基于LoRa技術的電纜井實況監測系統設計與實現

王琦　王憲菊　賈國權　陳韜

摘要：本文介紹了一種基于LoRa技術的電纜井實況監測平臺。主要實現對電纜井內部的液位以及電纜關鍵節點的溫度集中監控，最終實現節約人力物力投入、電纜故障預警和及時高效指揮檢修的目的。

關鍵詞：電纜井監測平臺;物聯網;溫度監控;液位監控;LoRa

1.引言

近年來，電力設施布設逐漸由地上架空轉變為地下電纜線路，地下電纜線路關鍵節點會設有電纜井。然而電纜井由于內部結構問題常常會積水，往往會對電纜造成一定程度的腐蝕，不利于電纜的安全穩定運行;同時電纜節點由于其特殊結構，關鍵節點內部會積聚熱量，熱量過高同樣給電纜帶來了安全隱患。

2.電纜井實況監測系統的總體設計方案

數據采集層：數據采集是整套系統的最前端，本套系統采用液位傳感器、氣體傳感器以及溫度傳感器。

網絡傳輸層：選擇了網絡頻段免費的Lora組網，Lora網關采用以太網通訊。

中間服務器層： Lora終端的數據需要上報數據庫存儲，采用進行二次開發的中間件作為Lora服務器。

客戶端服務層：采用C/S架構，使用WPF框架開發客戶端界面，底層邏輯采用C#以及Python開發，使用Mysql作為數據存儲庫。

3.系統具體實施方案

3.1數據采集層

本項目采用MQ-2氣體傳感器、投入式液位傳感器和DS18B20溫度傳感器模塊分別對井內氣體、液位和電纜溫度進行測量。MQ-2氣體傳感器工作電壓DC5V，功耗電流150mA。氣體傳感器通過與Lora終端模塊通過AD轉換接口連接;液位傳感器測量范圍在0—5M水深，工作環境溫度在-40-85℃，采用DC24V供電方式，通過感受周圍液壓的變化;DS18B20溫度傳感器模塊，模塊采用3.3V供電，測溫范圍在-55℃-125℃。為了保證測量結構的準確性，本項目采用接觸式溫度傳感器。

3.2數據傳輸層

Lora是一種新興的Sub-1G無線通信技術，與普通的無線相比，它功耗更低，通信距離更遠^[1]。數據輸送到網關以后，使用以太網在安全可靠的的局域網里面進行井內信息的傳輸。

3.3中間件服務器

本項目選擇采用MySql作為數據存儲與讀取的中間部分。數據庫字段設計devEUI用來保存終端設備16位長地址并且設置為主鍵值確保其唯一性。Longtitude以及latitude用來保存終端設備的經緯度信息，從而結合地圖顯示終端地理位置信息。Time則為終端節點上報數據的時間，liquidlvl為終端設備上報的具體數據。

中間件可以實時管理終端節點信息，所有的終端節點將會根據組別在中間件顯示。

終端節點上報的信息會實時存儲在數據庫中，具體的傳感器信息經過Based64加密上報的中間件服務器，在客戶端顯示需要經過解密。

數據庫通過Python開發的程序進行管理，分為兩個部分。第一個部分通過中間件提供的API采用HTTP協議獲取中間件服務器中的終端設備號;第二個部分是Mqtt客戶端，通過Mqtt標準協議訂閱中間件服務器中Lora終端實時上報的傳感器信息。

3.4客戶端服務

客戶端采用WPF開發界面，底層邏輯部分使用C#語言。百度地圖API所在的HTML文件保存在中間件服務器中，中間件服務器提供網站服務。客戶端通過WPF中的WebBrowser控件加載遠程服務器中的HTML文件，再通過WPF中WebBrowser的方法InvokeScript實現與界面HTML中的JavaScript函數交互，實時的將后臺數據顯示在地圖界面上。

通過Python第三方庫“Requests”來與中間件服務器進行Http協議交互。中間件服務器提供各種信息調用API，此部分通過內置的第三方函數發送Http信息調用 “host：/api/v1/node/application/0000000000000001/0/100000”獲取連接上服務器的所有節點設備號，其中“0000000000000001”代表區分終端節點的應用號，“0”代表獲取的信息數據中的偏移量，“100000”表示獲取的節點總數量。

中間件支持Mqtt短消息設備通過Mqtt協議發布傳感器信息主題到Mqtt服務器。

Python開發從中間件獲取傳感器采集信息部分使用第三方庫“paho”訂閱Mqtt服務器主題“application/0000000000000001/node/+/rx“訂閱終端設備上報的傳感器信息。

payload為獲取的終端節點具體的上報信息。

4.結束語

本項目所創建的電纜井實況監測系統，提供了一種可行性較強且有實際意義的城市電力管理系統。通過本系統的實施推廣，可以在很大程度上減少供電部門的人力物力成本。在傳統電力行業加入互聯網，提高了系統的可靠性，能及時發現故障并處理。

參考文獻

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