基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统

张震

（安徽工商职业学院，安徽 合肥 231131）

0 引言

窄带物联网技术是一种低功耗广域网的物联网技术，又称窄带蜂窝通信技术，具有灵活性和开放性的特点。弱电信号是影响无线信道传输稳定性的主要原因，从传输距离的角度上来看，弱点信号主要分为两种，一种是大尺度衰落，另一种是小尺度衰落。其中大尺度衰落是指在传输的过程中受建筑物和植物以及地形起伏等影响，造成的阴影衰落，这些障碍物会阻挡信号的传输，主要反映在信号强度上，一般变化的比较平缓，只要通过合理的设计就可以消除信号的阻碍。小尺度衰落指的是在短时间和短距离的传输范围之内经过各种矢量叠加而来的，导致信号快速波动和大幅度衰落。通过研究表明，小尺度衰落会引起传输信号10-30db的衰落。多径传播效应是形成弱电信号的主要原因，信号传输选择的路径不同，每一条路径传播的幅度和到达的时间是无法保持一致的，从而造成矢量叠加信号出现衰落。为此基于窄带物联网提出弱电信号智能感知系统，针对上述现象，结合窄带物联网技术保证无线信道信号传输的稳定性[1]。

1 基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统设计

1.1 硬件设计

弱电信号智能感知系统能够让无线信道信号传输的更稳定，是从表达信息中分析出符合物联网技术架构的数据。物联网的技术架构主要包括终端感知层、信息汇聚层和通信网络层。其中终端感知层可以分析中压配电网和低压配电网的基础数据来源。从技术架构上来看，这两个硬件部分是紧密相连的[2]。从服务对象上来看，主要包括电能表和相关测量设备以及其他现场智能设备，这三种设备所连接的信号和采集的信号都会传输到信息汇聚层，主要是负责采集信号。从功能上看，主要负责采集配电网的原始信息，对现场进行控制，无论是哪一种设备都是可以实时记录和分析检测数据的基础参数，比如，电流和电压等。此外，这三种设备在监测特殊参数的过程中，还具备双向通信的能力，通过通信接口连接到终端感知层，在将这些数据传输到信息汇聚层。由主站调节指令，对其进行分析和监测[3]。弱电信号智能感知系统结构如下所示；

图1 弱电信号智能感知系统结构Fig.1 lntelligent Sensing System Architecture of Weak Electric Signala

图1 是弱电信号智能感知系统结构，该系统主要是为了分析信号传输衰落的原因。该系统结构有三个功能，分别为遥测功能、遥控功能、遥信功能和故障检测功能。其中遥测功能可以测量无线信道中的线路电压和电流，通过计算得出有功功率。遥控功能指的是能够接收远方发送的指令，比如，在控制开关合闸时，需要经过信息汇聚层分析和检测，在由主站配合完成故障隔离。遥信功能指的是能够采集远方发送的信号，可以保护动作信号量不受破坏。故障检测指的是检测信号传播的幅度和到达的时间，主要包括线路过负荷和线路三项过电流监测。系统会根据采集的电流大小设定合理的定值，并且快速的计算出故障电流大小，经过大小比较，将故障信息上传到主站，以便进行故障隔离[4]。

弱电信号智能感知系统可以对无线信道传输的信号进行实时的分析和检测，通过检测历史数据和系统运行的数据，对相关静态数进行计算，通过计算对电网运行状态进行评估。评估方法主要包括网络拓扑分析和状态评估等。网络拓扑分析指的是与电网相互连接的静态数，并且会对设备运行状态产生影响的数据。在检测的过程中分析结果会受配电监控和安全约束，主要针对复杂配电网络形成状态评估。网络拓扑分析使用的计算模型适用于任何形式的网络接线方式。状态评估是利用实时量测冗余性，采用估计算法检测数据，剔除影响较大的数据，有效提高数据的精准度。该方法可以保证数据的一致性，还可以辨识配电网中存在的不良数据。通过符合估计和相容性分析方法对数据进行修复[5]。

1.2 软件设计

1.2.1 判别无线信道的故障信息

智能感知频谱为用户提供了更可靠的平台，实现了智能频谱信息的管理和分析。通过对弱电信号智能感知系统需求分析，设计软件总体结构，主要包括数据显示窗口、信号传输接口和运动检测窗口，其中数据显示窗口主要负责采集信号，该窗口可以很好的处理无线信道信号被阻碍的现象，通过融合电路板模拟后的信号，检测数据融合的情况，实现了简单的数据融合[6]。一般系统输出的是8位的数据集，而智能感知系统可以输出10位数据集，利用V C++软件对采集的数据进行处理，最后将处理结果显示到计算机主界面显示窗口上。信号传输接口主要分为三个模块，主要包括前端转台控制和融合电路板控制，将通信接口作为发送指令的端口，扩大无线信道的通信范围。同时，还可以对前端转台进行实时的控制。控制融合电路板实现了数据调配的功能，可以有效提高无线信道检测信号的稳定性。此外，还在弱电信号智能感知系统上安装了故障监测设备，若传输信号受到阻碍，系统会将检测到的原因上传到终端设备，自动分析线路异常原因。当遇到设备故障停电时，系统会将采集的数据进行分析，判定故障区域和故障原因。一般来说，如果某一相流超过了规定范围内的故障电流，就需要系统向周围相邻开关的智能电子设备发送流过故障电流的信息。如果只有一个端点出现故障，说明系统内部出现问题，这时系统会自动将故障信息传送到系统，对其进行判别[7-8]。

1.2.2 实现无线信道智能感知

在软件结构外部接口的设计上，应用了智能感知原理，在界面的设计上具有易操作、外观合理的特点。弱电信号智能感知系统的界面主要包括一个数据反馈显示窗口和一个数据拼接窗口。其中一个信号窗口是人机交互的主窗口，主要是通过数据采集卡进行数据检测，在按照无线信道感知的交互原则传输信号。同时，还使用了一块4路的采集卡，可以采集所有无线信道中传输的信号，采集流程如下所示：

图2 采集流程Fig.2 Collection process

图2 是信号采集流程，该采集卡在信号的选择上，会优先选取带有信号标志的，以便检测其有效性。然后在打开信号，设置传输信号的波特率为9000db，经过审核传输到通信接口，保证发送的信号得到有效的缓冲，确保信号传输的稳定性，当下位机对信号进行读取时，会将读取的信号发送到缓存区，并在编辑框中显示各阶段的信号分辨率，结束信号采集的通信过程。

该软件设计能够对无线信道中的信号进行检测，降低故障发生的概率，并且实现了已发生故障的快速定位和自动处理。当传输信号受到阻碍，系统会在最小的范围内找出故障的原因，尽快对负荷分布情况进行分析和优化计算。此外，还实现了智能监视和运行优化，根据综合采集的数据源进行数据分析，主动分析无线信道传输信号的运行状态，迅速找出运行动态的薄弱环节，准确捕捉监控要点[9-10]。

2 实验论证分析

为了验证基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统的有效性，在实验的过程中对弱电信号智能感知系统的硬件设备和软件设备的各项参数进行检测，主要包括GPP型号、CPP CPU、GPP内存、硬盘、射频外设、GPP和USRP连接口、服务器型号、GPP操作系统和软基站配置等参数进行监测，实验参数如下所示：

表1 通用配置参数Tab.1 General configuration parameters

表1是硬件设备和软件设备的通用配置参数，实验中对传统智能感知系统和基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统进行对比实验，实验结果如下所示：

图3是传统智能感知系统和基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统对比实验结果。从图3中可以看出，本次设计的系统实时性能较高，在程序的处理速度上相比传统的智能感知系统具有明显的优势。在测量无线信道信号的过程中，可以有效提高系统的处理速度，经过处理后的信道模块耗时为0.4秒，比采用传统的智能感知系统更快，在信号强度上，表现的比较平缓，可以有效消除信号的阻碍。通过实验证明，基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统稳定性能较好。

图3 实验对比结果Fig.3 Comparison of experimental results

3 结论

本次对基于窄带物联网的弱电信号智能感知系统进行研究与实现。为了保证无线信道传输稳定性，根据无线信道的衰落传播特性，设计硬件系统和软件系统，介绍了该系统的主要结构和软件功能。希望本次的研究能够为无线通信传输信号故障原因提供理论依据和参考。