同时，本装置也具备耐候性能，能够满足一年四季在野外大温差条件下的正常工作。另外此模块采用铠装的形式，在绝缘层下还有坚固的铠装材料进行保护，也能够一定程度上防止外力破坏。以上设计都是充分考虑本装置有可能会长时间在野外环境下工作，为了保证安全和稳定。同时为了便于安装和部署，此部分还集成了钳夹式安装装置，可以通过钳夹式安装固定在电缆接头的任意一端，既十分方便又坚固可靠，对安装人员的技术要求不高。

整套装置由以上三个模块组成，其中最核心的是测温模块。之所以采用以上的设计，正是为了便于生产和组装，也便于后期运输和安装。本装置设计完成后，作者结合相关工作经验和实际情况，对其具体应用展开探讨。经过研究和相关专业分析研讨，认为此装置在具体部署使用方面有以下优势和实用意义：

2.2 优势和实用意义

2.2.1 生产工艺简单，造价成本低

本装置仅由三个功能模块组成，生产和组装起来十分简单。本装置所采用的各种材料、芯片、零件，均可采用市场成熟产品，无需单独设计研发制造，且采购价格低。本装置所使用的CANBus 数据总线为开源协议，无专利和技术使用费，可以免费用来开发和使用。在信号传输上，本装置可以使用国内三大运营商的无线通信网络，费用低且区域覆盖广阔。整体来说，本套装置无论是在生产还是后期安装使用上都是成本极低，可以极大的为用户节约成本。

2.2.2 可大范围大量使用

本套装置体积小，运输和携带都是极为方便，同时每套装置均有自己的电源和信号发射装置，不受时间和空间的限制，完全可以利用国内现在覆盖率极广的通信网络来实现数据传输。同时本装置成本低，可以大量采购，在对于在大范围内有较多电缆接头的场景，完全可以高效率低成本来完成大范围部署。

2.2.3 安装简单，尤为便于野外施工

本装置采用高度集成的设计，整体只有三个功能模块，而且将几个功能模块通过铠装绝缘防水层进行封装并集成了钳夹式安装器具。在具体施工的时候，只需要使用简易工具将其固定在电缆接头任意一端即可，一人即可完成施工且无需携带大型工具，对于野外施工来说十分方便，可以极大的节约人力和物力成本。

2.2.4 环境适应性强，免维护长寿命设计

本装置在设计之初就考虑到在野外环境部署，故而完全采用了免维护设计。只要完成了初次安装，在整个使用寿命周期内均无需再进行维护。因为窄带物联网的特点就是功耗极低，内置的锂电池可以在整个使用周期内为本装置提供电能，无需额外更换。本装置整体满足IPX8 级防水，即时长时间浸泡在水中也可以正常工作，经过耐候性设计，可以满足在低温和高温状态下的稳定运行。正是基于以上设计，本装置的使用寿命可以做到和整根电缆同寿命，极大的有利于处于野外恶劣环节中的电缆接头长期使用。本装置向外传输的数据量少，带宽要求低，对网络信号的质量要求低。在国内三大运营商现有的2G、3G、4G 网络覆盖情况下可完全正常工作。本装置防水绝缘，耐候性强，环境适应性极高。

2.2.5 采用规范的物联网数据传输协议，在终端可以同各种信息系统及软件无缝对接

在本装置设计的时候，所有的数据传输均符合物联网数据的规范格式，兼容性极强。目前有关物联网协议一般分为两大类，一类是传输协议，一类是通信协议。传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信；通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP 协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。本装置基本上只需要通信协议即可正常工作。目前主流物联网的通信环境有Ethernet，、Wi-Fi、RFID、 NFC（近距离无线通信）、Zigbee、6LoWPAN（IPV6 低速无线版本）、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G、5G 等网络，而每一种通信应用协议都有一定适用范围。目前物联网主流的有七大协议，分别是MQTT、 DDS、AMQP、XMPP、JMS、 REST、CoAP，每种协议都有至少10 种以上的代码实现，都能够支持实时的发布/订阅的物联网协议，但在使用本装置进行具体物联网系统架构设计时，只需考虑实际场景的通信需求，灵活的选择合适的协议即可。在目前针对物联网的后台控制、数据集成、监控报警软件很多，不同的企业单位也选择了不同的平台，但因为本装置可以灵活的选用不同规范的物联网数据传输协议，故而也不需要单独为本装置开发一套后台软件，只需进行匹配即可，故而极大的节省了软件开发的费用，从而进一步降低了本装置的整体部署费用。

2.2.6 模块化设计，升级和可扩展性强

本装置采用了模块化设计，也是充分考虑到了后期升级扩展的需求。随着对供电安全要求越来越高，对电缆的在野外工作时的监控要求也越来越高，需要的相关数据也会越来越多。本装置可以根据需要，扩展其他的功能模块，比如湿度、压力等等，可以在模块化的框架内不断的进行升级改进，在生产的过程中只要替换或是增加模块即可，不需要重新进行整体设计。

首先，作为新型可用用高压电缆接头，为完成对其的在线测温监控操作，可增加爱职能测温装置的应用，让工作人员选取合适的操作方案，将温度检测件可以顺利应用于此区域，保证坚持方便安装的基本原则，促使中间接头外侧的温度传感器能够充分发挥出其作用，将温度传感器顶端与温度感应器相互衔接，使其可以适用于电缆接头的在线测温将衔接工作中。其次，可增加新型使用性电力电缆中间接头的应用，运用远程智能测温装置，在固定件的外侧设置防爆绝缘套，使电缆接头区域在运行期间不必遭受外界干扰因素的影响，促使固定件可以顺利应用于固定块的外缘处。这样一来，则可保证新型高压电力电缆在中间接头处能够执行远程智能测温工作，促使工作人员可以在第一时间内选择优选方案，使检测件的防爆盒内，内腔温度传感器能够发挥出相应的作用，进而实现与温度感应头的连接，将电缆接头与温度传感器东顶部进行连接，促使新型高压电力电缆接头能够完成远程测温工作。

届时，可以根据传输件的应用状态，将所述防爆盒内的安装版进行应用，规划出具体的安装板顶模块，使新型电缆接头可以发挥出其实际效应，将防爆顶盖进行移动，保证新型电缆接头可以执行内部防爆盒的应用操作，促使在其顶部可以执行螺铨的扭入工作，保证防爆顶盖可以固定在防爆盒体中间。这样，则可执行电力电缆的故障统计操作，使防爆盒体以及防爆顶盖能够进行衔接，使二者皆可为中间接头提供相应的保护，促使中间接头在应用过程中不会发生火灾，降低对外界带来的干扰。

除此之外，可增加对电缆接头的保护工作，使监控装置的实际花费成本能够降到最低，给予防爆顶盖相应的保护，让防爆顶盖底部在应用过程中不会出现丁腈橡胶垫的卡入现象，保证其槽内无杂物，降低外界环境内的杂物、粉尘等因素带来的干扰，让易燃气体无法通过防爆顶盖进入防爆盒内，促使二者之间的夹缝区域能够更好地衔接，降低其对中间接头处带来的影响，增加在电缆接头在线测温监控环节的有利因素，使电缆街头区域的温度区域稳定，增加稳定温度传感器在此区域内的应用。在此基础上，既可通过温度感应器执行中间接头的温度控制工作，使电缆接头与温度传感器之间可以进行相互的配合，保证本次工作能够完成24 小时的实时监控，进而保证各电缆接头在通过传输件时，能够将数据信息应用于上位机上，方便使用人员执行各项操作，且在第一时间内掌握电缆接头的运行状况，促使使用人员可以加强对该方面参数的思考，执行远方同步监控的实际功能，促使电缆接头在温度出现异常时，系统可以在第一时间内发出警报，方便监管人员知晓该项工作，避免在施工现场中出现远程同步异常的问题。

若此时，电缆温度出现异常，监管人员可以在短时间内抵达现场，运用全方位评测的方式，掌握电缆异常问题，使温度传感器可以更好地与温度感应头进行配合，辅助工作人员完成对现场电缆状况的检查，促使其可以在短时间内掌握电缆接头的异常现象，监测电缆的运行方式，促湿度传感器能够与温度感应器相互配合，展现出防爆盒体内的状态，避免其中存在过量的时期，控制湿气含量，促使使用者可以降低危险事故发生的频率、在此背景作用下，则可保证检测人员所得出数据信息的准确性，使防爆盒体能够正常应运行，让模块传输工作能够顺利开展，将外部上位机进行移动，使其可以安装于移动端，以方便检测人员执行监测工作。