文/蘇格
編輯/蘇格
随着計算機資訊技術和網絡技術的快速發展，物聯網技術已廣泛應用于社會生産生活的方方面面，諸多行業也在不斷挖掘物聯網技術的内在潛力，有力推動着大陸産業改革和更新工作的發展。
“萬物互聯”已成為全球網絡未來發展的重要方向，物聯網技術與工業領域的結合已成為當今時代的重要發展趨勢 。
随着經濟的發展，人們對供電數量及品質的要求都在不斷提升，打造智能電網，實作供電系統的可持續發展是電力行業亟需解決的重要課題。
目前智能電網已從普及蓄力期進入完善增長期，智能變電站改造是未來智能電網規劃建設項目的重要組成部分，其感覺層運用傳感技術采集變電站的環境狀态資訊，再通過無線通信技術對資料進行傳輸和彙聚。
但目前變電站感覺終端碎片化嚴重，物聯網技術應用深度不夠，表現為所需終端種類雜，感覺裝置多，資料傳輸方式多樣，這一現狀給智能變電站的推進工作帶來很大的困難。
另外，智能電網相關報告指出要持續大力推進新一代電網傳感技術的深度發展，使傳感網系統終端平台向着微型化、智能化、無線化、多功能化應用方向發展
針對智能變電站建設的實際應用需求和電網傳感的發展趨勢，基于《輸變電裝置物聯網傳感器資料規範》檔案，我們采用低功耗遠距離無線通信 (LoRa) 、微控制等技術，設計了一種可擴充、低功耗、無線化的智能感覺節點。
該節點可對變電站的環境狀态進行資料采集，通過無線通信技術傳輸資訊，為解決感覺終端碎片化問題提供理論和技術支撐。
一、整體結構及原理
綜合考慮感覺節點的功耗和可擴充性後，我們設計開發了一種基于 LoRa 通信技術的低功耗通用型感覺節點。該節點主要由無線通信子產品、電源子產品、微處理器單元 (MCU)傳感接口子產品組成，其結構如圖 1 所示。
圖1
工作時，傳感接口子產品可通過預留接口對接多種類型的傳感器，将采集到的信号傳遞至微處理器單元。MCU 微處理器單元選擇國産 GD32系列低功耗晶片作為系統的主要制器，用來處理、存儲傳感器采集的資料，協調和控制其他子產品的工作。
通信子產品以低功耗無線通信方式傳輸微處理器單元處理過的資料，同時也接收執行北向裝置下發的控制指令。電源子產品包含電池和電源管理子產品，為其他子產品動态提供穩定的工作電壓。
1.1微控制單元
微控制單元(MCU) 采用國産的低功耗 GD32F103C8T6晶片，具有體積小、片上資源豐富、計算能力強、工作待機電流小、部署便捷、操作靈活等優勢。
該晶片以高性能的處理器架構 ARMCortex-M3RISC 為工作核心，提供高達 108MHz 的工作核心頻率，内置 16 KB3 MB的 Flash，擁有極為豐富的内外雙裝置接口。
通過合理的接口設計，可滿足變電站環境狀态實時監測時所需接入傳感器的空間要求。該晶片在待機模式下電流隻有 3.6 uA，僅需 us 即可喚醒滿足低功耗設計、長時間監測需求。
微控制單元預留多個接口與傳感接口相連，采集溫度濕度、水浸、水位、微氣象等環境資料，其中 GPIO 口連接配接LED 燈、仿真器接口、USB 轉 TTL 序列槽和一般按鍵，VDD口連接配接的是電源子產品，TIM 口連接配接到時鐘，NRST 口連接配接到Reset 按鍵。MCU 處理完接收到的資料後，将 UART 接口與LoRa 通信子產品相連上傳至彙聚節點，其結構如圖 2 所示。
圖2
1.2 無線通信子產品設計
為實作傳感器無線化設計，感覺節點與北向裝置之間的資料和指令采用無線通信傳輸方式，LoRa 運作在免授權頻段，通信距離可達 15 km，與無線短距離通信 (Wi-Fi、藍牙)、蜂窩網絡系統(NB-IT) 幾種成熟可行的技術相比.具有通信距離遠、建設及運作成本低、可靈活組網等優點适合用于發送小資料量及定期大範圍使用電池供電方式的物聯網終端裝置，故為保證傳輸速率和低功耗的要求，本文采用 LoRa 無線通信技術進行設計 [7，如表 1 所示
表1
LoRa 子產品采用 SEMTECH的射頻晶片 SX1268，通過UART 接口與 MCU 子產品互動。子產品的 UART 接口參數預設設定為波特率 9 600 bps，資料位為 8，無奇偶校驗，1 位停止位。
子產品具有主動和被動兩種通信模式，主動模式下通信模組控制整個傳感器的工作，可主動喚醒、擷取傳感器資料。被動模式下通信模組由傳感器控制，可被喚醒，被斷電;另外支援電網相關協定可将資料周期性上傳。LoRa 子產品接線圖如圖 3 所示。
圖3
1.3 傳感接口設計
由于傳感器種類繁多、接口各異，信号類型及互動協定也各式各樣，缺乏統一的标準，導緻終端功能擴充困難。
我們依據《輸變電裝置物聯網無線傳感器資料規範》标準協定，設計一個通用性較強的傳感接口，具備多實體接口，傳感器即插即用的功能，用以實作傳感器類型識别。
該接口需要比對識别多類型傳感器，同時完成信号通信的工作。傳感接口标準根據傳感器輸出信号、電氣特性及接線方式進行嚴格分類，針對不同傳感器輸出信号類型，采用層次布局結構，設計接口子產品。
此外，MCU 微控制單元預留豐富的接口，配置專用協定 UART 序列槽轉換晶片，具體工作方式為傳感器感覺的實時信号通過接口子產品傳輸至 MCU，MCU 将處理過的資料經由 UART 透明傳輸至上行通信。該設計方案可适配大多數傳感器，實作傳感器即插即用，提高兩感覺節點的通用性和可擴充性。
1.4 電源子產品設計
電源子產品包含兩個部分，分别為電池子產品和電源管理子產品。電池采用 ER26500H鯉亞電池，電源管理單元由LM2596S 電源穩壓子產品和電源轉換晶片組成，用以實作感覺節點無線化設計及電源的動态管理，如圖 4 所示。
圖4
鯉亞電池容量為 8 500 mAh，3.6 V，年自放電率< 1%，用于微處理器、其他子產品及外圍的供電。在正常工作狀态下，溫濕度傳感器、水浸傳感器、水位傳感器電壓為 3.3 V，煙霧傳感器的電壓為 12 V，微控制單元的電壓為 3.6 V。
LM2596S 穩壓子產品輸入電壓為3.2 V~40 V，輸出電壓範圍為 1.25 V~35 V.輸入電流為3 A，空載下為 18 mA，符合該節點電源管理設計要求。
根據各傳感器或子產品需要的電壓設計相應的程式，将程式燒錄至電源轉換晶片。電源管理子產品依據程式排程節點資源配置，滿足節點上各子產品的電壓需求，能使電能效益最大化，實作安全穩定的供電。
二、軟體設計
傳感器成功接入感覺節點并采集變電站環境狀态的資訊需要經過三個步驟，分别是硬體接入、配置檔案解析及感覺節點初始化。傳感器模組的屬性、ID 等參數按照國網《輸變電裝置物聯網傳感器資料規範》進行配置。
傳感器模組通過硬體接口與感覺節點連接配接後，傳感器模組将配置檔案發送給感覺節點，感覺節點對檔案進行接收和解析，若感覺節點接收到檔案并成功解析，則傳感器模組接入正常。
若感覺節點未接收到檔案或者解析失敗會連續再接收三次，若接收檔案接連失敗，則傳感器接入異常。傳感器接入感覺節點後各個子產品進行自檢，以確定初始化正常，然後感覺節點根據下行到指定節點的時間，周期性啟動傳感器模組采集環境資料并将資料通過 LoRa 上送，同時接收下發的新指令，感覺節點軟體流程如圖 5 所示。
圖5
為進一步驗證該感覺節點的實用性，需對其進行可擴充性、丢包率及功耗測試。
3.1 擴充性測試
分别将溫濕度傳感器、水浸傳感器及水位傳感器接入感覺節點，通過 sscom 序列槽工具對感覺節點進行調試，經過初始化設定後，序列槽工具可收到每個傳感器發送的資料包，表明傳感器可成功接入，感覺節點具備可擴充性。
3.2 丢包率測試
為模拟變電站較為複雜的通信環境，選擇在園區内進行通信丢包率測試，在不同的距離使用序列槽調試工具收發 100組資料，在 1 500 m 範圍内該感覺節點的通信丢包率為 0，在 2 000 m 範圍内丢包率為 5%，這些資料證明了節點資料遠傳的穩定性，結果如表 2 所示。
3.3 功耗測試
感覺節點工作模式分為采集模式、接收模式、發送模式及休眠模式，節點初始設定 10 min 為一個工作周期，節點采集收發一次資料後，自動進入休眠模式等待下一次采集收發。
利用萬能表測量節點工作模式下的電流，采集模式下I。-20.3 mA，T=0.1 s; 接收模式 二40.62 mA，T=0.1 s;發送模式下 I=46.48 mA，T=0.1 s; 休眠模式下 I=14 A，T=999.7 s。根據式 (1) 計算節點一天需消耗的電能，測試結果如表 3 所示。
表3
按照表 3 每 10 min 為一個工作周期，每天需消耗電能約為 4.62 mAh，考慮到電池大概 10% 的損耗，計算出感覺節點的有效工作時長可達 5 年
三、結論
根據之前的描述，我們基于 LoRa 無線通信技術的優勢，結合傳感器MCU、電池管理等技術研發了一種變電站環境狀态下的通用型感覺節點。經過可擴充性、丢包率及能耗測試，驗證了該節點資料發送可靠，工作穩定，且具有通用性強、功耗低.無線化設計及實用性高等優勢，對于物聯網技術在變電站中的應用具有一定的啟發。
參考文獻:
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