基于NB-IoT与微信小程序的电力端子箱智能告警系统设计

国网宁德供电公司 连 晖 周震尘 黄娟娟

1 引言

端子箱是电力生产活动中常见的一类设备，被广泛部署于各种位置。当前的电力生产环境中，运维模式需要人员到现场逐个将端子箱打开，检查箱体内运行环境，将数据逐一测量、上报。当遇到台风、暴雨等极端天气时，运维人员仍须到达现场，包括一些偏远的变电站来检查端子箱的运行情况。在这些极端情况，例如前述的我国沿海地区每年夏秋季节遭遇的台风条件下、北方地区冬季遭遇的暴雪环境下，检修人员需要逐一确认端子箱的状态，例如是否存在意外开启、进水、冻结等情况。当前技术存在的主要缺点是耗时长、效率低，并且当遇到台风、暴雨等极端天气时，运维人员无法及时到现场（特别是偏远变电站）检查端子箱运行情况。

在移动互联网与硬件技术水平不断提高的大趋势下，这一检修过程可以使用更为便捷的方式进行替代。在端子箱内根据需要放置可移动的便携式温湿度传感器，令检修人员能够便捷地通过手机查看监测数据，并在有需求时进行告警，而无须频繁地前去检查端子箱状态。对于地理位置比较偏远的端子箱，这种做法既能够极大地减少运检人员的工作负担，也能够更快地在数据异常时候通知运检人员。

近年来，5G 通信技术的发展令通信变得更为便捷，但对于上述设备来说，仅从物联网角度来考虑，5G 环境下的信息数据的传输速度和功耗完全不具备优势，而窄带物联网（Narrow Band—Internet of Things，NB-IoT）作为一种低功耗广域网技术，其低成本和低功耗的特点极为适合此类用于监控温湿度，具备无线传输数据量小、实时性强的特点的情况[1]。

而在移动端上，传统的手机App 方式需要频繁地下载安装，在推广时也需要单独分发，用户体验不佳，分发成本高。微信作为国内当前移动互联网终端上安装较多、使用频繁的移动应用之一，是日活跃用户达到6亿以上的一种即时通讯工具，在其之上推出的微信小程序具有无须额外安装和卸载，就可在微信内便捷地获取和传播的优势，适合提供以内容和服务为主，但又需要功能性的小应用。本文研究并设计了一种结合NB-IoT 技术和微信小程序技术的便携式温湿度监控设备及其配套系统，实现令运检人员能够利用移动互联网来实时地监控端子箱环境内的温湿度，并在温湿度异常时及时地进行告警。

2 系统的体系与架构

2.1 整体架构

本文设计的端子箱智能告警系统主要由三个部分组成，分别是NB-IoT 监测硬件，数据服务器及微信小程序。NB-IoT 监测硬件模块应置于端子箱内，其应当能够检测当前端子箱内的温度与湿度，并将数据按照规定协议向数据服务器进行提交。数据服务器负责接收NB-IoT 监测硬件发送来的温湿度数据，按照数据协议对数据的有效性与安全性进行校验，在确认无误后记录至数据库内。

数据服务器在将接收到的数据录入数据库后，应当按照拟定的规则判断该数据是否为异常数据，若为异常数据的话需要主动推送信息至微信小程序，或采用其他方法来对运检人员进行告警。微信小程序模块由运检人员在手机移动端进行操作，在鉴权后能够查看各个NB-IoT 监测硬件上报的数据，并接收由数据服务器推送而来的告警信息。为了增加系统的扩展性，系统允许任意满足规范的NB-IoT监测硬件模块与系统进行接入。

2.2 数据交互流程与安全措施

数据交互流程及该过程中的安全措施是本系统的核心内容之一，对系统的稳定性及安全性起到至关重要的作用。在本系统中，三个组成部分的数据交互方法大致如图1所示。

图1 数据交互流程

其中，NB-IoT 监测硬件模块的数据使用单向模式与数据服务器交互。在NB-IoT 监测硬件模块提交的数据中，除了必要的温湿度信息、时间戳外，还需要包含提前写入的每个NB-IoT 监测硬件模块所独有的硬件标签信息，以及将硬件标签信息与所发送的数据依据进行MD5计算后得出的校验签名数据。

使用单向信息交互是为了保证数据服务器的任意意外事故不会影响到NB-IoT 监测硬件的日常工作，即便数据服务器出现了意外事故或遭到了安全攻击，也不会影响到NB-IoT 监测硬件的日常工作。即便数据服务器遭遇了意外停机、自然灾害等事故，NB-IoT监测硬件也不会因此受到影响，仍会持续地上报数据，因而在数据服务器恢复工作后能够迅速恢复工作。

使用硬件标签信息与校验签名能够有效地对硬件进行鉴权操作，防止授权外的硬件向数据服务器发送数据，也能够阻止常见的重放攻击等攻击方式。由于NB-IoT 监测硬件与数据服务器之间采用单向模式，其可能遭受的攻击方法较为有限。重放攻击，也称为新鲜性攻击，即攻击者通过重放消息或消息片段达到对主体进行欺骗的攻击行为，其主要用于破坏认证正确性。

重放攻击是数据服务器可能遭受的攻击行为中危害较为严重的一种，因为此类攻击会造成数据服务器无法真实获取NB-IoT 监测硬件模块的实时数据，令运检人员无法在线对端子箱状况进行巡检。为了应对此类重放攻击，NB-IoT 监测硬件模块与数据服务器进行通信时，需要在提交的数据中包含当前时间戳以及自身的独特硬件信息标签，并使用MD5方法为上述信息进行签名。

签名后的数据以HTTPS 方法进行加密交互，以避免第三方窃取数据内容。时间戳能够保证消息在一段时间内的新鲜性，主体只接收时间戳与当前系统时间的差值在设定范围之内的消息。通过上述方法，攻击者仅能重放NB-IoT 监测硬件模块在相近时间（如10s 内）内向数据服务器提交的数据。由于该时间较为短暂，对数据的实时性造成的影响不大，可以基本避免重放攻击造成的危害。

数据服务器与微信小程序模块之间的数据交互遵照微信小程序官方的开发原则，按双方模块需求进行通信。通常来说，只有在NB-IoT 监测硬件上报异常数据后，数据服务器才会主动向微信小程序推送异常信息，以此对使用小程序运检人员进行告警。而微信小程序在使用时会主动向数据服务器发起数据请求显示在小程序当中。为了加强数据安全，避免数据篡改，微信小程序用户对数据服务器仅有读取的权限，而无法对数据服务器内存储的数据进行修改，能够保证数据服务器的历史数据不被意外修改。数据服务器与微信小程序之间的数据交互全程使用HTTPS 方法进行加密交互，能够有效防止恶意第三方窃取数据。

3 NB-IoT 监测硬件模块

根据NB-IoT 技术广覆盖、低功耗、低成本的优势，本文研制了一种基于NB-IoT 的低功耗温湿度采集器。该采集器以低功耗，性能良好的STM8微控制器作为主控芯片，搭配低功耗的NB-IOT 模组BC26和高精度温湿度传感器，定时将MCU 从休眠状态唤醒并将数据上传至后端数据系统，在一定程度上解决传统的GPRS，ZigBee 等通信技术功耗大、成本高、组网复杂的问题。为检验系统的可靠性，将采集器置于室内数日进行了空气温湿度试验，试验结果显示其具有较高的可靠性，监测数据有效上传率达99.72%为测试系统的功耗，通过数字万用表对采集器进行功耗试验，试验数据显示其功耗较低，可以实现一节锂离子电池供电长达3年以上的目标[2]。

NB-IoT 监测硬件模块主要包括监测系统样式外壳、控制模块、NB-IoT 通信模块、温湿度检测模块及电池模块。其中，监测系统样式外壳依据部署的方法，可根据需求进行更换，以便更好地进行部署。由于端子箱空间有限，所需部署的端子箱依据时间、气候不同可能有所切换，根据上述特点，本模块也尽可能地减小了所占用的体积，以便置于端子箱内及更换所部署的位置。其可以简单地放置在端子箱内而无须额外固定，以便于运检人员进行部署。其体积小、重量轻，运检人员在单次巡检过程中便可以携带多个设备，按需求进行部署。NBIoT 监控设备的参数大致如下：数据上报频率＞60次/小时、设备重量＜500g、设备续航时间＞30h。

4 微信小程序设计

微信小程序是运检人员在移动端对放置有NBIoT 监测设备的端子箱进行在线巡检的人机交互界面。出于安全因素考虑，本文设计的微信小程序不使用常见的注册制。在使用前，运检人员首先必须向系统的管理人员索取账号及密码，在微信小程序上使用账号与密码登录小程序，并可以绑定自身微信账号以便获取告警信息的消息推送。出于安全原因，管理人员可能会定期更换系统内的账号与密码。账号与密码更换后，所绑定的微信账号也会自动失效。运检人员在使用账号密码鉴权完成后，便能够查看自身权限范围内所有NB-IoT 监测硬件所上报的数据。数据异常的设备或数据项将会得到突出，以便运检人员注意。

微信小程序的常规界面中包含有一个使用红色标题，代表了存在异常告警的设备，令运检人员能够便捷地发现包含有异常数据的设备。在点击设备名称进入设备详情后，运检人员也可以查看NBIoT 监测设备过往上报的数据，能够快速追溯端子箱内NB-IoT 监测硬件所上报的历史数据，确定告警事故发生的具体时间。

使用微信小程序的优点与不足。传统的系统大都借助App 方法作为移动互联网端的人机交互方法。虽然App 能够为用户提供更为全面的服务功能，但在本文提出的此类系统中，终端用户（运检人员）对系统的使用频率不高，系统的复杂性也较低。在这种情形下，使用微信小程序替代APP 作为终端用户的人机交互界面将更为有利。由于系统使用频率不高，微信小程序与App 在启动消耗时间上将基本不存在劣势。由于系统的复杂性不高，因此微信小程序在功能与效果上也不会存在太大欠缺。除此之外，微信小程序将比App 方法还有无须安装，便于分发、易于更新、成本低的优点，适合用作本文提出的此类系统的人机交互界面。

随着技术或需求的不断变更，本系统的需求也可能不断迭代升级。传统的App 方法在升级时较为烦琐，需要使用应用商店进行分发，或以安装包的形式下发到终端用户进行升级。同时，还需要考虑不同系统，如Android、iOS 之间的差异，其分发与开发成本较大。微信小程序能够自动升级，无须额外的分发过程，极大地便利了运检人员的使用。考虑到上述原因，本文认为使用了微信小程序而不是App 作为系统的人机交互方法，能够极大地降低用户的使用成本及开发成本，更为适合本文提出的监控告警系统。

但与传统的App 模式相比，微信小程序在流畅程度、对复杂功能的支持水平上，还存在一定的不足。由于必须通过微信账号登录系统，其在用户管理上也受到了一定程度的限制。虽然目前对系统造成的影响暂时可以忽略不计，但仍须进行适当的考虑。

本系统在设计完成后经过了多次实际测试，测试结果表明系统可靠，并具有一定的拓展性。与传统的人工巡视相比，巡视频率从平均14天缩短至0.5天。运检人员可在雨天实时监测端子箱环境情况，巡视时间平均由包含往返路程在内的5h/站缩短至约0.25h/站，且无需进行实际往返。人工成本从2人/次降低至1人/次，具备一定的经济性。