基于LoRa无线通信技术的变电站环境感知节点设计

盛亚杰 赫树开 曾晓哲 王幸辉 侯新梅

摘  要：针对变电站感知终端碎片化严重，物联网技术应用不足的问题，基于LoRa低功耗无线通信技术，采用无线通信模块、微控制单元设计开发一种可扩展、低功耗、无线化的智能感知节点，该感知节点可对变电站环境状态传感参量进行数据采集及传输。测试结果表明：感知节点数据远传的稳定性好，在1 500 m范围内通信丢包率为0，感知节点消耗电能约为4.62 mAh/D，有效工作时长可达5年。该节点的设计可为变电站环境状态的智能监测提供一定的参考依据。

关键词：LoRa；无线通信技术；感知节点；信息传输；变电站环境状态

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A        文章编号：2096-4706（2023）02-0161-04

Design of Substation Environment Awareness Node Based on LoRa Wireless Communication Technology

SHENG Yajie1， HE Shukai1， ZENG Xiaozhe1， WANG Xinghui1， HOU Xinmei2

（1.Henan Relations Co.， Ltd.， Zhengzhou  450001， China; 2.School of Physics， Zhengzhou University， Zhengzhou  450001， China）

Abstract： In view of the serious fragmentation of the substation sensing terminal and the insufficient application of the Internet of Things technology， based on LoRa low power consumption wireless communication technology， a scalable， low power consumption， wireless intelligent sensing node is designed and developed using wireless communication modules and micro control units. The sensing node can collect and transmit the data of the substation environmental state sensing parameters. The test results show that the data transmission of the sensing node is stable， the communication packet loss rate is 0 within 1 500 m， the power consumption of the sensing node is about 4.62 mAh/D， and the effective working time can reach 5 years. The design of the node can provide some reference for intelligent monitoring of substation environmental status.

Keywords： LoRa; wireless communication technology; sensing node; information transmission; substation environment state

0  引  言

“萬物互联”已成为全球网络未来发展的重要方向。随着计算机信息技术和网络技术的快速发展，物联网技术已广泛应用于社会生产生活的方方面面，诸多行业也在不断挖掘物联网技术的内在潜力，有力推动着我国产业改革和升级工作的发展[1-3]。物联网技术与工业领域的结合已成为当今时代的重要发展趋势[4]。随着经济的发展，人们对供电数量及质量的要求都在不断提升，打造智能电网，实现供电系统的可持续发展是电力行业亟需解决的重要课题[5]。

目前智能电网已从普及蓄力期进入完善增长期，智能变电站改造是未来智能电网规划建设项目的重要组成部分，其感知层运用传感技术采集变电站的环境状态信息，再通过无线通信技术对数据进行传输和汇聚。但目前变电站感知终端碎片化严重，物联网技术应用深度不够，表现为所需终端种类杂，感知设备多，数据传输方式多样，这一现状给智能变电站的推进工作带来很大的困难。另外，智能电网相关报告指出要持续大力推进新一代电网传感技术的深度发展，使传感网系统终端平台向着微型化、智能化、无线化、多功能化应用方向发展[6]。

针对智能变电站建设的实际应用需求和电网传感的发展趋势，基于《输变电设备物联网传感器数据规范》文件，采用低功耗远距离无线通信（LoRa）、微控制等技术，设计一种可扩展、低功耗、无线化的智能感知节点。该节点可对变电站的环境状态进行数据采集，通过无线通信技术传输信息，为解决感知终端碎片化问题提供理论和技术支撑。

1  整体结构及原理

综合考虑感知节点的功耗和可扩展性，本文设计开发了一种基于LoRa通信技术的低功耗通用型感知节点。该节点主要由无线通信模块、电源模块、微处理器单元（MCU）、传感接口模块组成，其结构如图1所示。工作时，传感接口模块可通过预留接口对接多种类型的传感器，将采集到的信号传递至微处理器单元。MCU微处理器单元选择国产GD32系列低功耗芯片作为系统的主控制器，用来处理、存储传感器采集的数据，协调和控制其他模块的工作。通信模块以低功耗无线通信方式传输微处理器单元处理过的数据，同时也接收执行北向设备下发的控制命令。电源模块包含电池和电源管理模块，为其他模块动态提供稳定的工作电压。

1.1  微控制单元

微控制单元（MCU）采用国产的低功耗GD32F103C8T6芯片，具有体积小、片上资源丰富、计算能力强、工作待机电流小、部署便捷、操作灵活等优势。该芯片以高性能的处理器架构ARMCortex-M3RISC为工作核心，提供高达108 MHz的工作核心频率，内置16 KB～3 MB的Flash，拥有极为丰富的内外双设备接口。通过合理的接口设计，可满足变电站环境状态实时监测时所需接入传感器的空间要求。该芯片在待机模式下电流只有3.6 μA，仅需5 μs即可唤醒，满足低功耗设计、长时间监测需求。

微控制单元预留多个接口与传感接口相连，采集温度、湿度、水浸、水位、微气象等环境数据，其中GPIO口连接LED灯、仿真器接口、USB转TTL串口和一般按键，VDD口连接的是电源模块；TIM口连接到时钟，NRST口连接到Reset按键。MCU处理完接收到的数据后，将UART接口与LoRa通信模块相连上传至汇聚节点，其结构如图2所示。

1.2  无线通信模块设计

为实现传感器无线化设计，感知节点与北向设备之间的数据和指令采用无线通信传输方式，LoRa运行在免授权频段，通信距离可达15 km，与无线短距离通信（Wi-Fi、蓝牙）、蜂窝网络系统（NB-IoT）几种成熟可行的技术相比，具有通信距离远、建设及运行成本低、可灵活组网等优点，适合用于发送小数据量及定期大范围使用电池供电方式的物联网终端设备，故为保证传输速率和低功耗的要求，本文采用LoRa无线通信技术进行设计[7]，如表1所示。

LoRa模块采用SEMTECH的射频芯片SX1268，通过UART接口与MCU模块交互。模块的UART接口参数默认设置为波特率9 600 bps，数据位为8，无奇偶校验，1位停止位。模块具有主动和被动两种通信模式，主动模式下通信模组控制整个传感器的工作，可主动唤醒、获取传感器数据。被动模式下通信模组由传感器控制，可被唤醒，被断电；另外支持电网相关协议可将数据周期性上传。LoRa模块接线图如图3所示。

1.3  传感接口设计

由于传感器种类繁多、接口各异，信号类型及交互协议也各式各样，缺乏统一的标准，导致终端功能扩展困难。本文依据《输变电设备物联网无线传感器数据规范》标准协议，设计一个通用性较强的传感接口，具备多物理接口，传感器即插即用的功能，用以实现传感器类型识别。该接口需要匹配识别多类型传感器，同时完成信号通信的工作。传感接口标准根据传感器输出信号、电气特性及接线方式进行严格分类，针对不同传感器输出信号类型，采用层次布局结构，设计接口模块。此外，MCU微控制单元预留丰富的接口，配置专用协议UART串口转换芯片，具体工作方式为传感器感知的实时信号通过接口模块传输至MCU，MCU将处理过的数据经由UART透明传输至上行通信。该设计方案可适配大多数传感器，实现传感器即插即用，提高两感知节点的通用性和可扩展性。

1.4  电源模块设计

电源模块包含两个部分，分别为电池模块和电源管理模块。电池采用ER26500H锂亚电池，电源管理单元由LM2596S电源稳压模块和电源转换芯片组成，用以实现感知节点无线化设计及电源的动态管理，如图4所示。锂亚电池容量为8 500 mAh，3.6 V，年自放电率＜1%，用于微处理器、其他模块及外围的供电。在正常工作状态下，温湿度传感器、水浸传感器、水位传感器电压为3.3 V，烟雾传感器的电压为12 V，微控制单元的电压为3.6 V。LM2596S稳压模块输入电压为3.2 V～40 V，输出电压范围为1.25 V～35 V，输入电流为3 A，空载下为18 mA，符合该节点电源管理设计要求。根据各传感器或模块需要的电压设计相应的程序，将程序烧录至电源转换芯片。电源管理模块依据程序调度节点资源配置，满足节点上各模块的电压需求，能使电能效益最大化，实现安全稳定的供电。

2  软件设计

传感器成功接入感知节点并采集变电站环境状态的信息需要经过三个步骤，分别是硬件接入、配置文件解析及感知节点初始化。传感器模组的属性、ID等参数按照国网《输变电设备物联网传感器数据规范》进行配置。传感器模组通过硬件接口与感知节点连接后，传感器模组将配置文件发送给感知节点，感知节点对文件进行接收和解析，若感知节点接收到文件并成功解析，则传感器模组接入正常。若感知节点未接收到文件或者解析失败会连续再接收三次，若接收文件接连失败，则传感器接入异常。传感器接入感知节点后各个模块进行自检，以确保初始化正常，然后感知节点根据下行到指定节点的时间，周期性启动传感器模组采集环境数据，并将数据通过LoRa上送，同时接收下发的新指令，感知节点软件流程如图5所示。

3  性能测试

为进一步验证该感知节点的实用性，需对其进行可扩展性、丢包率及功耗测试。

3.1  扩展性测试

分别将温湿度传感器、水浸传感器及水位传感器接入感知节点，通过sscom串口工具对感知节点进行调试，经过初始化设置后，串口工具可收到每个传感器发送的数据包，表明传感器可成功接入，感知节点具备可扩展性。

3.2  丢包率测试

为模拟变电站较为复杂的通信环境，选择在园区内进行通信丢包率测试，在不同的距离使用串口调试工具收发100组数据，在1 500 m范围内该感知节点的通信丢包率为0，在2 000 m范围内丢包率为5%，这些数据证实了节点数据远传的稳定性，结果如表2所示。

3.3  功耗测试

感知节点工作模式分为采集模式、接收模式、发送模式及休眠模式，节点初始设置10 min为一个工作周期，节点采集收发一次数据后，自动进入休眠模式等待下一次采集收发。利用万能表测量节点工作模式下的电流，采集模式下Ig=20.3 mA，Tg=0.1 s；接收模式Ia=40.62 mA，Ta=0.1 s；发送模式下Is=46.48 mA，Ts=0.1 s；休眠模式下Isl=14 μA，Tsl=999.7 s。根据式（1）计算节点一天需消耗的电能，测试结果如表3所示。

（1）

按照表3每10 min为一个工作周期，每天需消耗电能约为4.62 mAh，考虑到电池大概10%的损耗，计算出感知节点的有效工作时长可达5年。

4  结  论

本文基于LoRa无线通信技术的优势，结合传感器、MCU、电池管理等技术研发了一种变电站环境状态下的通用型感知节点。经过可扩展性、丢包率及能耗测试，验证了该节点数据发送可靠，工作稳定，且具有通用性强、功耗低、无线化设计及实用性高等优势，对于物联网技术在变电站中的应用具有一定的启发。

参考文献：

[1] 于良波.基于LoRa的无线传感器通信系统设计与实现 [D].重庆：重庆邮电大学，2020.

[2] 舒文琼.物联网：万物互联奠定网络社会基础 [J].通信世界，2013（14）：21.

[3] 朱国祥.蜂窝移动通信技术的发展历程及趋势 [J].卫星电视与宽带多媒体，2019（8）：13-14.

[4] 白雪杰，郭雷岗，姜丽鸽.物联网技术在智能电网中的应用研究 [J].物联网技术，2022，12（3）：83-88.

[5] 冯伟夏，孟安波，何双伯.基于自组织网络的智能电网配电方案设计 [J].现代电子技术，2019，42（9）：158-162.

[6] 张雯，张颖，曹越.传感器在智能电网系统中的应用与研究 [J].电脑知识与技术，2019，15（26）：262-263.

[7] 程亚军.基于LoRa技术远距离无线通信模块的研究与设计 [D].重慶：重庆邮电大学，2018.

作者简介：盛亚杰（1992—），女，汉族，河南周口人，助理工程师，硕士，研究方向：智能化传感器的研究。

收稿日期：2022-09-13