基于LPWAN技术的分布式电缆防破坏监测系统

陈新岗，王梅林，马志鹏，贾 勇，朱 磊，赵 蕊，邹越越

(1.重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054；2.重庆市能源互联网工程技术研究中心，重庆 400054)

0 引言

在我国城市输电网络中，出于对电力安全和市容市貌的考虑，电缆的铺设量急剧增加[1]。埋于地下的电缆本体长期处于监测盲区，经常因为外力破坏、产品质量和施工安装等原因造成故障。据统计，由外力破坏造成的电缆本体故障率高达70%，其中主要原因是基础设施施工引起的外力破坏对电缆本体造成的直接或间接损伤[2]。目前对于地下电缆外力破坏防护的常规措施主要是通过专人巡查、特殊地点设置警示标志或外加保护层等被动防护方式。

随着信息技术和测控技术的快速发展，许多学者尝试运用新技术对地下电缆的安全状态进行监测，部分成果已经用于实践。文献[3]通过与电缆同沟敷设分布式光纤，以光信号获得电缆的应力应变等物理信息。这种方法不受电磁干扰、实时性高，但针对已经铺设好的地下电缆进行光纤铺设，工程量大、费用高昂，只适用于在建电缆线路；文献[4]以短程无线射频技术和GPRS技术结合，构建了预警系统，在架空线路中具有一定实用价值，但不能组成大型无线网络，不适合电缆监测；文献[5]在电缆井内布置了ZigBee网络采集各类环境数据后利用井上的NB-IoT网络进行上传，由于ZigBee网络传输距离有限，只能运用在小范围的电缆井环境监测中。

在外力破坏频发的施工区域，地下电缆的敷设方式通常采用沟道、穿管和直埋等方式。在这样的环境中对电缆进行实时监测，具有供电困难、布置繁琐和通信环境复杂等难点，并且目前还没有较好的解决方案。针对上述难点，本文利用LoRa和NB-IoT两种LPWAN(low power wide area network)技术来构建电缆防破坏监测系统。通过设计低功耗、小型化和便携式的采集装置和通信网络，来适应各类运行环境的监测需要。在监测地区安全风险解除后，装置能够被方便的拆卸，以便于投入到新的监测地区使用。利用该系统，可以将地下电缆的安全管理由被动巡查转变为主动感知。

1 系统整体方案设计

本系统由监测节点、汇集节点和监测界面等单元组成，其总体设计结构框图如图1所示。监测系统数据采集部分主要由监测节点和汇集节点通过LoRa通信技术组成的多个星型拓扑网络构成，各个子网络采用不同信道进行数据传输。子网络和监测节点采用分布式布置方式，可根据施工区域环境和地下电缆敷设结构特点灵活调整位置与数量。其中，监测节点主要由传感器获取空间偏移、瞬时加速度和温湿度等地下电缆运行环境数据，经MCU处理后经LoRa无线模块发送到对应的汇集节点。汇集节点接收本网络所属监测节点信息并进行分析判断各个节点是否处于安全状态，感知到危险时发出报警提示，同时应用NB-IoT网络以LWM2M协议将各类数据上传到云服务器。最后通过API调用执行设备管理、数据查询和命令交互等操作来完成在线监测平台的搭建。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

系统硬件主要包括监测节点和汇集节点2部分，其硬件框图如图2所示。数据采集部分通过加速度传感器采集电缆振动数据，监测地下电缆所受外力情况。同时，考虑到高温高湿环境和可燃气体泄漏对电缆运行的威胁，利用温湿度传感器和可燃气体传感器对这类数据进行实时采集，并通过电池电量计获取电池能量数据。系统部分包含调试电路和各类扩展接口。数据处理部分将主控芯片所采集到的数据进行存储和上传。

(a)监测节点

汇集节点具有GPS定位功能，以LoRa模块和NB-IoT模块进行数据收发。接收的数据将由主控芯片处理并判断，通过状态指示部分进行相应的显示与报警。

2.1 数据采集与边缘化处理

系统通过各类传感器进行数据采集，在选用传感器时考虑到体积、功耗和工作稳定性等因素，最终所用传感器型号与待测物理量如表1所示。

表1 传感器型号与待测物理量

为尽可能改善数据上传延时、降低系统能源消耗，本系统中的大部分数据计算和判别任务由监测节点和汇集节点中的边缘设备进行处理。其中，根据解析传感器ADXL345输出的三轴加速度数据获得表征瞬时冲击力的动态加速度和表征长期缓慢扭力的空间变化矢量，来进行电缆外力破坏的判断。

电缆处于静止状态时，三轴加速度矢量和A始终满足：

(1)

式中Ax、Ay、Az为当前三轴静态加速度，10-3g。

基于此，系统在读取三轴加速度数据后将求取矢量和存放于样本库内。如图3所示，样本库容量大小固定，存储最新的200组加速度矢量和数据。通过对样本库内的数据求取标准偏差得到监测点动态加速度，评估当前瞬时冲击力大小，计算过程如式(2)和式(3)所示。样本库的容量大小N和采样频率f将影响反映速率，多次实验发现当N=200、f=200 Hz时，系统能够及时感知振动并保持3 s稳定输出，具有良好效果。

图3 样本库数据获取示意图

加速度标准偏差计算为

(2)

相对动态加速度值

(3)

式中：a为相对动态加速度，m/s2；k1为转换系数，k1=9.8 m/s2；k2为传感器分辨率，k2=3.91×10-3g/LSB。

为监测电缆因地面重型机械设备挤压等造成电缆缓慢扭变所带来的影响，系统利用传感器输出的静态加速度变化进行评估，如图4所示，电缆若发生形变后将会影响重力加速度在各轴的分量，图中Axy为g在XOY平面的投影。

图4 ADXL345静态输出变化示意图

因此，系统在初始化时存储表征电缆原始空间位置的初始静态加速度，通过计算静态加速度值的空间变化矢量D大小进行电缆形变的判断，相比计算三轴倾角，计算简单，其灵敏度更高，更具有直观性，计算过程如下式。

(4)

式中：D为当前静态加速度值的空间变化矢量，m/s2；Ax0、Ay0、Az0为初始三轴静态加速度，10-3g。

为减少NB网络上传数据量和服务器计算负担，由汇集节点承担运行状况判别任务，通过将接收到的各类环境数据与设定阈值对比，得到表征当前电缆运行状态的状态编号，将状态编号和各类运行环境数据通过NB网络上传至云平台，由应用界面调用状态数据展示当前电缆状态。

2.2 无线数据传输

传统的ZigBee、蓝牙、WiFi等无线传输方式用于大范围长时间的电缆状态监测系统存在通信距离短、功耗高、组网复杂和易受干扰等问题，因此本系统利用LoRa和NB-IoT两种LPWAN技术远距离、低功耗和大连接的优势[9]，来构建监测系统，使其能够满足苛刻环境下的应用需求。

LoRa是一种利用线性扩频调制，在保证低功耗特性的同时又显著增加了传输距离的通信技术[10]。自2013年发布以来已在全球多个国家进行了应用，在我国的电力、农业、矿业、应急救援等领域也有了大量研究应用[6-8]。本系统选用基于SX1268射频芯片的LoRa无线串口模块E22-400T22D，接收灵敏度可达-148 dB，空中传输速率范围为0.3～62.5 kbit/s，稳定通信距离可达5 km。为了防止不同子网络之间的信号干扰，不同星型网络采用不同的频率进行通信。在初始化时给每个监测节点分配节点地址和频率信道等参数。

在施工现场，可通过汇集节点的报警单元进行及时预警。而为使运维人员能够在远方实时观察电缆的安全状态，系统通过可直接部署于运营商现有基站的NB-IoT网络将数据实时上传至云服务器，其中硬件部分选用M5311模块，工作电路如图5所示。

图5 M5311模块硬件电路

3 软件(程序)设计

软件部分由监测节点软件、汇集节点软件和监测页面设计3部分组成。LoRa无线模块为半双工通信，每个星型网络中汇集节点以广播的形式下发控制指令，监测界面基于OneNET云平台进行开发。

3.1 监测节点

数据监测节点程序流程图如图6所示，上电后首先对STM32的时钟和各类外设进行初始化，对LoRa无线模块的地址和信道等参数进行设置。然后针对各个传感器模块进行自检，检测出异常状态时向汇集节点上传对应异常事件代码。系统一切正常时，实时进行信道监听，查看有无控制指令下发，接收到指令并解析后，进行工作状态更新。无指令下发时，系统依次采集传感器数据，数据经处理后，封装成自定义的数据帧，在上传周期来临时进行上传。

图6 监测节点流程图

3.2 汇集节点

汇集节点流程图如图7所示，在初始化后进行NB-IoT网络连接，接入过程如图8所示。网络连接成功后，通过LoRa无线模块可向本网络下发来自汇集节点或云平台的控制指令。控制指令主要对各个监测节点进行睡眠、唤醒和上报周期时间设置。无指令下发时，接收各个监测节点的上传数据，接收到的数据根据设备编号缓存到消息列表的相应位置中，进行电缆运行环境安全评估。为提升系统可靠性，将接收和上传分开进行，消息列表中收集到本轮所有监测节点数据，或者强制上传时间来到时，系统根据地址编号依次上传重新封装的数据帧至云平台。

图7 汇集节点流程图

图8 NB-IoT模块入网流程

3.3 监测界面设计

监测界面通过调用平台API进行读写执行和管理请求。在OneNET平台收到各传感器数据及设备信息后，将数据推送至监测界面，通过图表的形式实时显示各监测节点的环境信息。当超出阈值时，下发信息进行预警。监测平台具有历史数据查询、在线预警、节点选取等人机交互功能。图9为电缆空间形变时，监控界面的实时状态。

4 测试与运行

图10为系统监测节点与汇集节点实物图，为验证系统的可靠性，在本节中对LoRa网络的通信距离、子网络的运行稳定性和系统功耗分别进行了测试。

图10 装置实物图

4.1 系统覆盖能力测试

测试地点选择在建筑物较少的空旷地带，分别采用1个监测节点和1个汇集节点。设置通信频率为433 MHz，发射功率为22 dBm，波特率为9 600 bit/s，空中通信速率设置为2.4 kbit/s，共上传200帧数据。汇集节点接收数据并记录数据数量与传输时间。测试结果如表2所示，在2.1 km内通信正常，延时在40 ms内，传输极限距离为4.4 km。

表2 测试数据表

4.2 系统功耗

汇集节点可外接电源，因此本系统中主要考虑监测节点功耗。正常工作中监测节点工作状态不会频繁改变，主要进行数据上传，因此忽略接收和执行控制指令工作过程，并设置上传周期为5 s。在测试监测节点设备稳定工作后，不同工作状态的功耗如表3所示。通过计算可得一个周期内平均电流约为0.67 mA。因此，系统采用3 000 mAh锂电池作为供电电源，能够满足监测节点正常工作4 477 h，足以实现监测需求。

表3 监测节点不同工作状态功耗

5 结束语

本文提出的基于LPWAN技术的分布式电缆防破坏监测系统，利用LPWAN技术低功耗、远距离和抗干扰能力强的优势，对处于危险区域的电缆分布式布置监测设备进行实时监测。测试表明本系统能够满足电缆监测长时间、大范围和便携式的需求，可及时发现电缆安全隐患发送预警信息，对于推进电缆管理的智能化和信息化具有重要意义。