基于LoRa無線通信技術的變電站環境感知節點設計

盛亞杰 赫樹開 曾曉哲 王幸輝 侯新梅

摘? 要：針對變電站感知終端碎片化嚴重，物聯網技術應用不足的問題，基于LoRa低功耗無線通信技術，采用無線通信模塊、微控制單元設計開發一種可擴展、低功耗、無線化的智能感知節點，該感知節點可對變電站環境狀態傳感參量進行數據采集及傳輸。測試結果表明：感知節點數據遠傳的穩定性好，在1 500 m范圍內通信丟包率為0，感知節點消耗電能約為4.62 mAh/D，有效工作時長可達5年。該節點的設計可為變電站環境狀態的智能監測提供一定的參考依據。

關鍵詞：LoRa；無線通信技術；感知節點；信息傳輸；變電站環境狀態

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：2096-4706（2023）02-0161-04

Design of Substation Environment Awareness Node Based on LoRa Wireless Communication Technology

SHENG Yajie1， HE Shukai1， ZENG Xiaozhe1， WANG Xinghui1， HOU Xinmei2

（1.Henan Relations Co.， Ltd.， Zhengzhou? 450001， China; 2.School of Physics， Zhengzhou University， Zhengzhou? 450001， China）

Abstract： In view of the serious fragmentation of the substation sensing terminal and the insufficient application of the Internet of Things technology， based on LoRa low power consumption wireless communication technology， a scalable， low power consumption， wireless intelligent sensing node is designed and developed using wireless communication modules and micro control units. The sensing node can collect and transmit the data of the substation environmental state sensing parameters. The test results show that the data transmission of the sensing node is stable， the communication packet loss rate is 0 within 1 500 m， the power consumption of the sensing node is about 4.62 mAh/D， and the effective working time can reach 5 years. The design of the node can provide some reference for intelligent monitoring of substation environmental status.

Keywords： LoRa; wireless communication technology; sensing node; information transmission; substation environment state

0? 引? 言

“萬物互聯”已成為全球網絡未來發展的重要方向。隨著計算機信息技術和網絡技術的快速發展，物聯網技術已廣泛應用于社會生產生活的方方面面，諸多行業也在不斷挖掘物聯網技術的內在潛力，有力推動著我國產業改革和升級工作的發展[1-3]。物聯網技術與工業領域的結合已成為當今時代的重要發展趨勢[4]。隨著經濟的發展，人們對供電數量及質量的要求都在不斷提升，打造智能電網，實現供電系統的可持續發展是電力行業亟需解決的重要課題[5]。

目前智能電網已從普及蓄力期進入完善增長期，智能變電站改造是未來智能電網規劃建設項目的重要組成部分，其感知層運用傳感技術采集變電站的環境狀態信息，再通過無線通信技術對數據進行傳輸和匯聚。但目前變電站感知終端碎片化嚴重，物聯網技術應用深度不夠，表現為所需終端種類雜，感知設備多，數據傳輸方式多樣，這一現狀給智能變電站的推進工作帶來很大的困難。另外，智能電網相關報告指出要持續大力推進新一代電網傳感技術的深度發展，使傳感網系統終端平臺向著微型化、智能化、無線化、多功能化應用方向發展[6]。

針對智能變電站建設的實際應用需求和電網傳感的發展趨勢，基于《輸變電設備物聯網傳感器數據規范》文件，采用低功耗遠距離無線通信（LoRa）、微控制等技術，設計一種可擴展、低功耗、無線化的智能感知節點。該節點可對變電站的環境狀態進行數據采集，通過無線通信技術傳輸信息，為解決感知終端碎片化問題提供理論和技術支撐。

1? 整體結構及原理

綜合考慮感知節點的功耗和可擴展性，本文設計開發了一種基于LoRa通信技術的低功耗通用型感知節點。該節點主要由無線通信模塊、電源模塊、微處理器單元（MCU）、傳感接口模塊組成，其結構如圖1所示。工作時，傳感接口模塊可通過預留接口對接多種類型的傳感器，將采集到的信號傳遞至微處理器單元。MCU微處理器單元選擇國產GD32系列低功耗芯片作為系統的主控制器，用來處理、存儲傳感器采集的數據，協調和控制其他模塊的工作。通信模塊以低功耗無線通信方式傳輸微處理器單元處理過的數據，同時也接收執行北向設備下發的控制命令。電源模塊包含電池和電源管理模塊，為其他模塊動態提供穩定的工作電壓。

1.1? 微控制單元

微控制單元（MCU）采用國產的低功耗GD32F103C8T6芯片，具有體積小、片上資源豐富、計算能力強、工作待機電流小、部署便捷、操作靈活等優勢。該芯片以高性能的處理器架構ARMCortex-M3RISC為工作核心，提供高達108 MHz的工作核心頻率，內置16 KB～3 MB的Flash，擁有極為豐富的內外雙設備接口。通過合理的接口設計，可滿足變電站環境狀態實時監測時所需接入傳感器的空間要求。該芯片在待機模式下電流只有3.6 μA，僅需5 μs即可喚醒，滿足低功耗設計、長時間監測需求。

微控制單元預留多個接口與傳感接口相連，采集溫度、濕度、水浸、水位、微氣象等環境數據，其中GPIO口連接LED燈、仿真器接口、USB轉TTL串口和一般按鍵，VDD口連接的是電源模塊；TIM口連接到時鐘，NRST口連接到Reset按鍵。MCU處理完接收到的數據后，將UART接口與LoRa通信模塊相連上傳至匯聚節點，其結構如圖2所示。

1.2? 無線通信模塊設計

為實現傳感器無線化設計，感知節點與北向設備之間的數據和指令采用無線通信傳輸方式，LoRa運行在免授權頻段，通信距離可達15 km，與無線短距離通信（Wi-Fi、藍牙）、蜂窩網絡系統（NB-IoT）幾種成熟可行的技術相比，具有通信距離遠、建設及運行成本低、可靈活組網等優點，適合用于發送小數據量及定期大范圍使用電池供電方式的物聯網終端設備，故為保證傳輸速率和低功耗的要求，本文采用LoRa無線通信技術進行設計[7]，如表1所示。

LoRa模塊采用SEMTECH的射頻芯片SX1268，通過UART接口與MCU模塊交互。模塊的UART接口參數默認設置為波特率9 600 bps，數據位為8，無奇偶校驗，1位停止位。模塊具有主動和被動兩種通信模式，主動模式下通信模組控制整個傳感器的工作，可主動喚醒、獲取傳感器數據。被動模式下通信模組由傳感器控制，可被喚醒，被斷電；另外支持電網相關協議可將數據周期性上傳。LoRa模塊接線圖如圖3所示。

1.3? 傳感接口設計

由于傳感器種類繁多、接口各異，信號類型及交互協議也各式各樣，缺乏統一的標準，導致終端功能擴展困難。本文依據《輸變電設備物聯網無線傳感器數據規范》標準協議，設計一個通用性較強的傳感接口，具備多物理接口，傳感器即插即用的功能，用以實現傳感器類型識別。該接口需要匹配識別多類型傳感器，同時完成信號通信的工作。傳感接口標準根據傳感器輸出信號、電氣特性及接線方式進行嚴格分類，針對不同傳感器輸出信號類型，采用層次布局結構，設計接口模塊。此外，MCU微控制單元預留豐富的接口，配置專用協議UART串口轉換芯片，具體工作方式為傳感器感知的實時信號通過接口模塊傳輸至MCU，MCU將處理過的數據經由UART透明傳輸至上行通信。該設計方案可適配大多數傳感器，實現傳感器即插即用，提高兩感知節點的通用性和可擴展性。

1.4? 電源模塊設計

電源模塊包含兩個部分，分別為電池模塊和電源管理模塊。電池采用ER26500H鋰亞電池，電源管理單元由LM2596S電源穩壓模塊和電源轉換芯片組成，用以實現感知節點無線化設計及電源的動態管理，如圖4所示。鋰亞電池容量為8 500 mAh，3.6 V，年自放電率＜1%，用于微處理器、其他模塊及外圍的供電。在正常工作狀態下，溫濕度傳感器、水浸傳感器、水位傳感器電壓為3.3 V，煙霧傳感器的電壓為12 V，微控制單元的電壓為3.6 V。LM2596S穩壓模塊輸入電壓為3.2 V～40 V，輸出電壓范圍為1.25 V～35 V，輸入電流為3 A，空載下為18 mA，符合該節點電源管理設計要求。根據各傳感器或模塊需要的電壓設計相應的程序，將程序燒錄至電源轉換芯片。電源管理模塊依據程序調度節點資源配置，滿足節點上各模塊的電壓需求，能使電能效益最大化，實現安全穩定的供電。

2? 軟件設計

傳感器成功接入感知節點并采集變電站環境狀態的信息需要經過三個步驟，分別是硬件接入、配置文件解析及感知節點初始化。傳感器模組的屬性、ID等參數按照國網《輸變電設備物聯網傳感器數據規范》進行配置。傳感器模組通過硬件接口與感知節點連接后，傳感器模組將配置文件發送給感知節點，感知節點對文件進行接收和解析，若感知節點接收到文件并成功解析，則傳感器模組接入正常。若感知節點未接收到文件或者解析失敗會連續再接收三次，若接收文件接連失敗，則傳感器接入異常。傳感器接入感知節點后各個模塊進行自檢，以確保初始化正常，然后感知節點根據下行到指定節點的時間，周期性啟動傳感器模組采集環境數據，并將數據通過LoRa上送，同時接收下發的新指令，感知節點軟件流程如圖5所示。

3? 性能測試

為進一步驗證該感知節點的實用性，需對其進行可擴展性、丟包率及功耗測試。

3.1? 擴展性測試

分別將溫濕度傳感器、水浸傳感器及水位傳感器接入感知節點，通過sscom串口工具對感知節點進行調試，經過初始化設置后，串口工具可收到每個傳感器發送的數據包，表明傳感器可成功接入，感知節點具備可擴展性。

3.2? 丟包率測試

為模擬變電站較為復雜的通信環境，選擇在園區內進行通信丟包率測試，在不同的距離使用串口調試工具收發100組數據，在1 500 m范圍內該感知節點的通信丟包率為0，在2 000 m范圍內丟包率為5%，這些數據證實了節點數據遠傳的穩定性，結果如表2所示。

3.3? 功耗測試

感知節點工作模式分為采集模式、接收模式、發送模式及休眠模式，節點初始設置10 min為一個工作周期，節點采集收發一次數據后，自動進入休眠模式等待下一次采集收發。利用萬能表測量節點工作模式下的電流，采集模式下Ig=20.3 mA，Tg=0.1 s；接收模式Ia=40.62 mA，Ta=0.1 s；發送模式下Is=46.48 mA，Ts=0.1 s；休眠模式下Isl=14 μA，Tsl=999.7 s。根據式（1）計算節點一天需消耗的電能，測試結果如表3所示。

（1）

按照表3每10 min為一個工作周期，每天需消耗電能約為4.62 mAh，考慮到電池大概10%的損耗，計算出感知節點的有效工作時長可達5年。

4? 結? 論

本文基于LoRa無線通信技術的優勢，結合傳感器、MCU、電池管理等技術研發了一種變電站環境狀態下的通用型感知節點。經過可擴展性、丟包率及能耗測試，驗證了該節點數據發送可靠，工作穩定，且具有通用性強、功耗低、無線化設計及實用性高等優勢，對于物聯網技術在變電站中的應用具有一定的啟發。

參考文獻：

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[7] 程亞軍.基于LoRa技術遠距離無線通信模塊的研究與設計 [D].重慶：重慶郵電大學，2018.

作者簡介：盛亞杰（1992—），女，漢族，河南周口人，助理工程師，碩士，研究方向：智能化傳感器的研究。

收稿日期：2022-09-13