基于蓝牙4.0及其组件在电力电缆管道中的应用

冯 磊 王珊珊

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.太原金智矿信息技术有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力达电力设计有限公司，山西 太原 030006)



基于蓝牙4.0及其组件在电力电缆管道中的应用

冯 磊1，2王珊珊3

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.太原金智矿信息技术有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力达电力设计有限公司，山西 太原 030006)

为了解决架空电力线路入地后产生的各种问题，在电缆管道中引入了蓝牙4.0及其组件技术，并阐述了蓝牙4.0及其组件在电力电缆管道中的应用方案，指出蓝牙4.0及其组件具有简单方便、易实施、低成本等优点。

电力电缆，蓝牙，硬件功能，芯片

0 引言

目前，就城市架空电力线路入地改由电力电缆在管沟中敷设运行而言存在诸多问题，例如，电缆走径及去向不明，电缆运行状况不明，电缆所处环境不明等等。但为了加快城市化进程以及从城市美观考虑架空电力线路入地已经成为一种普遍的解决思路，所以，为了解决以上电力电缆存在的普遍性问题以及帮助电力电缆维护人员更高效便捷的解决这些问题，我们引入了蓝牙4.0在电缆管道中的应用，该应用的实现能更好更高更低成本的帮助我们减轻以上困扰。

1 现状及存在问题

目前，架空电力线路入地已经基本上遍布全国各中大型城市，但是电缆在电缆管道中敷设，电缆走向较架空线来说隐蔽了很多，很多情况下若不打开电力井则无法准确判断该电缆的正确走向，更有很多情况是即便打开了电力井但是由于井内积水或井内情况恶劣导致原有电缆上标示破损、污秽无法辨识的情况也比比皆是，最终只能使用电缆带电检测装置利用人工探寻的方式来判别电缆走向，既费时又费力，准确性也不是100%。

对于电缆运行状况不明情况，当前，市场上只针对有条件的电力隧道以及35 kV及以上大电压等级的电缆展开电缆监测，而对于通常的35 kV以下电缆管道(通常指排管及沟道，以下简称管道)而言则没有电缆监测设备安装及运行的环境，主要是由于管道狭小、潮湿甚至积水而电缆监测设备则较大且不防水。

另外，对于电缆所处环境不明的情况，目前更是没有行之有效的方式方法，只能依靠电缆维护人员逐个打开井盖探明……

针对以上提出的架空电力线路入地后产生的三大类问题，蓝牙4.0及其组件在电缆管道中的应用都能够很好地解决。

2 解决方案设计

2.1 蓝牙4.0简介及优势

正如前面提到的，由于环境的特殊性，GPRS及Wifi信号均表现出了其不适性，所以最终我们将目光投放在了蓝牙4.0上，因为蓝牙4.0是蓝牙技术联盟2010年7月发布的新核心版本，与之前版本最大的改进是使用低功耗技术，最小待机功率可以达到0.01 mW，即使是峰值功率也只有10 mW，相比较老版本功耗降低了90%以上；而且增强了数据传输的稳定性，只要使用一颗普通的纽扣电池即可以连续稳定的运行一年甚至数年之久。另外，蓝牙4.0传输过程中所有数据包使用24位的CRC循环冗余校验，确保周围环境不稳定时的抗干扰能力，使得其传输距离可以达到最大100 m的理论值；而且其小型化的设计和低廉的成本可以更方便的集成到各种设备和仪器上。

2.2 CC2541模块简介

我们在方案中选用了符合蓝牙4.0协议标准的CC2541芯片组，CC2541是一款针对蓝牙4.0及私有2.4 GHz应用的片载系统解决方案，它拥有领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU处理器核心、128/256 KB闪存模块作为存储器，8 kRAM以及其他功能强大的特性结合在一起。它支持AT指令，可以便捷的与单片机或其他终端进行交互，也可以作为独立的处理单元来响应外部请求、存储数据等操作。

2.3 硬件功能扩展

由于蓝牙4.0模块的小型化和低廉的价格，我们完全可以将其封装在PVC材料中，外部增加可固定在电缆或墙壁上的装置如便利贴性质的绑带等，且设备防水防潮，数年内无需更换电池，安装线缆时使用手机APP将基本数据录入后放置到指定位置即可。线路维护或检修人员只要使用智能手机通过APP就可以在地面获取到设备发出的蓝牙信号，并通过访问设备获取到基本数据信息。

如果为蓝牙设备加装存储装置的话可以通过增加传感器获取到设备周围的环境信息，如当前电缆温度、湿度、磁场等信息，也可以通过连续不断的获取传感器信息，从而绘制一段时间内数值的变化曲线，有利于帮助工程或维护人员进行数据分析和问题排查，同时也可以收集更多的数据来进行更深入的分析和挖掘，如某路段多年环境温湿度变化对于线缆寿命的影响。

2.4 软件功能扩展

当前主流的智能手机基本都支持以蓝牙作为交换数据的方式之一，主要功能是用来连接外部设备，如无线蓝牙耳机等，随着蓝牙传感器的普及和制造成本的降低，越来越多的智能穿戴式设备、医疗仪器以及智能家居设备都将其加入到了自身的组件中，因此只要在手机端开发相应功能的APP即可满足前面提到的问题，只要使用工作人员个人的智能手机，既不需要开发专门的终端设备，节省了一大笔成本，而且软件升级速度也比硬件研发和生产快很多。

主流的智能手机终端操作系统中均包含了对蓝牙4.0的支持：IOS系统中的CoreBluetooth框架，Android的BluetoothGatt组件、Window Phone8版本也开始支持蓝牙4.0的功能。而且各大硬件厂家很多都已经把蓝牙作为其基本信息交互方式之一，在短距离传输时拥有很大的优势。

3 应用设计思路及分析

下面以IOS中实现方案来简单描述一下系统流程(如图1所示)。

过程分为两个阶段，即初始化阶段和运行阶段：

初始化阶段主要是指将硬件设备安装到电缆上，然后通过终端——智能手机上的APP对其进行设置，内容包括电力电缆的电压等级、电缆线路名称、电缆的起止点、电缆运行正常温度及异常范围、电缆运行正常湿度及异常范围、电缆运行正常漏电值及异常范围等基本信息，也可以根据不同情况录入相关的其他自定义内容。

运行阶段则需要首先打开手机蓝牙功能，运行手机端APP程序，扫描并与蓝牙设备配对，设备在初始化前的默认状态是主从模式，此时通过手机连接可以向其发送数据，通过在APP上设置具体的数据字段和内容，将相关数据发送给设备作为存储，保存后蓝牙模块将改变状态为广播模式，这时设备主要负责周期性的向外界发出广播信号，这样手机可以不用配对就获取到相关的信息。注意，蓝牙设备的广播模式根据不同需求可细分为四种类型，我们选用的类型叫做Scannable Unbirected Event Type即可扫描非定向

广播，这种广播不会发起连接，但允许其他设备扫描该广播设备，也就是说该设备可被发现，但不能建立连接，这种模式更适合专为广播某些信息，可以将设备中存储的信息以动态数据的方式包含于广播数据中，也可以以静态的方式包含在扫描相应数据中，这个要根据以后具体数据的多少来定。

另外，当工作人员在地面上使用APP扫描设备时即可得到井下蓝牙广播的信息内容，但为了防止任何设备都会访问到广播，可以将信息在发送端加密，再在APP端解密后显示，由于设备处于非连接状态，也就不需要担心其他终端会连接到设备上，造成数据泄露。

另一个好处是通过APP可以记录每次维护或检查时的设备状态，看到之前工作人员的维修记录，这样可以极大的减少由于不了解现场实际情况而带来的不必要成本，采集到的历史数据也可以在出现问题之后作为分析问题的一个重要依据，为解决问题带来了很大的便利。而且如果将所有获取到的设备信息提交至后台的服务器，该设备还可以用于城市管网的其他方面，可以在未来的很多年里作为该城市大数据分析的基础信息。

4 效果分析

1)针对电缆走向不明问题，使用蓝牙4.0及其组件由于其体积微小则能利用便利贴的方式，每隔固定电缆段长设置一组，方便收集电缆管道内该电缆走向的预定信息，只需相关人员现场接受蓝牙4.0发出的匹配信息，则可以轻松的找到该电缆的走向而不必逐一打开井盖下井探明。

2)针对电缆运行状况不明及运行环境不明的问题，利用蓝牙4.0及其组件采集运行中该电缆的温度、湿度、漏电电流等可测数据，并将数据上传至服务端以供后台人员统计分析。如发现运行状态数据异常，则可直接报警，且显示异常区域，方便运行维护人员更快更高效解决问题。如发现运行环境数据异常，则可在后台显示标记，待运行维护人员去现场探明。

简单来说，因为我们的蓝牙4.0及其组件体积小并且具有防水的性能，对使用环境的要求比较低，且具备超强的信息收集能力，它能够帮助我们简单方便、易操作实施、低成本的解决文中提出的问题。

[1] Texas Instruments CC2540/41 Bluetooth Low Energy Software Developer’s Guide v1.3.2,Texas Instruments.

[2] 深圳市信驰达科技有限公司.低功耗蓝牙(BLE)模块及协议v2.21u[Z].2015.

[3] 关东升.IOS传感器应用开发最佳实践[M].北京：清华大学出版社，2014.

[4] 金 纯,李娅萍.BLE低功耗蓝牙技术开发指南[M].北京：国防工业出版社，2016.

Based on the application of bluetooth 4.0 and its components in cable ducts

Feng Lei1,2Wang Shanshan3

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.TaiyuanJinzhikuangInformationTechnologyCo.,Ltd,Taiyuan030006,China; 3.TaiyuanMinglidaPowerDesignCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

In order to solve various problems occurring overhead power line grounding, the paper introduces bluetooth 4.0 and its component technology in cable pipeline, illustrates the application scheme of bluetooth 4.0 and its components in power cable pipeline, and finally points out advantages of bluetooth 4.0 and its components, such as simple, convenient, easy operation and low cost and so on.

power cable, bluetooth, hardware function, chip

1009-6825(2016)28-0121-02

2016-07-27

冯 磊(1984- )，男，在读工程硕士，高级工程师； 王珊珊(1986- )，女，工程师

TU990.3

A