物联网技术在地下光缆环境状态监测中的应用研究

王 辉,先 真,吕丽芳

(国网河南省电力公司镇平县供电公司,河南 镇平 474250)

0 引言

2019 年,国家电网公司提出全面推进“三型两网”建设,加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署,是网络强国战略在公司的具体实践,是落实中央部署、发挥央企带头作用的重要举措,是适应内外部形势和挑战的必然要求。 其中,泛在电力物联网(Ubiquitous Electric Internet of Things,UEIOT)是围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统[1]。

在目前的通信保障过程中,光缆运行安全和可靠性十分重要。 对光缆运行的环境状态进行在线实时监测及预警,是提高光缆使用寿命、确保数据安全性以及准确性的重要保障机制。 在实际生产工作过程中,环境温湿度的升高都会对光缆的正常工作造成一定的影响,甚至可能会造成其中某些元器件的非正常工作,将进一步导致设备故障发生。 因此,必须严格按照各种设备要求,把温湿度控制在设定的范围之内。 同时,由于在变电站内或附近,光缆的铺设地点较浅,且变电站内施工经常有重型机械对光缆铺设的地面进行碾压,有可能导致光缆的断裂,从而影响通信[2]。

市场上现有的光缆环境状态监测设备,能够在有外力接近光缆时,震动倾斜传感器捕捉到信号后发出告警信号。 但这些产品主要有几个问题,一是供电方式有外接电源和电池供电两种方式,但外接电源的方式不灵活,给大范围推广带来很大困难,而电池的供电方式设备只能工作1 年左右,且设备埋在地下,工作时间不能满足长期工作的要求;二是采用的无线技术有4G 和433 MHz 两种,采用4G 技术会给未来信号接入内网带来很大的障碍,而433 MHz 的单载波技术没有信道网管,会在接入点达到一定量的时候产生阴影效应。 综上所述,由于监测系统需部署的监测点数量较多、分布分散且现场安装情况复杂,供电问题和数据传输问题无法实现全时有效的监测。

本文提出的全无线光缆环境状态全时监测预警系统是集先进传感技术、无线通信技术、低功耗技术、抗干扰技术以及自动化控制技术为一体的系统,通过采集和地面无线传输的方式,构建无线局域网,当光缆环境有变化的时候,能清晰感知变化,并上传报警信息。通过泛在物联网技术中的远距离无线(Long Range Radio,LoRa)技术传输相应的温度、湿度、功耗等数据参数并上传至服务器,用户通过访问服务器来查看或控制相应设备,从而实现超窄带、低功耗、一定数量级、较大范围的光缆环境状态监测,有效保障光缆运行安全。

1 LoRa 技术

监测点多且分散决定了如果采用传统的有线信号的传输方式,存在布线困难、维护工作量大、不可移动等缺点。 无线信号的传输摆脱了线缆的束缚,具有安装周期短、易于维护、扩容能力强等优点,同时组网灵活,无须考虑为新添加的设备铺设网络,扩展设备后,即可实现远程监测。 因此,根据现场实际情况可采用无线信号传输方案。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的自组织的网络系统,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。 根据不同的现场情况选取适合的通信技术,可以选择速率和稳定性更高的5G 技术,也可以选择功耗低、距离远、连接大的低功耗广域网络(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技术。 目前常用的几种通信方式中,GPRS 数据经由公网传输,且成本高,不满足要求,而2.4 GHz(ZigBee)的组网方式为Mesh 组网,这与工信部的要求相违背,因此也不满足要求。

随着物联网技术的发展,更先进的无线通信新技术也层出不穷。 其中,远距离通信网络(Long Range Radio WAN,LoRaWAN)因其独特的灵活性,受到了广大物联网用户的认可。 LoRaWAN 是基于远距离通信网络设计的一套通信协议和系统架构,针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化,而LoRa 是LoRaWAN 的一个子集,属于其中物理层的一种调制技术,相较于传统的频移键控(Frequency-Shift Keying,FSK)技术以及稳定性和安全性不足的短距离射频技术,LoRa 基于线性调制扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)调制技术在保持低功耗的同时显著地提高了信号接收的灵敏度,实现了比其他调制技术更远的通信距离,极大地拓宽了通信范围,且CSS 技术已经广泛应用于军事和空间通信,具有传输距离远、抗干扰性强等特点[3]。

LoRaWAN 规范是一个全球多个厂商共同参与的开放标准,相关技术标准、产品设计、应用案例等都是多个厂商共同参与的,任何组织或个人都可以根据这一规范进行产品开发和网络部署。 LoRa 联盟的成立催生出一个全球数百家厂商支持的广域组网标准体系,从而形成了广泛的产业生态。 LoRa 因其功耗低,传输距离远,组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分契合,因此被广泛部署在智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等多个垂直行业。 LoRa 的主要参数如表1 所示[4]。

表1 LoRa 的主要参数

此外,433 MHz 的传输方式中链路性能远差于LoRa 技术,且其节省功耗的方式较差,用在无源设备中耗电表现差于LoRa,433 MHz 的无线体制没有强大的无线网管系统作后台支撑,监测点的掉线率较高。LoRa 技术不需要建设基站,一个网关便可控制较多设备,且布网方式较为灵活,可大幅度降低建设成本。 综上所述,在本系统中采用LoRa 技术进行无线组网。

2 系统架构

LoRa 网络架构由终端节点、网关、网络服务器和应用服务器4 部分组成,如图1 所示,应用数据可双向传输。 左边为多个无线终端,包括温度传感器、湿度传感器等。 LoRaWAN 网关将传感器采集到的数据转换为TCP/IP 的格式发送到Internet 上。 大多数的网络采用网状拓扑,易于不断扩张网络规模,但缺点在于使用各种不相关的节点转发消息,路由迂回,增加了系统复杂性和总功耗[5]。 LoRaWAN 网关采用远距离星型拓扑结构,可进行多信道、多调制收发,多信道同时解调。网关使用不同于终端节点的RF 器件,具有更高的容量,作为一个透明网桥在终端设备和中心网络服务器间中继消息并通过标准IP 连接到后台数据服务器,终端设备使用单播的无线通信报文到一个或多个网关。

图1 LoRa 网络架构

地下光缆环境状态监测预警系统由一个LoRaWAN 网关和若干个状态监测传感器组成,如图2所示。 连接温湿度传感器的终端节点放置于各种设备附近,根据程序设定时间定时采集。 数据采集结束后,将数据以约定格式打包并通过无线收发模块发送到网关,网关将接收到的数据通过有线方式传输到管理端PC 机,通过PC 机上的图形界面显示各类设备附近环境的温湿度。

图2 系统结构

3 系统介绍

安装部署系统的过程如下:首先,部署网关、传感器等硬件,然后针对每个传感器的类型,预先配置固定数量的条目;其次,安装温湿度监测预警软件,设置当传感器的数值超过设定的阈值时,触发主动上报功能;再次,将传感器采集的数据,推送给服务器;最后,服务器将获取到的数据进行处理,再存入SQL Server 数据库中。

软件实施关键技术:

(1) 无线通信。 从传感器中采集数据,主要是传感器与网关的相互通信;

(2) SQL Server 数据库。 将获取的数据,经过一定的处理,存储于SQL Server 数据库中,且定时备份;

(3) WebSocket。 主要功能是管理端PC 机和服务器之间的数据通信方式,通过服务器主动向客户端推送信息来避免“轮询”带来的效率低、资源浪费等问题。

(4) 统一的数据格式。 json 数据格式。

3.1 光缆环境状态监测装置

监测点包含5 个部分,状态采集传感器、处理器、电池、天线和支撑结构,此监测装置需要采用电池供电的模式,因此设备完全使用低功耗设计。 电池的使用寿命设计为大于8 年;处理单元采用IP67 的结构设计;天线采用470 MHz 的全向天线;完全适应室外的应用。 监测模块的参数如下。

供电:采用电池供电;无线传输:数据传输使用LoRa 扩频通信,使用470 M 频段。

根据系统要求,通过无线传输的数据只有通断值,数据量很小。 因此使用LoRa 无线技术传输完全能够满足系统的设计需要。

3.2 无线网关

无线网关HC-1000C 安装于所需监测的区域,包括几个功能部分:电源模块、处理模块、470 MHz 天线、中继模块、5.8 GHz 天线。 如果线路不需要中继,后两个模块可以省略。 无遮挡情况下可接收3 km 范围内的终端发来的数据,然后通过以太网或者无线宽带(特殊情况可用4G)将数据加密传输至后台服务器,在本方案中使用的是使用以太网进行数据的下行引接。

无线网关可以根据管理终端数目自适应调整传输速率,以达到一个网关管理超过1 000 个无线监测终端的需求。 无线网关采用的多径抑制技术可以保证在变电设备遮挡情况下良好通信。

3.3 后台管理软件

后台管理软件兼容C/S 和B/S 架构,可本地管理和远程登录管理,保证数据管理的安全和便捷性。 同时提供对数据终端的分组、分析、预警服务,进一步将管理数据化、自动化。

4 结语

针对地下光缆环境状态监测的需求以及当前监测手段的不足之处,提出了一种基于LoRa 技术的无线传感器网络以及在线实时监测预警系统。 本系统因地制宜地采用目前比较先进的物联网新技术,为地下光缆环境状态监测搭建了一个全新的技术平台,相信它能够在未来供电公司乃至其他行业发挥其独有的科技魅力,为社会、国家做出更好的贡献。