基于藍牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應用

馮 磊 王珊珊

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.太原金智礦信息技術有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力達電力設計有限公司，山西 太原 030006)

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基于藍牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應用

馮 磊1，2王珊珊3

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.太原金智礦信息技術有限公司，山西 太原 030006； 3.太原明力達電力設計有限公司，山西 太原 030006)

為了解決架空電力線路入地后產(chǎn)生的各種問題，在電纜管道中引入了藍牙4.0及其組件技術，并闡述了藍牙4.0及其組件在電力電纜管道中的應用方案，指出藍牙4.0及其組件具有簡單方便、易實施、低成本等優(yōu)點。

電力電纜，藍牙，硬件功能，芯片

0 引言

目前，就城市架空電力線路入地改由電力電纜在管溝中敷設運行而言存在諸多問題，例如，電纜走徑及去向不明，電纜運行狀況不明，電纜所處環(huán)境不明等等。但為了加快城市化進程以及從城市美觀考慮架空電力線路入地已經(jīng)成為一種普遍的解決思路，所以，為了解決以上電力電纜存在的普遍性問題以及幫助電力電纜維護人員更高效便捷的解決這些問題，我們引入了藍牙4.0在電纜管道中的應用，該應用的實現(xiàn)能更好更高更低成本的幫助我們減輕以上困擾。

1 現(xiàn)狀及存在問題

目前，架空電力線路入地已經(jīng)基本上遍布全國各中大型城市，但是電纜在電纜管道中敷設，電纜走向較架空線來說隱蔽了很多，很多情況下若不打開電力井則無法準確判斷該電纜的正確走向，更有很多情況是即便打開了電力井但是由于井內積水或井內情況惡劣導致原有電纜上標示破損、污穢無法辨識的情況也比比皆是，最終只能使用電纜帶電檢測裝置利用人工探尋的方式來判別電纜走向，既費時又費力，準確性也不是100%。

對于電纜運行狀況不明情況，當前，市場上只針對有條件的電力隧道以及35 kV及以上大電壓等級的電纜展開電纜監(jiān)測，而對于通常的35 kV以下電纜管道(通常指排管及溝道，以下簡稱管道)而言則沒有電纜監(jiān)測設備安裝及運行的環(huán)境，主要是由于管道狹小、潮濕甚至積水而電纜監(jiān)測設備則較大且不防水。

另外，對于電纜所處環(huán)境不明的情況，目前更是沒有行之有效的方式方法，只能依靠電纜維護人員逐個打開井蓋探明……

針對以上提出的架空電力線路入地后產(chǎn)生的三大類問題，藍牙4.0及其組件在電纜管道中的應用都能夠很好地解決。

2 解決方案設計

2.1 藍牙4.0簡介及優(yōu)勢

正如前面提到的，由于環(huán)境的特殊性，GPRS及Wifi信號均表現(xiàn)出了其不適性，所以最終我們將目光投放在了藍牙4.0上，因為藍牙4.0是藍牙技術聯(lián)盟2010年7月發(fā)布的新核心版本，與之前版本最大的改進是使用低功耗技術，最小待機功率可以達到0.01 mW，即使是峰值功率也只有10 mW，相比較老版本功耗降低了90%以上；而且增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，只要使用一顆普通的紐扣電池即可以連續(xù)穩(wěn)定的運行一年甚至數(shù)年之久。另外，藍牙4.0傳輸過程中所有數(shù)據(jù)包使用24位的CRC循環(huán)冗余校驗，確保周圍環(huán)境不穩(wěn)定時的抗干擾能力，使得其傳輸距離可以達到最大100 m的理論值；而且其小型化的設計和低廉的成本可以更方便的集成到各種設備和儀器上。

2.2 CC2541模塊簡介

我們在方案中選用了符合藍牙4.0協(xié)議標準的CC2541芯片組，CC2541是一款針對藍牙4.0及私有2.4 GHz應用的片載系統(tǒng)解決方案，它擁有領先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標準的增強型8051MCU處理器核心、128/256 KB閃存模塊作為存儲器，8 kRAM以及其他功能強大的特性結合在一起。它支持AT指令，可以便捷的與單片機或其他終端進行交互，也可以作為獨立的處理單元來響應外部請求、存儲數(shù)據(jù)等操作。

2.3 硬件功能擴展

由于藍牙4.0模塊的小型化和低廉的價格，我們完全可以將其封裝在PVC材料中，外部增加可固定在電纜或墻壁上的裝置如便利貼性質的綁帶等，且設備防水防潮，數(shù)年內無需更換電池，安裝線纜時使用手機APP將基本數(shù)據(jù)錄入后放置到指定位置即可。線路維護或檢修人員只要使用智能手機通過APP就可以在地面獲取到設備發(fā)出的藍牙信號，并通過訪問設備獲取到基本數(shù)據(jù)信息。

如果為藍牙設備加裝存儲裝置的話可以通過增加傳感器獲取到設備周圍的環(huán)境信息，如當前電纜溫度、濕度、磁場等信息，也可以通過連續(xù)不斷的獲取傳感器信息，從而繪制一段時間內數(shù)值的變化曲線，有利于幫助工程或維護人員進行數(shù)據(jù)分析和問題排查，同時也可以收集更多的數(shù)據(jù)來進行更深入的分析和挖掘，如某路段多年環(huán)境溫濕度變化對于線纜壽命的影響。

2.4 軟件功能擴展

當前主流的智能手機基本都支持以藍牙作為交換數(shù)據(jù)的方式之一，主要功能是用來連接外部設備，如無線藍牙耳機等，隨著藍牙傳感器的普及和制造成本的降低，越來越多的智能穿戴式設備、醫(yī)療儀器以及智能家居設備都將其加入到了自身的組件中，因此只要在手機端開發(fā)相應功能的APP即可滿足前面提到的問題，只要使用工作人員個人的智能手機，既不需要開發(fā)專門的終端設備，節(jié)省了一大筆成本，而且軟件升級速度也比硬件研發(fā)和生產(chǎn)快很多。

主流的智能手機終端操作系統(tǒng)中均包含了對藍牙4.0的支持：IOS系統(tǒng)中的CoreBluetooth框架，Android的BluetoothGatt組件、Window Phone8版本也開始支持藍牙4.0的功能。而且各大硬件廠家很多都已經(jīng)把藍牙作為其基本信息交互方式之一，在短距離傳輸時擁有很大的優(yōu)勢。

3 應用設計思路及分析

下面以IOS中實現(xiàn)方案來簡單描述一下系統(tǒng)流程(如圖1所示)。

過程分為兩個階段，即初始化階段和運行階段：

初始化階段主要是指將硬件設備安裝到電纜上，然后通過終端——智能手機上的APP對其進行設置，內容包括電力電纜的電壓等級、電纜線路名稱、電纜的起止點、電纜運行正常溫度及異常范圍、電纜運行正常濕度及異常范圍、電纜運行正常漏電值及異常范圍等基本信息，也可以根據(jù)不同情況錄入相關的其他自定義內容。

運行階段則需要首先打開手機藍牙功能，運行手機端APP程序，掃描并與藍牙設備配對，設備在初始化前的默認狀態(tài)是主從模式，此時通過手機連接可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)，通過在APP上設置具體的數(shù)據(jù)字段和內容，將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給設備作為存儲，保存后藍牙模塊將改變狀態(tài)為廣播模式，這時設備主要負責周期性的向外界發(fā)出廣播信號，這樣手機可以不用配對就獲取到相關的信息。注意，藍牙設備的廣播模式根據(jù)不同需求可細分為四種類型，我們選用的類型叫做Scannable Unbirected Event Type即可掃描非定向

廣播，這種廣播不會發(fā)起連接，但允許其他設備掃描該廣播設備，也就是說該設備可被發(fā)現(xiàn)，但不能建立連接，這種模式更適合專為廣播某些信息，可以將設備中存儲的信息以動態(tài)數(shù)據(jù)的方式包含于廣播數(shù)據(jù)中，也可以以靜態(tài)的方式包含在掃描相應數(shù)據(jù)中，這個要根據(jù)以后具體數(shù)據(jù)的多少來定。

另外，當工作人員在地面上使用APP掃描設備時即可得到井下藍牙廣播的信息內容，但為了防止任何設備都會訪問到廣播，可以將信息在發(fā)送端加密，再在APP端解密后顯示，由于設備處于非連接狀態(tài)，也就不需要擔心其他終端會連接到設備上，造成數(shù)據(jù)泄露。

另一個好處是通過APP可以記錄每次維護或檢查時的設備狀態(tài)，看到之前工作人員的維修記錄，這樣可以極大的減少由于不了解現(xiàn)場實際情況而帶來的不必要成本，采集到的歷史數(shù)據(jù)也可以在出現(xiàn)問題之后作為分析問題的一個重要依據(jù)，為解決問題帶來了很大的便利。而且如果將所有獲取到的設備信息提交至后臺的服務器，該設備還可以用于城市管網(wǎng)的其他方面，可以在未來的很多年里作為該城市大數(shù)據(jù)分析的基礎信息。

4 效果分析

1)針對電纜走向不明問題，使用藍牙4.0及其組件由于其體積微小則能利用便利貼的方式，每隔固定電纜段長設置一組，方便收集電纜管道內該電纜走向的預定信息，只需相關人員現(xiàn)場接受藍牙4.0發(fā)出的匹配信息，則可以輕松的找到該電纜的走向而不必逐一打開井蓋下井探明。

2)針對電纜運行狀況不明及運行環(huán)境不明的問題，利用藍牙4.0及其組件采集運行中該電纜的溫度、濕度、漏電電流等可測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至服務端以供后臺人員統(tǒng)計分析。如發(fā)現(xiàn)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)異常，則可直接報警，且顯示異常區(qū)域，方便運行維護人員更快更高效解決問題。如發(fā)現(xiàn)運行環(huán)境數(shù)據(jù)異常，則可在后臺顯示標記，待運行維護人員去現(xiàn)場探明。

簡單來說，因為我們的藍牙4.0及其組件體積小并且具有防水的性能，對使用環(huán)境的要求比較低，且具備超強的信息收集能力，它能夠幫助我們簡單方便、易操作實施、低成本的解決文中提出的問題。

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

[2] 深圳市信馳達科技有限公司.低功耗藍牙(BLE)模塊及協(xié)議v2.21u[Z].2015.

[3] 關東升.IOS傳感器應用開發(fā)最佳實踐[M].北京：清華大學出版社，2014.

[4] 金 純,李婭萍.BLE低功耗藍牙技術開發(fā)指南[M].北京：國防工業(yè)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

馮 磊(1984- )，男，在讀工程碩士，高級工程師； 王珊珊(1986- )，女，工程師

TU990.3

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