基于NB-IoT的农村储能监测系统

陈子晗

（上海电力大学，上海 200000）

在“碳达峰”“碳中和”大力普及的背景下，农村新能源得到了大力发展，太阳能、风能为主的清洁能源正逐步改善着新农村配电网的结构。同时储能系统的大力建设也对储能装置的建设提出了新的要求。

NB-IoT是一种基于蜂窝的物联网技术。其整个网络系统建立在蜂窝网络的基础上。仅消耗约180 kHz带宽，可部署于GSM、LTE、UMTS等网络，降低网络部署成本。同时，可以快速实现网络平滑升级[1-2]。随着5G技术的成熟发展和人们需求的推动，工业已进入4.0时代。社会各行各业都在发生翻天覆地的变化和变革，智能化、快速化、精确化的发展方向已成为共同的追求。在这种环境下，一种基于蜂窝移动网络的全新物联网技术应运而生[3]。NB-IoT技术优化了4G网络的架构，具有独特的技术特点和优势。随着社会的快速发展，越来越多的低速、高时延设备被生产出来，使得NB-IoT技术得到广泛应用。由于智能微电网、智能电表等监控领域对数据传输的延迟不敏感，NB-IoT蓬勃发展。

伴随着物联网技术的快速发展，NB-IoT技术逐渐应用于智能监控场景，NB-IoT终端数量快速增长。将NB-IoT技术引入到智能监控领域，没有技术障碍，可以标准化推广。另一方面，NB-IoT可以将现场数据通过网络传送到远程主站，时效性更强。

1 监测系统总体设计

系统的总体设计原理图如图1所示。系统主要由监测端、NB-IoT模块、云平台3部分组成。监测端使用AT32F403A型微控制器和SH367309BMS芯片，负责采集储能电池的状态数据，保持与NB-IoT模块，使通信完成数据的上传和下发[4]。NB-IoT模块使用的是WH-NB75-BA型产品，支持CoAP协议和UDP协议，通过串口和控制器连接再将数据通过网络发送至远程监控中心，实现了模块到云平台的双向数据透明传输。云平台采用的是有人透传云，利用AT命令配置应用程序，实现数据的远程监控。

图1 系统总体框架

2 硬件结构

2.1 控制器与监测芯片

SH367309BMS芯片适用于5-16串锂电池保护，足够监测总电压不超过70 V的锂电池包，拥有13bit－VADC用于采集电池的温度、电压以及电流，转换频率可以达到10 Hz，其中包括了16路电压采集通道，1路电流采集通道和3路温度采集通道。同时内置EEPROM，支持100次的编程擦除次数。芯片可以完成充电过电流、过充电、过放电等硬件保护功能，同时还进行对电池包每节电芯的电压、充放电流以及监测点的温度实时监控。

微控制器使用的是AT32F403A型，该控制器集成了足够应用于工业控制现场监测的接口电路，内置1 024K字节的闪存存储器，96+128K字节的SRAM，是一款带有ARM内核的32位处理器。工作电压范围为2.6～3.6 V，在-40～105℃工作温度范围内可以正常工作，为满足监测领域的功耗要求提供了3种省电模式，非常适用于监测控制系统，具有低功耗、高可靠性和低成本的优势。监测芯片与控制器的外围接线如图2所示。

图2 监测芯片与控制器的外围接线

2.2 NB-IoT模块与透传云

NB-IoT模块采用WH-NB75-BA实现了设备与网络服务器通过网络相互传输数据。模块支持2路简单透传、6路指令传输和1路CoAP协议。网络发送接收缓存和串口发送接收缓存都可以达到1 024字节。温度范围为-35～75℃，工作湿度为5%～95%（无凝露），可以满足农业现场监测的需求，达到稳定高效的工作。

2.2.1 NB-IoT的低功耗机制

为了解决功耗的问题，NB-IoT网络引入了PSM和eDRX技术极大地降低了终端的能耗，使得设备的使用时间大大延长[5]。PSM指终端用户进入功率节省状态，此时终端不接受无线侧传呼，没有消息交互处于最省电状态，最大可能降低功耗。此模式下只有终端主动上传数据，平台才能数据下发。eDRX是指为了进一步减少终端空闲状态监听网络下发数据的寻呼数据，扩展寻呼周期减少监听网络寻呼时间，从而降低功耗。此模式下平台可以下发数据，如果通信处于寻呼窗口则终端立刻接收数据，如未处于窗口时间，网络则会缓存数据。NB75测试的状态功率消耗情况见表1。

表1 NB型功率消耗

2.2.2 有人透传云平台

为了更好地实现NB-IoT的低功耗特点，模块增加了休眠模式，通过降低或者不主动接受服务器数据达到低功耗的目的，并且因为IoT模块目前只支持UDP协议，在其内部增加CoAP协议使得数据更好传输。本监测系统使用的有人云平台支持CoAP协议，在透传云中进行设备的添加，就可以通过一条AT指令实现将数据百分百发送到服务器，内置的CoAP协议也保证了数据传输机制的准确性。

3 监测软件设计

3.1 总体软件系统设计

电池监测芯片在主控器AT32F403A的控制下完成电池的温度、电压电流的数据采集和简单的电流电压保护以及数据传送至NB-IoT模块，实现系统远程监控。微控制器和采集模块之间采用I2C通信协议通信产生起始和停止信号、CRC校验码用以确保通信的准确性，同时使用的DMA可以用来减轻CPU占用资源。微控制器和NB-IoT模块之间采用的是UART通信，实现数据的高速传输。电池的数据采集需要设置一个中断定时，否则大量的实时监测数据的上传不仅会占用控制器的处理内存，而且会加大NB-IoT模块上传下发数据的压力，造成网络拥挤影响数据的精确性和系统的稳定性。系统的整体开发环境为Keil5，编程语言为C语言，通过控制器集成的AT-Link-EZ编程和调试工具即可对AT32F403A进行调试。系统的总体流程图如图3所示。

图3 软件系统总体流程

3.2 NB-IoT模块与有人云软件系统设计

首先登陆透传云配置设备和透传云地址，设置完成后重启模块查询驻网，利用AT+NMGS命令发射确认信息，确认后就可以将数据发送给NB-IoT模块再上传至服务器[6]。在NB-IoT控制台中将模块设置为透传模式，使用虚拟串口从云端拉取采集数据并显示，方便进行实时监控。

4 结论

本系统设计了基于NB-IoT技术的农村微电网储能电池的状态监测，能够实时地采集到电池的温度、电压、电流的状态信息，同时完成电池的保护和故障警示功能。结合远程的监控中心可以完成对数据的处理分析，方便协助运维人员对储能设备的管理，大大地提高了农村储能运行的工作效率，具有一定的实际使用价值。