基于NB-IoT的農村儲能監測系統

陳子晗

（上海電力大學，上海 200000）

在“碳達峰”“碳中和”大力普及的背景下，農村新能源得到了大力發展，太陽能、風能為主的清潔能源正逐步改善著新農村配電網的結構。同時儲能系統的大力建設也對儲能裝置的建設提出了新的要求。

NB-IoT是一種基于蜂窩的物聯網技術。其整個網絡系統建立在蜂窩網絡的基礎上。僅消耗約180 kHz帶寬，可部署于GSM、LTE、UMTS等網絡，降低網絡部署成本。同時，可以快速實現網絡平滑升級[1-2]。隨著5G技術的成熟發展和人們需求的推動，工業已進入4.0時代。社會各行各業都在發生翻天覆地的變化和變革，智能化、快速化、精確化的發展方向已成為共同的追求。在這種環境下，一種基于蜂窩移動網絡的全新物聯網技術應運而生[3]。NB-IoT技術優化了4G網絡的架構，具有獨特的技術特點和優勢。隨著社會的快速發展，越來越多的低速、高時延設備被生產出來，使得NB-IoT技術得到廣泛應用。由于智能微電網、智能電表等監控領域對數據傳輸的延遲不敏感，NB-IoT蓬勃發展。

伴隨著物聯網技術的快速發展，NB-IoT技術逐漸應用于智能監控場景，NB-IoT終端數量快速增長。將NB-IoT技術引入到智能監控領域，沒有技術障礙，可以標準化推廣。另一方面，NB-IoT可以將現場數據通過網絡傳送到遠程主站，時效性更強。

1 監測系統總體設計

系統的總體設計原理圖如圖1所示。系統主要由監測端、NB-IoT模塊、云平臺3部分組成。監測端使用AT32F403A型微控制器和SH367309BMS芯片，負責采集儲能電池的狀態數據，保持與NB-IoT模塊，使通信完成數據的上傳和下發[4]。NB-IoT模塊使用的是WH-NB75-BA型產品，支持CoAP協議和UDP協議，通過串口和控制器連接再將數據通過網絡發送至遠程監控中心，實現了模塊到云平臺的雙向數據透明傳輸。云平臺采用的是有人透傳云，利用AT命令配置應用程序，實現數據的遠程監控。

圖1 系統總體框架

2 硬件結構

2.1 控制器與監測芯片

SH367309BMS芯片適用于5-16串鋰電池保護，足夠監測總電壓不超過70 V的鋰電池包，擁有13bit－VADC用于采集電池的溫度、電壓以及電流，轉換頻率可以達到10 Hz，其中包括了16路電壓采集通道，1路電流采集通道和3路溫度采集通道。同時內置EEPROM，支持100次的編程擦除次數。芯片可以完成充電過電流、過充電、過放電等硬件保護功能，同時還進行對電池包每節電芯的電壓、充放電流以及監測點的溫度實時監控。

微控制器使用的是AT32F403A型，該控制器集成了足夠應用于工業控制現場監測的接口電路，內置1 024K字節的閃存存儲器，96+128K字節的SRAM，是一款帶有ARM內核的32位處理器。工作電壓范圍為2.6～3.6 V，在-40～105℃工作溫度范圍內可以正常工作，為滿足監測領域的功耗要求提供了3種省電模式，非常適用于監測控制系統，具有低功耗、高可靠性和低成本的優勢。監測芯片與控制器的外圍接線如圖2所示。

圖2 監測芯片與控制器的外圍接線

2.2 NB-IoT模塊與透傳云

NB-IoT模塊采用WH-NB75-BA實現了設備與網絡服務器通過網絡相互傳輸數據。模塊支持2路簡單透傳、6路指令傳輸和1路CoAP協議。網絡發送接收緩存和串口發送接收緩存都可以達到1 024字節。溫度范圍為-35～75℃，工作濕度為5%～95%（無凝露），可以滿足農業現場監測的需求，達到穩定高效的工作。

2.2.1 NB-IoT的低功耗機制

為了解決功耗的問題，NB-IoT網絡引入了PSM和eDRX技術極大地降低了終端的能耗，使得設備的使用時間大大延長[5]。PSM指終端用戶進入功率節省狀態，此時終端不接受無線側傳呼，沒有消息交互處于最省電狀態，最大可能降低功耗。此模式下只有終端主動上傳數據，平臺才能數據下發。eDRX是指為了進一步減少終端空閑狀態監聽網絡下發數據的尋呼數據，擴展尋呼周期減少監聽網絡尋呼時間，從而降低功耗。此模式下平臺可以下發數據，如果通信處于尋呼窗口則終端立刻接收數據，如未處于窗口時間，網絡則會緩存數據。NB75測試的狀態功率消耗情況見表1。

表1 NB型功率消耗

2.2.2 有人透傳云平臺

為了更好地實現NB-IoT的低功耗特點，模塊增加了休眠模式，通過降低或者不主動接受服務器數據達到低功耗的目的，并且因為IoT模塊目前只支持UDP協議，在其內部增加CoAP協議使得數據更好傳輸。本監測系統使用的有人云平臺支持CoAP協議，在透傳云中進行設備的添加，就可以通過一條AT指令實現將數據百分百發送到服務器，內置的CoAP協議也保證了數據傳輸機制的準確性。

3 監測軟件設計

3.1 總體軟件系統設計

電池監測芯片在主控器AT32F403A的控制下完成電池的溫度、電壓電流的數據采集和簡單的電流電壓保護以及數據傳送至NB-IoT模塊，實現系統遠程監控。微控制器和采集模塊之間采用I2C通信協議通信產生起始和停止信號、CRC校驗碼用以確保通信的準確性，同時使用的DMA可以用來減輕CPU占用資源。微控制器和NB-IoT模塊之間采用的是UART通信，實現數據的高速傳輸。電池的數據采集需要設置一個中斷定時，否則大量的實時監測數據的上傳不僅會占用控制器的處理內存，而且會加大NB-IoT模塊上傳下發數據的壓力，造成網絡擁擠影響數據的精確性和系統的穩定性。系統的整體開發環境為Keil5，編程語言為C語言，通過控制器集成的AT-Link-EZ編程和調試工具即可對AT32F403A進行調試。系統的總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件系統總體流程

3.2 NB-IoT模塊與有人云軟件系統設計

首先登陸透傳云配置設備和透傳云地址，設置完成后重啟模塊查詢駐網，利用AT+NMGS命令發射確認信息，確認后就可以將數據發送給NB-IoT模塊再上傳至服務器[6]。在NB-IoT控制臺中將模塊設置為透傳模式，使用虛擬串口從云端拉取采集數據并顯示，方便進行實時監控。

4 結論

本系統設計了基于NB-IoT技術的農村微電網儲能電池的狀態監測，能夠實時地采集到電池的溫度、電壓、電流的狀態信息，同時完成電池的保護和故障警示功能。結合遠程的監控中心可以完成對數據的處理分析，方便協助運維人員對儲能設備的管理，大大地提高了農村儲能運行的工作效率，具有一定的實際使用價值。