用 NB-IoT 技术设计电缆防损监控系统

谈生磊 侯天录 姜永宏 张首旺 杨霄 国网青海省电力公司海东供电公司 马玺尧 青海大学水利电力学院

一、我国城市输电线路电缆入地的优势及存在的危险因素

在我国，电缆入地已成为电力建设的一种趋势。电缆入地对于完善城市电网功能，使电网布局更合理、层次更清晰，全面提升供电可靠性，对美化市容市貌，推动当地经济社会发展发挥促进作用。

随着电缆转入地下隐藏，针对于地下电缆附近的土方开挖施工，就成了导致电缆损伤、影响安全运行的危险因素。因外部施工开挖造成的电缆破坏时有发生，影响供电安全运行，影响生产，造成国民经济巨大的损失。

（一）避免地埋电缆被外力破坏的技术监控方案

如何保障地埋电缆不被外力挖掘破坏，是一项重要的课题。最直观的方案是埋设标示桩进行提示但因现场情况复杂，效果不佳。

另外还有采用OTDR系统的分布式光纤传感器来监测电缆路径上是否存在外力破坏。这种方案，要求沿电缆路径全程埋设传感光纤。同时要配备OTDR分析系统，来实时监测分析是否存在异常。

这种方案，投资大，设备昂贵，施工费用高昂，无法大量推广应用。而且，分布式光纤传感器监测系统，其对异常点的定位参数为距离监测装置的距离数据，管理人员无法通过异常点距离数据迅速找到异常点位置，无法对异常做出快速反应。

（二）采用全新思路设计地埋电缆的防外力开挖破坏监测系统

当前对于现有地埋电缆的防外力开挖破坏监测的应用，其难点在于传感器形式和采用了线缆方式的数据传输，导致施工工程量巨大，投资大。

分析地埋电缆的防外力开挖破坏监测的数据特征，其在监测过程中，如无异常，可以不需要发送或者接收数据，只需要在出现异常时需要向管理方发送数据。以此特征为思路重新设计监测系统，寻找不需要大量布线的监测系统形式。

在本设计中，计划采用无线方式传输数据，可以避开敷设大量数据线缆的弊端。因传感器需要布设在地域广阔的室外电缆路径上方，无法取得外部电源供电，因此必须采用高能长效电池供电。在此情况下，常规的无线传输方式如GPRS、4G等，因其耗电量大，一组电池工作只能坚持几个小时，均无法保证长期工作，这个是远远不够的。我们需要的设计是要长期工作，时间范围在数年的续航时间。其他方式如蓝牙、LORA无法实现远距离传输，其耗电也无法支持数年的工作，因此，必须寻找更加低耗的无线数据传输方式。

在数据无线传输方式的选择过程中，我们需要根据本设计需求选择：

1.数据传输量要求不是很大，速率可以低一点。

2.要求数据传输范围广，本设计和实际应用，其地下电缆广泛分布于室外、野外等广阔的地域范围，不是在某个单位，某个厂区的状态，因此，其数据传输范围，要求传输范围要广，要求不能受距离限制。

3.功耗低，要求传输方式的能耗越小越好。

4.技术成熟，便于应用和实现。

综上所述，筛选当前的无线传输技术，排除掉蓝牙、LORA、ZIGBEE等，这些方式基本上是视距传输；排除掉4G、5G，这些方式耗电大，而且无法保证信号的覆盖范围；GPRS也排除了。剩下一种就是NB-IOT方式，这种方式是物联网的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫做低功耗广域网（LPWAN）。NB-IOT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。我国的NB-IOT基站部署也较为完善，大部分地区都有信号覆盖，能够提供NB-IOT技术在本设计中应用的技术支持。

而且NB-IOT技术较为成熟，生产生活中已经渗透了很多这了应用，如：共享单车、智能家居设备、智能市政设施、定位产品等，符合本设计对无线传输技术的基本要求。

二、选择NB-IOT方式的影响因素及应用重点技术

相对于传统的蓝牙、Wi-Fi等技术，NB-IOT技术具有覆盖广、大（海量）连接、功耗更小等优势。

1.NB-IOT在本项目设计中的优势

1）接入数量大：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。本设计需要大量独立传感器搭载独立传输数据的无线连接，NB-IOT这种大接入量特性正是本项目需要的特性。

2）信号覆盖能力强：NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，对于地下设备的信号覆盖有较大的提升。以井盖监测为例，过去GPRS的方式需要伸出一根天线，车辆来往极易损坏，而NB-IoT只要部署得当，就可以很好地解决这一难题。本设计中的监测传感器，需要埋设于电缆路径的地面内，对信号覆盖能力要求较高，因此需要选择信号覆盖能力强的NB-IOT方式。

3）低功耗：低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年；此种特性，正是本设计需要的低功耗性能。

综上所述几种特性，是本设计中选择使用NB-IOT传输方式的依据。

2.模块选择

在本系统的监测装置设计中，除了电池之外，影响装置体积尺寸的就是数据传输模块了。本设计中选择使用了BC260Y模块。此款模块是一款高性能、低功耗且多频段的LTECatNB2无线通信模块。其尺寸仅为17.7mm×15.8mm×2.0mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，同时模块在封装设计上兼容移远通信GSM/GPRS系列M26模块以及NBIoT系列BC26/BC25/BC28模块，方便在测试过程中灵活地进行替换、升级等操作。

BC260Y提供丰富的外部接口和协议栈，同时可支持中国移动OneNET平台、中国移动Andlink平台、中国电信AEP平台和中国电信IoT平台等物联网云平台，为应用设计提供极大的便利。

BC260Y模块采用易于焊接的LCC封装，可通过标准SMT设备实现模块的快速生产，满足复杂环境下的应用需求。

凭借紧凑的尺寸、超低功耗和超宽工作温度范围，BC260Y广泛应用于烟感、无线抄表、智慧物流、智能停车等诸多应用中，其应用案例多，性能已被广泛验证，因此本设计拟采用此型号模块。

3.低功耗的实现

在本设计中，监测传感器会被安装于室外，采用电池供电，鉴于需要长时间续航监测，进行低功耗设计是十分必要的。而本设计拟选择的BC260Y，通过研究其技术文档有多种低功耗方案可供选择。

在通讯模块中，模组的Modem担负着连接网络，传输数据的重任，是耗电最大的组件，也是整个传感器耗电最大的部分。因此，设计不同情景下Modem的不同工作方式，是降低功耗的一个重要途径。

1.DRX模式

DRX：Discontinuous Reception（不连续接收），为模块Modem的工作模式。

为了节省功耗，模块于每个DRX周期监听一次寻呼信道，以检查是否有下行业务到达。

DRX模式下，模块在每个DRX周期监听一次寻呼信道，功耗相对eDRX和PSM来说较高，在实时性要求较高的场景下，建议使用DRX方案。

2.eDRX模式

eDRX：extended DRX（扩展不连续接收），为模块Modem的工作模式。

eDRX是3GPPRel.13引入的技术，eDRX比DRX拥有更长的寻呼周期，使得终端能够更好地节省功耗，但是也会导致更长的下行数据延时。模块只能在PTW（Paging Time Window，寻呼时间窗口）内按DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务；PTW外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道、不能接收下行业务。

eDRX就是模块不断地打开、关闭接收机。打开接收机时能够接收数据，关闭接收机时则无法接收数据；eDRX周期即由关闭接收机和打开接收机这两个完整的时段组成，以BC26模组为例，支持配置的时长为20.48s～2.92h，eDRX功耗较DRX低。

eDRX在兼顾低功耗的同时，可以实现网络的快速响应；比如可通过配置使模块实现休眠若干分钟，再唤醒工作，再休眠若干分钟。因此eDRX适用于无须频繁发送数据、但需要实现快速响应的应用场景。模块还可通过设置不同的eDRX参数实现不同场景下的应用需求。

3.PSM模式

PSM：Power Saving Mode（省电模式），为模块Modem的工作模式。

模块Modem的PSM是3GPP Rel.12引入的技术；其原理是允许模块在空闲态一段时间（T3324）后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。模块在PSM期间，不接收任何网络寻呼，包括搜寻小区消息、小区重选等，对于网络侧来说，模块此时是不可达的，不再接收下行数据。

在PSM模式下，终端不再监听寻呼，但终端还是注册在网络中；因此，要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。在模块Modem进入PSM模式后，仍然可以主动发送上行数据到平台。

与eDRX相比，PSM打开、关闭接收机的频率更低，可低至几天打开一次接收机。PSM周期内，模块仅在接收机打开的时间内能够接收到数据，接收机关闭的时间内将无法接收下行数据。PSM模式下，功耗只有微安级，终端在此工作模式下才可能实现极低的功耗，如“一节电池用数年”。

基于以上几种模块的功耗控制方案，在本设计中，采用多种功耗控制方案联合应用的方案：

1）在传感器监测到异常的期间，设置模块工作在Active状态，连接服务器发送告警数据，等待下行指令。

2）如果在几分钟之后依然没有下行指令响应，那么模块Modem将被调整成Idle状态，模块将工作在DRX或者eDRX状态，以便节省电能，同时保持对下行数据的响应。

3）在传感器的正常待机监测期间，模块工作在PSM模式，此时传感器未检测到异常信息，不需要实时发送异常数据，只需要定期向服务器报告一下自身状态。因此功耗被最大限度地降低，实现电池供电长时间的续航。

本设计中地埋电缆的防外力开挖破坏监测系统的设计方案，其系统组成原理示意图如下：

监测传感器通过NB-IOT网络，将数据发送至云端服务器，在管理终端接收数据和异常告警信息。

其中，传感器是本次设计的重点内容，其采用微功耗设计，高能电池供电，采用全密封外壳，沿电缆路径装设于电缆上方的地面内。

传感器内部设计了检测传感器组件和信号处理组件，采用微功耗器件，配合NB-IOT实现数据传输，将异常信息通过公共物联网网络发送到服务器，传送到管理者的接收系统，实现异常信息的及时接收。其每个传感器，都在服务器中注册时，注册自身的电子地图信息，因此可以实现管理者迅速定位到异常位置附近。

此种设计方案，解决了常规标示桩无法主动监测的弊端，解决了光纤传感器需要开挖敷设工程量巨大的弊端，解决了光纤传感器需要专业分析系统的高投资弊端，更解决了管理者无法快速定位异常点地理位置的弊端，实现了对异常信息的快速反应。

以上设计经过实际测试，能够实现预定目标。因此，使用NB-IOT网络传输数据应用于地埋电缆防外力破坏监控系统，代替有线数据传输作为数据传输方式，是完全可行的。