基于NB-IoT的低功耗杆塔姿态监测系统设计

杨柳林，刘冲鹤

（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004）

0 引 言

随着电力工业的发展，我国已组建了一个巨大的传输网络。输电杆塔作为支撑电力传输的重要一环直接影响着系统的稳定性。近年来，电力杆塔倒塌事故时有发生，造成了大量的经济损失。由众多报告显示，杆塔倒塌事故大多由众多微小的改变累加而成[1]，但在初期工作人员往往无法直观地注意到杆塔姿态的变化。因此，研究输电杆塔姿态监测有着十分重要的意义。

在早期阶段，杆塔的信息监测只能通过工作人员持检测仪器定时沿线路巡检[2]，随着科学技术的不断进步，现阶段已研制出多款智能机器人替代人工进行巡线工作[3-4]，但智能机器人受巡检范围、电量损耗、高空移动等限制，尚无法实现完全智能化大规模自动巡检，且制作成本较高。无线通信技术需要布置传感器进行定点测量，但由于测量装置需长期处在高压且无源环境下工作，因此，装置电量的问题直接影响着使用寿命。其中，有研究利用蓄电池与太阳能电池板混合的供电方式[5-6]，但考虑到布置数量巨大，采用太阳能电池板极大地增加了成本，由于太阳能电池板质量等因素，在长时间频繁使用时会导致转化效率降低，长期暴露在外部环境中易损坏器件，且后期维护不易。因此，无法很好地解决高压环境下对微电子设备的充电问题。现有技术多利用减少器件损耗和减少通信损耗的方式来解决装置长期运行的问题。在通信方式选择方面，文献[7]利用ZigBee技术和GPRS通信技术对杆塔姿态进行监测，并利用卡尔曼滤波算法对数据进行降噪，实现精度测量；文献[8]通过对输电铁塔不同高度的倾斜角度分析，利用光纤传感进行杆塔监测；文献[9]采用4G传输方式实现远程输电铁塔的状态监测；文献[10]基于MEMS的加速度传感器，并采用SHM技术对塔身倾斜角度、温湿度等运行状态进行无线监测；文献[11]基于最新的窄带物联网技术设计了智能路灯控制，满足了智慧城市的建设需求；在测量精度方面，文献[12]根据铁塔结构对传感器进行优化布置，实现铁塔参数的精确测量；文献[13]基于杆塔倾斜度、导线张力等测量值研究了一种输电线路机械状态估计的在线监测技术。

通过上述分析可以发现，在利用无线通信系统对所需信息进行监测时，大都考虑了测量精度、测量方法的优化，在面对设备实际功耗等问题时，无法给出较为有效的解决方案。通过现有的技术可知，对装置电能的优化可以从四个方面进行：

1）低功耗器件的合理选型与搭配；

2）根据实际测量需求调整采集、传输频率；

3）利用先进的通信方式减少信息传输损耗；

4）根据测量环境实现同步智能控制。

由此，本文基于NB-IoT通信技术设计一种低功耗杆塔姿态监测系统，通过对杆塔所处不同环境的考量分析，对终端器件的合理选型与搭配，并调整采集与传输频率，以达到降低功耗的要求，实现基于云端平台的远程控制、数据监测、平台管理等功能。

1 系统架构设计

如图1所示，杆塔测量系统由感知层、网络层、应用层组成。其中，感知层由多个终端构成，可实现远程交互并设计节能电路降低功耗。网络层包括NB-IoT、基站与相应的网络接口和协议栈。NB-IoT是通过现有的LTE网络组建的一种新的无线通信技术，具有低功耗、低成本、广覆盖等优点。NB-IoT技术可实现独立部署、保护带部署、带内部署，并能直接部署在GSM、GPRS、CDMA等无线蜂窝网络，实现平滑升级。应用层包括云端平台开发，能够实现数据分析处理等功能。

图1 杆塔测量系统

2 终端设计

终端硬件部分主要由MCU、电源模块、NB-IoT模块、倾角传感器组成。为最大限度降低电量损耗，在器件选型中会在满足工作性能的前提下重点考虑能耗和经济方面的因素，终端架构如图2所示。

图2 终端架构图

2.1 控制芯片

文中选择意法半导体公司（STMicroelectronics）生产的STM32L431作为控制芯片。该芯片能够在1.71～3.6 V电压下工作，且在运行模式下的功耗为84μA/MHz。STM32L431具有BOR功能，能够在除关断之外的所有模式下工作，且拥有7种低功耗模式供选择，在关断模式下的电流为8 nA。因此，采用该型号MCU能够满足多种环境下的设备低功耗运行。

2.2 NB-IoT模组

NB模组选用QUECTEL系列，常用NB模组为BC95和BC35-G。与BC95模组相比，两种NB模组功耗相同，BC35-G可支持外部Class B USIM卡的电压范围更广，支持更多的网络协议和频段，提升了后期扩展能力。在数据传输方面，BC35-G可支持的传输方式更多，且下行传输速率更高。因此，选用BC35-G型号的NB模组更加适应杆塔后期的大规模部署和扩展能力。

BC35-G供电电压范围为3.1～4.2 V，设有Active、Idle、PSM三种工作模式，引脚特性表如表1所示。

表1 NB-IoT模组VABT引脚特性

在PSM模式下最大耗流为5μA。对BC35-G电路进行改进，在靠近电源输入端接入4.7μF的钽电容C28和两个0.1μF的滤波电容C25，C26，保证良好的供电性能。在29，30引脚处串联R29，R30电阻，降低串口功耗；在USIM卡的引脚处增加双向TVS管以保证较好的静电防护性能；装设天线并在RF_ANT端设计了π型匹配电路，用于更好地调节射频性能，电路如图3所示。

图3 NB-IoT模组电路图

2.3 传感器

系统采用VTI公司研发的SCA100T-D02双轴加速度传感器，该传感器由5 V电源供电，分辨率为0.002 5°，在测量时可自动实现温度补偿。当杆塔发生倾斜时，传感器将感应到其倾斜时所产生的电信号，由式（1）可实现输出电压与角度的计算；将输出电压经A/D模块转换为数字量信息，由SPI串口传送至MCU，由式（2）实现数字量与角度的计算。

式中：α为倾斜角；Vout为器件输出的模拟量；Offset为电压输出的初始值；Sensitivity为器件灵敏度，此处为2 V/g，当加速度为g时，输出电压为2 V。

式中：α为倾斜角；Dout为数字量输出；Dout@0°为0°时数据寄存器对应的数字量，在十进制下的标准值为1 024；Sens为器件的灵敏度，当加速度为g时输出数字量在十进制下的标准值为819。

2.4 电源模块

电源电路如图4所示，在电源电路中加入单极性和双极性TVS管，在供电瞬间TVS管以极快的速度将D1，D2两极间的阻抗变低，实现过压保护。在开关频率较低的情况下采用电源管理芯片增大了能耗，由此放弃选用可实现平滑调节的电源管理芯片，而转向选择输出电压为5 V的MP3414A升压转换芯片和输出电压为3.3 V的MP1601GTF降压转换芯片，来满足器件安全运行。采用NMOS和PMOS对电源电路进行节能控制，当MCU被定时器唤醒，Q1（NMOS）在栅极高电平时动作，电源电路正常供电，终端开始初始化并实现通信过程；通信过程结束后，由MCU控制Q2（PMOS）栅极低电平导通，Q1不动作，电源电路进入低功耗模式。Q1，Q2在导通与截止时，电压下降或上升的过程存在开关损耗P=UI，基于杆塔信息传输的低敏感特性，通过控制开关频率来减少开关损耗；在Q1，Q2导通后均存在导通损耗，本文采用导通电阻小的Si2302CDS-T1-GE3来减小此过程损耗。

图4 电源电路图

电源由4×ICR18650CL/2 200 mA·h低温锂电池组供电，ICR18650CL体积小、重量轻，输出电压为3.7 V，充电上限为4.2 V，能够工作在-40～85℃温度下。在常温下电池容量能够保持在93.68%～99.21%，在-40℃下，电池容量仍能保持在72.77%～76.32%范围内。ICR18650CL预期使用寿命为10年，常温下年自放电为1%，较为适应在复杂环境下长期工作的需求，电池不同温度放电曲线如图5所示。

图5 电池在不同温度下放电曲线

3 终端主控程序设计

终端的主控程序在Keil MDK嵌入式开发软件下进行编程和调试。

3.1 NB-IoT通信程序

MCU先发出寄存器指针和传感器地址，由MCU读取存于传感器存储单元的测量值，通过二进制码与BCD码转换并计算，将结果存于存储单元并传递至NB模块，NB模块将数据封装成多个独立的数据包并按顺序发送。系统在测试环境中，将以4 h为周期传输数据，在同一区域内的终端采用梯次传输方式，提高频谱利用率，避免信息阻塞。根据不同测量需求设置eDRX模式和PSM模式减小待机功耗。

3.2 NB-IoT通信机制

NB-IoT模组采用半双工通信方式经eNodeB与核心网建立默认承载，由核心网中的P-GW（PDN GateWay）为终端分配IP地址，并将测量信息经核心网传输至NB-IoT平台。终端传输的数据、命令等信息在NB-IoT平台进行解析并存储，云端平台通过RESTful接口得到相应的数据。针对资源受限的特点，采用双层结构的CoAP通信协议对低数据量传输进行优化。NB-IoT的协议栈在LTE的协议栈基础上做出修改，减少了PHY层的信道，对MAC层、RLC层和PDCP层进行优化，弱化协议栈的处理功能并在RRC层增加eDRX、PSM等功能。NB-IoT上行传输支持SC-FDMA技术，下行传输采用OFDMA技术，与LTE系统相似，且NB-IoT中相邻子载波间的中心频点距离与LTE系统相同，减小了带内部署下信息传输的干扰。与传统网络相比，在发射功率相同时，NB-IoT的PSD（Power Spectrum Density）更高，采用重复传送方式也增强了信息覆盖能力和传输可靠性。

3.3 MCU控制程序

MCU控制程序为杆塔姿态监测的主导模块，该模块实现对终端定时唤醒、休眠等所有功能的控制、调配，通过控制模块的协调使终端正常运行，系统初始化如图6所示。

图6 MCU控制模块初始化

主要工作流程如图7所示。由电压采集模块采集电源电压，当电压低于阈值时，跳过后续程序，通过NB模组发送警报1并休眠；当电源电压正常，则执行后续程序；由传感器采集倾斜角、温度等参数，当测量值超出阈值时，发送警报信息。若信息发送失败，并在指定重复次数内无法成功发送，则终端进入休眠模式。

图7 MCU控制模块流程

4 云端平台设计

云端平台管理系统能够将大量的信息汇聚在一起实现远程监控，其主要由设备中心模块、监控模块、警报模块、用户模块、系统管理模块组成，结构图如图8所示。

图8 云端平台结构图

1）设备中心

设备中心模块是对终端的统一管理，新的设备需要将信息录入云端平台才能够实现实时监测，该模块能够录入或删除终端信息并对其编码、修改除IMEI号、IMSI号外的其他非核心信息，如设备名称、经纬度等；由于不同测量环境的实际触发阈值是存在差异的，本文通过设备中心增减触发器、修改触发条件实现灵活控制。

2）数据监测

数据监测模块可显示总终端数、在线终端数等信息，并能查看倾斜角度、温度、电压等信息；由于终端设置在杆塔高处，使得数据变化更明显，根据长期测量数据能够合理预测杆塔姿态变化趋势，倾斜角变化曲线如图9所示，杆塔在大风等外力作用下受迫振动时，易产生-4°～4°的摇摆角，均处在正常变化范围内；模块内嵌百度地图，可显示终端位置等基本信息；基于大量的测量信息，通过数据监测模块调节触发条件减小测量误差。

图9 倾斜角变化曲线

3）警报模块

当监测信息达到触发器所设置阈值时，会将报警信息传至警报模块处理。在警报模块下，报警信息能够以列表的形式展示并可直接处理；通过警报模块下发命令修改上报数据的时间间隔。

4）用户管理

在用户管理模块下能够增减、修改云端平台管理账户并设置不同权限；同一账户下可绑定多个终端且在相应账户信息中添加手机号、邮箱等信息，当终端触发阈值时，能够对相应绑定账户发送报警短信。

5）系统管理

系统使用Ali的短信网关，在接收到警报信息后，系统自动编辑警报信息并发送至工作人员，或设置由网络向工作人员发送邮件；通过系统管理模块查看运行日志所在文件，能够准确找出相应运行信息并分析故障原因。

5 终端功耗测试

通过对主要器件的选型与电路设计，分别在工作状态持续5 s，休眠状态持续14 400 s两种方式下进行多次测量，所测得部分器件测试结果如表2所示。

表2 部分终端器件测量参数

终端休眠功耗如图10所示，在休眠241.35 s下，采集样本数为1 206 749，所测设备休眠电流为80μA，休眠能耗为5.18μA·h，在1 000 mA·h容量下预计休眠12 951.39 h。

图10 终端休眠功耗

由式（3），式（4）计算终端运行时长：

式中：P1+P2为每个测量周期的平均功耗，P1为终端工作能耗，P2为休眠能耗；Ii为主要耗能器件工作电流；I4为终端休眠电流；t1为终端工作时间；t2为终端休眠时间；B为终端电池组容量；f为每日终端测量次数；N为终端预计运行年限；D终端运行天数。

系统通过测试，实现以下功能：

1）对器件合理选型与搭配，针对特殊的应用环境，利用高效的升压芯片、降压芯片替代平滑调节的电源管理芯片，降低了设备能耗。

2）基于现有蜂窝组网，利用NB-IoT技术实现了低功耗、低成本、广覆盖的实际需求。

3）通过MCU设计控制模块，根据具体环境改变终端通信频率和低功耗模式，延长终端工作时间；在同一区域避开测量时间，节约频谱资源。

4）设计了云平台，实现了远程收集杆塔姿态信息的应用需求，降低了成本和工作强度；内嵌百度地图，直观反映运行线路和设备组网情况；并实现云端与终端的交互和远程升级，提高了设备的可利用率。

6 结 论

针对输电杆塔姿态监测成本高、寿命短等问题，文中采用NB-IoT通信技术设计了低功耗杆塔姿态监测系统。通过对器件搭配和节能电路设计，采用梯次传输方式和降低通信频率，减少了功耗和成本，提高了频谱利用率；设计了云端平台，实现远程控制和平台模块化管理，汇聚了大量数据样本，为其他应用提供了有力的数据支持。实验结果表明，终端满足低功耗运行预期，云端平台能够实现数据监测、命令下发等预定功能。考虑信号较差时设备信息发送失败等因素影响，系统在正常环境下，可至少工作5年。针对杆塔形态多样化的特点，如何提高测量精度、优化终端布置位置和数量将是本文下一步研究的重点。