面向智能城市配电线路在线监测的物联网传感终端

鲁文帅，李梦男，梁嘉倩

(1.中国电子科学研究院,北京 100041，2. 清华大学，北京 100084)

0 引 言

电网是城市管网的重要组成部分，随着城市形态向未来发展，智能电网越来越多的被认为是未来智能城市的重点领域和重要实现途径。智能电网通常需要对电网的发电、输电、变电、配电、用电以及调度的各个环节实施实时监控，全面掌控电力系统的运行状况[1]。其中的输电环节，智能输电线路是保障智能电网安全、减少事故发生的重要手段[2]。输电线路受环境与人为因素影响较多，需要监测的导线情况主要有导线弧垂、覆冰与舞动等现象，因此对环境温度、湿度、光照度与导线振动情况的在线监测和信息联网势在必行[3]。

近年来，从事在线监测技术研发的厂家迅速增加，如西安金源电气有限公司研发了输电线路覆冰在线监测系统。该系统通过监测绝缘子串的张力、倾角和环境气象条件来推算导线的张力、弧垂及覆冰量。监测分机由太阳能加蓄电池组供电，监测数据通过GSM/GPRS网络发送到监控中心。天津大学研究了基于无线传感网络的高压输电线路在线监测系统，设计并实现了一种层次型异构无线传感器网络。子网为Zigbee网络负责图像和标量数据的采集；骨干网为基于IEEE 802.11的多跳自组织网络，负责数据的远距离可靠传输[4]。

然而，传统的GSM/GPRS，或3G/4G/5G大数据率传输的广域网络[5-6]，在通信覆盖范围、接入容量、设备功耗等方面已渐渐表现出乏力，而Zigbee、Wifi、蓝牙等局域网技术又难以适用于电网这种分布范围极广的场景。随着中国三大运营商和华为公司等在窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NBIoT)标准的引领作用，国内广域物联网市场开始规范化，因此对未来城市的电网管廊监测应用需求已进入新的广域物联网时代。

本文在当前高压输电线路无线监测技术发展现状的基础上，提出了基于NBIoT网络的无线监测节点和网络架构，并基于多物理量传感、无线通信和嵌入式技术，设计和研制了监测野外输电线路环境情况的多参数无线传感监测设备。该监测设备降低了数据融合难度、提高了多参数传输通量，提高了监测节点的网络独立性，并适合低功耗优势，适合大范围部署，具有工程实际意义。

1 监测设备的架构设计

监测终端与监控中心共同构成监测系统。每个监测终端是系统中的一个节点，每个节点单独、直接向监控中心传输数据。每个节点可以实时监测与输电线路运行健康状况密切相关的五个具体参数，分别为温度、湿度、光照度、线加速度、角加速度。

无线传感监测设备由测量导线所处环境情况的传感器、核心处理器、NBIoT通讯模块构成，有独立的电源供电。通过监测设备上集成的传感器可以采集导线所处环境的相应数据，数据经过处理后，监测设备可以通过NBIoT网络将数据信息发送到监测中心。监测设备结构框图如图1所示。

图1 输电线路监测物联网终端设备结构框图

其中，多参数传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、加速度传感器、角加速度传感器与光照度传感器。设备基于嵌入式ARM核心处理器，提供传感器控制、采集，数据处理，并与NBIoT通信模块交互数据。监测设备中集成的NBIoT通讯芯片能够与云服务器建立网络连接、远程传输数据。监测设备集成了微存储卡来存储采集到的历史参数数据。监测设备各部分由可充电锂电池经过稳压源后统一供电，并集成了充电电路。人机交互界面包含LED灯、蜂鸣器等，能够指示设备初始化、设备传输数据、充电等状态等。

2 监测设备的关键技术设计

2.1 传感单元设计

为检测输电导线的表面温度，监测设备选用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器。它是一种单总线数字温度传感器，芯片的测温范围为-55 ℃～125 ℃，可编程为9-12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625 ℃，温度以16位的数字量串行传输。

选择DHT11数字温湿度传感器测量导线工作环境的湿度。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。湿度测量范围为20-90%RH。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。芯片为单线制串行接口，四针单排引脚封装。

采用光强传感芯片BH1750检测导线所处环境光照强度。BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化(1-65535 lx)。监测设备中BH1750芯片采用I2C总线接口，具有两种可选的从属地址，由ADDR连线的不同来进行区分，芯片ADDR接地时，对应BH1750芯片读取地址为0x46。

为了检测导线振动加速度，选用了意法半导体公司的加速度传感器芯片LSM303DLHC。芯片可测三个方向加速度，得到16位数字输出。具有可选的±2g、±4g、±8g、±16g测量范围。芯片内部集成了I2C串行接口，接口的两个管脚SCL与SDA分别为I2C串行时钟与I2C串行数据传输管脚。监测设备在工作中将测量范围设置为±2g，测量精度为1mg/LSB。

为了监测导线转动角加速度与角速度，监测设备上选用意法半导体公司的L3G4200D作为监测绕三个轴向的角加速度与角速度的传感器芯片。芯片采用SPI接口进行通讯，得到16位数字输出数据。

2.2 核心处理单元与4G传输模块

输电线路监测设备的核心处理芯片采用意法半导体公司的低功耗STM32L476芯片。内嵌ARM Cortex-M4内核，接口资源资源，特别是具有突出的低功耗策略。在监测设备中SPI1分配给L4G4200D进行数据通讯；I2C1分配给加速度传感器芯片LSM303DLHC和光照度模块BH1750，二者地址不同；湿度传感器DHT11和温度传感器DS18B20分别使用两个通用IO实现单线传输(Onewire)；另外通过USART1与4G通讯模块MU509相连；SPI2与微SD卡相连。为指示工作状态还设计了4个LED灯阵列、超亮报警LED、报警蜂鸣器，以及用于触发人工指令的4按键独立键盘，都采用通用IO控制。

监测设备的通讯模块选择华为公司自主研制的NBIoT通讯模块BC95，STM32L476与NC95之间通过AT指令交互，并与上位机建立网络连接，通过运营商网络传输数据，供云服务器深度解析。BC95内部集成了电源管理单元、多芯片封装存储器、RF收发单元、射频接口、射频功率放大器与基带控制单元，简化集成方案。

2.3 设备供电系统

设备采用可充电锂电池作为电源供电。锂电池工作电压范围为3.2～4.3 V。锂电池直接为需要3.3～4.2V范围电压的BC95与功率器件(超亮LED和蜂鸣器)供电。监测设备的供电单元还选用了RICHTEK公司的RT9193稳压芯片来为STM32L476芯片内核、LED灯、五种传感器芯片提供3.3V电压。该芯片最大输出电流300 mA，此时要求输入输出压降(drop out voltage)大于220 mV，即输入大于3.22 V。

监测设备选用SE9016充电芯片构成外部充电电路为锂电池充电，该芯片充电分成恒流、恒压、涓流三个阶段。恒流阶段电池电压会从3.2 V慢慢升到4.25 V，通过配置电阻将充电电流设置为800 mA；恒压阶段，电压保持4.25V，电流慢慢降到100 mA；涓流充电阶段，电流为50 mA，直至将电池充满。

2.4 设备软件设计

嵌入式系统的主程序原理框图如图2所示。主程序采用轮询方式逐一采集五个传感器检测的数据，并统一打包传输至NBIoT网络，供上位机监听。电路板通电后首先进入管脚配置，包括GPIO、串口、SPI、I2C、定时器与中断的管脚配置。管脚配置完成后，进入有使能的各个传感器芯片的初始化程序。之后如果有NBIoT网络使能信号，则开始向BC95芯片发送AT指令，完成模块初始化，并向远端UDP服务器的IP地址发送建立连接的请求。等待连接建立之后进入主程序轮询。定时器每定时10 us程序开始逐次读取5个传感器的数据，定时超过1 ms后再统一输出各个使能的传感器数据。

图2 主程序流程图

3 测试与结果

搭建测试系统，主机接入公网IP，运行UDP监听工具建立虚拟服务器，设备的传感数据通过NBIoT网络接入UDP服务，与服务器UDP端口连接和数据传输。

分别验证五种传感器的监测数据。温度传感，利用TES1307热电偶测温仪作为标定设备，利用热烘箱作为温度发生设备，调整烘箱预设值为从30～60 ℃，步进值10 ℃；湿度传感，利用湿度发生箱产生30%～95%相对湿度，并利用湿度箱上面的湿度计标定；光照度传感，利用Newport太阳光模拟器，产生0.1～0.5倍标准太阳光；加速度传感，利用重力加速度作为静态定点标定值，分别让重力指向X、Y、Z轴的正方向和负方向。设备测试实物如图3(a)所示。在服务器TCP监听工具上读取测试结果，统计后结果如图3(b)(c)(d)和表1所示。经数据分析，温度、湿度检测精度误差分别为3.8%和5.7%，光照度的非线性度为0.3%。此外，将该设备置于遥控汽车(E646-001)上，测得最大启动加速度为4 m/s2，碰撞最大加速度为7.5 m/s2。测试结果表明，该设备能够实时有效的传输传感数据。

图3 终端实物图及测试曲线

表1 三轴加速度计静态测量结果(单位m/s2)

4 结 语

本文给出了一种将NBIoT通信和多参数传感技术用于监测高压输电线路环境的方法和设计，及其关键技术和测试结果。经验证，设备能够实时监测输电线路环境温度、湿度、光照度以及导线运动，监测数据能够通过NBIoT网络远程传输给监听的服务器，体积小，便于悬挂，为智能城市电网输电线路的在线监测和故障诊断提供了工程方法和工具。