SCADA系统的低功耗通信模式研究与设计

傅仁轩, 王庆华, 陈龙飞

(1.广东工贸职业技术学院 机电工程学院，广东 广州 510510；2.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310)

0 引 言

设备的低功耗设计一直是工程技术人员面临的难题，低功耗已成为越来越多应用系统的需求，降低系统功耗成为迫切需要解决的问题。

一般的数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统，终端通常安装在有交流供电的场合，对系统及终端的功耗无特殊要求。但在很多情况下，终端要求安装在野外和管道阀门井下等供电困难的场合，只能采用电池供电，这就要求终端系统的电流消耗尽可能小，以降低终端的功耗，延长电池的供电时间，现有的SCADA系统的通信模式不能满足低功耗的使用要求。因此，研究和设计SCADA系统低功耗的通信模式具有非常重要的实际意义。

为了降低功耗，文献[1]采用了硬件的低功耗微处理器、低电压的外围芯片；文献[2-3]设计了微处理器的工作模式与停机模式；文献[4]利用低功耗的网络。但是以上这些只是从降低终端自身的功耗出发，而没有从系统的通信模式方面进行低功耗的设计。

针对以上问题，本文提出了一种基于窄带物联网[5-6](narrow band internet of things, NB-IoT)的低功耗SCADA系统，研究了低功耗的通信模式，设计了周期巡测模式和事件驱动模式相结合的通信模式，解决了SCADA系统的低功耗问题。

1 低功耗系统总体方案设计

通过分析比较传统SCADA系统的各种通信方式[7]，由于网络和通信模式等原因，数据终端的功耗很难降低，无法满足电池供电的应用场合。

NB-IoT采用功耗节省模式和增强的非连续接收模式两个关键技术实现低功耗，工作状态包括连接状态、待命状态和休眠状态。根据系统需要，核心网可以修改连接状态和休眠状态的持续时间。在休眠状态通信模组关闭收发单元，此时的电量消耗最低，这种周期性的状态转换能实现系统的低功耗。因此选用NB-IoT通信网络设计低功耗的SCADA系统，通信网络结构如图1所示。

图1 通信网络结构图

SCADA系统由数据中心、通信网络和数据终端三部分组成。

数据中心编写通信程序从IoT平台读取终端的数据，进行数据统计、分析和处理，形成各种报表用于指导生产，也能将控制信号发送到数据终端，实现调节参数和控制设备的目的。

通信网络包括NB-IoT基站、核心网及IoT平台，由运营商负责建设。

数据终端由电源、微处理器、传感器及通信模块等组成，采集现场设备的数据。

2 通信模式设计

传统的SCADA系统，数据中心(以下简称主站)与数据终端(以下简称从站)之间大部分时间没有通信存在，从站一直处于待命状态，当主站有查询命令或控制命令时，从站执行相应的操作。这种通信模式下对从站的功耗是一种浪费，有市电的数据终端对用户没有影响，但对于电池供电的数据终端，用户无法接受。为了降低功耗，设计事件驱动模式和周期巡测模式相结合的通信模式，以事件驱动为主通信模式，当有重点关注的情况下系统采用周期巡测模式。

2.1 周期巡测模式

周期巡测模式是一种主从工作方式，从站一直处于待命状态，当接收到主站的命令时，从站发送数据。周期巡测模式流程如图2所示。

图2 周期巡测模式流程图

周期巡测模式一般包括以下三种情况。

(1)选择重点区域的终端。不间断轮巡重点关注区域的终端工作状态，主站选择重点关注的某个从站或多个从站，对选择重点关注区域内的某个/多个从站逐一轮巡发送读取数据的命令，从站收到命令时将需要的数据发送到主站。

(2)选择普通区域的终端。不间断轮巡全部终端，主站向系统内的所有从站逐一发送读取数据的命令，每个从站收到读取本从站数据命令时将需要的数据发送到主站。

(3)固定时间轮巡。主站按一定的时间周期向系统内的所有从站逐一轮巡发送读取数据的命令，每个从站收到读取本从站数据命令时将需要的数据发送到主站。

2.2 事件驱动模式

事件驱动模式是一种主站不发送命令，从站主动上报的工作方式。从站一般情况下不发送数据，处于休眠状态。当从站有事件发生时，立即由休眠状态转换为活动状态，启动通信并向主站发送当前数据。事件驱动模式的流程如图3所示。

图3 事件驱动模式流程图

此处的事件一般包括以下四种情况。

(1)定时发送。按设定的时间间隔定时发送数据。为避免大量从站同一时间发送数据导致主站发生数据拥堵现象，可以设置一个相移时间参数。

(2)阈值报警。包括上限报警和下限报警，被监测参数超过上下限阈值时发送数据。假设上限阈值为H，下限阈值为L，当第i次采集的数据Xi>H或Xi

(3)差值报警。连续两次采集的数据差值超过设定值时发送数据。因为数据发生突变往往预示着存在潜在的故障。假设二次相邻数的差值阈值为M，第i次采集的数据为Xi，第i+1次采集的数据为Xi+1，当|Xi+1-Xi|>M时，从站发送当前状态数据并实时采集，连续发送，直到数据中心管理人员确认报警或采集的数据稳定在正常范围之内时停止发送。

(4)变位报警。当设备开关状态发生变化时报警，即设备开关状态由开到关或由关到开状态发生变化时，发送数据。

3 测试验证

测试平台数据中心由1台通信服务器构成，数据终端2台。通信服务器安装了监控系统软件，2台数据终端硬件配置相同(电池选用19 Ah的ER 34615锂电池)，但采用不同的通信模式。

测试环境：通信服务器放置在办公室，2台数据终端由电池供电，主要测试终端在不同通信模式下的电流，分为静态电流测试与动态电流测试。终端处于休眠或者待机状态时，电流不变，保持一个静止的数值，为静态电流，采用万用表测量。终端发送数据时，信号发射时间很短，电流是变化的，这时为动态电流，由于万用表响应时间比较慢，很难捕捉到变化的电流，需要使用示波器进行测量。

1号终端的通信模式采用主从方式，默认工作在待命状态。2号终端的通信模式以事件驱动为主，周期巡测模式为辅，默认工作在休眠状态。2台终端的工作状态设置为每分钟采集数据1次，每15 min进行1次数据存储，每小时发送1次数据。测试了发送数据时的动态电流、待命时的静态电流以及功耗情况分别见表1和表2。

表1 主从通信模式功耗情况

表2 低功耗通信模式功耗情况

测试结果表明，主从通信模式的1号终端1年功耗约15 Ah，低功耗通信模式的2号终端1年功耗约4.7 Ah，低功耗通信模式显著降低了功耗。

4 结束语

本文选用NB-IoT低功耗通信网络，设计适合低功耗终端运行的通信模式，显著降低了终端的功耗，节约了终端的成本。本设计满足了低功耗使用的要求，为各行业的低功耗应用提供了解决方案，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。