基于NB-IoT與微信小程序的電力端子箱智能告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)寧德供電公司 連 暉 周震塵 黃娟娟

1 引言

端子箱是電力生產(chǎn)活動(dòng)中常見(jiàn)的一類設(shè)備，被廣泛部署于各種位置。當(dāng)前的電力生產(chǎn)環(huán)境中，運(yùn)維模式需要人員到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)將端子箱打開(kāi)，檢查箱體內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，將數(shù)據(jù)逐一測(cè)量、上報(bào)。當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣時(shí)，運(yùn)維人員仍須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，包括一些偏遠(yuǎn)的變電站來(lái)檢查端子箱的運(yùn)行情況。在這些極端情況，例如前述的我國(guó)沿海地區(qū)每年夏秋季節(jié)遭遇的臺(tái)風(fēng)條件下、北方地區(qū)冬季遭遇的暴雪環(huán)境下，檢修人員需要逐一確認(rèn)端子箱的狀態(tài)，例如是否存在意外開(kāi)啟、進(jìn)水、凍結(jié)等情況。當(dāng)前技術(shù)存在的主要缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，并且當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣時(shí)，運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)（特別是偏遠(yuǎn)變電站）檢查端子箱運(yùn)行情況。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與硬件技術(shù)水平不斷提高的大趨勢(shì)下，這一檢修過(guò)程可以使用更為便捷的方式進(jìn)行替代。在端子箱內(nèi)根據(jù)需要放置可移動(dòng)的便攜式溫濕度傳感器，令檢修人員能夠便捷地通過(guò)手機(jī)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在有需求時(shí)進(jìn)行告警，而無(wú)須頻繁地前去檢查端子箱狀態(tài)。對(duì)于地理位置比較偏遠(yuǎn)的端子箱，這種做法既能夠極大地減少運(yùn)檢人員的工作負(fù)擔(dān)，也能夠更快地在數(shù)據(jù)異常時(shí)候通知運(yùn)檢人員。

近年來(lái)，5G 通信技術(shù)的發(fā)展令通信變得更為便捷，但對(duì)于上述設(shè)備來(lái)說(shuō)，僅從物聯(lián)網(wǎng)角度來(lái)考慮，5G 環(huán)境下的信息數(shù)據(jù)的傳輸速度和功耗完全不具備優(yōu)勢(shì)，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band—Internet of Things，NB-IoT）作為一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，其低成本和低功耗的特點(diǎn)極為適合此類用于監(jiān)控溫濕度，具備無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)的情況[1]。

而在移動(dòng)端上，傳統(tǒng)的手機(jī)App 方式需要頻繁地下載安裝，在推廣時(shí)也需要單獨(dú)分發(fā)，用戶體驗(yàn)不佳，分發(fā)成本高。微信作為國(guó)內(nèi)當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端上安裝較多、使用頻繁的移動(dòng)應(yīng)用之一，是日活躍用戶達(dá)到6億以上的一種即時(shí)通訊工具，在其之上推出的微信小程序具有無(wú)須額外安裝和卸載，就可在微信內(nèi)便捷地獲取和傳播的優(yōu)勢(shì)，適合提供以內(nèi)容和服務(wù)為主，但又需要功能性的小應(yīng)用。本文研究并設(shè)計(jì)了一種結(jié)合NB-IoT 技術(shù)和微信小程序技術(shù)的便攜式溫濕度監(jiān)控設(shè)備及其配套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)令運(yùn)檢人員能夠利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)時(shí)地監(jiān)控端子箱環(huán)境內(nèi)的溫濕度，并在溫濕度異常時(shí)及時(shí)地進(jìn)行告警。

2 系統(tǒng)的體系與架構(gòu)

2.1 整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的端子箱智能告警系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別是NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件，數(shù)據(jù)服務(wù)器及微信小程序。NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊應(yīng)置于端子箱內(nèi)，其應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)當(dāng)前端子箱內(nèi)的溫度與濕度，并將數(shù)據(jù)按照規(guī)定協(xié)議向數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行提交。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件發(fā)送來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)的有效性與安全性進(jìn)行校驗(yàn)，在確認(rèn)無(wú)誤后記錄至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

數(shù)據(jù)服務(wù)器在將接收到的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)后，應(yīng)當(dāng)按照擬定的規(guī)則判斷該數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)，若為異常數(shù)據(jù)的話需要主動(dòng)推送信息至微信小程序，或采用其他方法來(lái)對(duì)運(yùn)檢人員進(jìn)行告警。微信小程序模塊由運(yùn)檢人員在手機(jī)移動(dòng)端進(jìn)行操作，在鑒權(quán)后能夠查看各個(gè)NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件上報(bào)的數(shù)據(jù)，并接收由數(shù)據(jù)服務(wù)器推送而來(lái)的告警信息。為了增加系統(tǒng)的擴(kuò)展性，系統(tǒng)允許任意滿足規(guī)范的NB-IoT監(jiān)測(cè)硬件模塊與系統(tǒng)進(jìn)行接入。

2.2 數(shù)據(jù)交互流程與安全措施

數(shù)據(jù)交互流程及該過(guò)程中的安全措施是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性起到至關(guān)重要的作用。在本系統(tǒng)中，三個(gè)組成部分的數(shù)據(jù)交互方法大致如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交互流程

其中，NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊的數(shù)據(jù)使用單向模式與數(shù)據(jù)服務(wù)器交互。在NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊提交的數(shù)據(jù)中，除了必要的溫濕度信息、時(shí)間戳外，還需要包含提前寫入的每個(gè)NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊所獨(dú)有的硬件標(biāo)簽信息，以及將硬件標(biāo)簽信息與所發(fā)送的數(shù)據(jù)依據(jù)進(jìn)行MD5計(jì)算后得出的校驗(yàn)簽名數(shù)據(jù)。

使用單向信息交互是為了保證數(shù)據(jù)服務(wù)器的任意意外事故不會(huì)影響到NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件的日常工作，即便數(shù)據(jù)服務(wù)器出現(xiàn)了意外事故或遭到了安全攻擊，也不會(huì)影響到NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件的日常工作。即便數(shù)據(jù)服務(wù)器遭遇了意外停機(jī)、自然災(zāi)害等事故，NB-IoT監(jiān)測(cè)硬件也不會(huì)因此受到影響，仍會(huì)持續(xù)地上報(bào)數(shù)據(jù)，因而在數(shù)據(jù)服務(wù)器恢復(fù)工作后能夠迅速恢復(fù)工作。

使用硬件標(biāo)簽信息與校驗(yàn)簽名能夠有效地對(duì)硬件進(jìn)行鑒權(quán)操作，防止授權(quán)外的硬件向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，也能夠阻止常見(jiàn)的重放攻擊等攻擊方式。由于NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間采用單向模式，其可能遭受的攻擊方法較為有限。重放攻擊，也稱為新鮮性攻擊，即攻擊者通過(guò)重放消息或消息片段達(dá)到對(duì)主體進(jìn)行欺騙的攻擊行為，其主要用于破壞認(rèn)證正確性。

重放攻擊是數(shù)據(jù)服務(wù)器可能遭受的攻擊行為中危害較為嚴(yán)重的一種，因?yàn)榇祟惞魰?huì)造成數(shù)據(jù)服務(wù)器無(wú)法真實(shí)獲取NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，令運(yùn)檢人員無(wú)法在線對(duì)端子箱狀況進(jìn)行巡檢。為了應(yīng)對(duì)此類重放攻擊，NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，需要在提交的數(shù)據(jù)中包含當(dāng)前時(shí)間戳以及自身的獨(dú)特硬件信息標(biāo)簽，并使用MD5方法為上述信息進(jìn)行簽名。

簽名后的數(shù)據(jù)以HTTPS 方法進(jìn)行加密交互，以避免第三方竊取數(shù)據(jù)內(nèi)容。時(shí)間戳能夠保證消息在一段時(shí)間內(nèi)的新鮮性，主體只接收時(shí)間戳與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的差值在設(shè)定范圍之內(nèi)的消息。通過(guò)上述方法，攻擊者僅能重放NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊在相近時(shí)間（如10s 內(nèi)）內(nèi)向數(shù)據(jù)服務(wù)器提交的數(shù)據(jù)。由于該時(shí)間較為短暫，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性造成的影響不大，可以基本避免重放攻擊造成的危害。

數(shù)據(jù)服務(wù)器與微信小程序模塊之間的數(shù)據(jù)交互遵照微信小程序官方的開(kāi)發(fā)原則，按雙方模塊需求進(jìn)行通信。通常來(lái)說(shuō)，只有在NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件上報(bào)異常數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)服務(wù)器才會(huì)主動(dòng)向微信小程序推送異常信息，以此對(duì)使用小程序運(yùn)檢人員進(jìn)行告警。而微信小程序在使用時(shí)會(huì)主動(dòng)向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求顯示在小程序當(dāng)中。為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全，避免數(shù)據(jù)篡改，微信小程序用戶對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器僅有讀取的權(quán)限，而無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，能夠保證數(shù)據(jù)服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)不被意外修改。數(shù)據(jù)服務(wù)器與微信小程序之間的數(shù)據(jù)交互全程使用HTTPS 方法進(jìn)行加密交互，能夠有效防止惡意第三方竊取數(shù)據(jù)。

3 NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊

根據(jù)NB-IoT 技術(shù)廣覆蓋、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)，本文研制了一種基于NB-IoT 的低功耗溫濕度采集器。該采集器以低功耗，性能良好的STM8微控制器作為主控芯片，搭配低功耗的NB-IOT 模組BC26和高精度溫濕度傳感器，定時(shí)將MCU 從休眠狀態(tài)喚醒并將數(shù)據(jù)上傳至后端數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在一定程度上解決傳統(tǒng)的GPRS，ZigBee 等通信技術(shù)功耗大、成本高、組網(wǎng)復(fù)雜的問(wèn)題。為檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，將采集器置于室內(nèi)數(shù)日進(jìn)行了空氣溫濕度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示其具有較高的可靠性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效上傳率達(dá)99.72%為測(cè)試系統(tǒng)的功耗，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)采集器進(jìn)行功耗試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其功耗較低，可以實(shí)現(xiàn)一節(jié)鋰離子電池供電長(zhǎng)達(dá)3年以上的目標(biāo)[2]。

NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件模塊主要包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣式外殼、控制模塊、NB-IoT 通信模塊、溫濕度檢測(cè)模塊及電池模塊。其中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣式外殼依據(jù)部署的方法，可根據(jù)需求進(jìn)行更換，以便更好地進(jìn)行部署。由于端子箱空間有限，所需部署的端子箱依據(jù)時(shí)間、氣候不同可能有所切換，根據(jù)上述特點(diǎn)，本模塊也盡可能地減小了所占用的體積，以便置于端子箱內(nèi)及更換所部署的位置。其可以簡(jiǎn)單地放置在端子箱內(nèi)而無(wú)須額外固定，以便于運(yùn)檢人員進(jìn)行部署。其體積小、重量輕，運(yùn)檢人員在單次巡檢過(guò)程中便可以攜帶多個(gè)設(shè)備，按需求進(jìn)行部署。NBIoT 監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)大致如下：數(shù)據(jù)上報(bào)頻率＞60次/小時(shí)、設(shè)備重量＜500g、設(shè)備續(xù)航時(shí)間＞30h。

4 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序是運(yùn)檢人員在移動(dòng)端對(duì)放置有NBIoT 監(jiān)測(cè)設(shè)備的端子箱進(jìn)行在線巡檢的人機(jī)交互界面。出于安全因素考慮，本文設(shè)計(jì)的微信小程序不使用常見(jiàn)的注冊(cè)制。在使用前，運(yùn)檢人員首先必須向系統(tǒng)的管理人員索取賬號(hào)及密碼，在微信小程序上使用賬號(hào)與密碼登錄小程序，并可以綁定自身微信賬號(hào)以便獲取告警信息的消息推送。出于安全原因，管理人員可能會(huì)定期更換系統(tǒng)內(nèi)的賬號(hào)與密碼。賬號(hào)與密碼更換后，所綁定的微信賬號(hào)也會(huì)自動(dòng)失效。運(yùn)檢人員在使用賬號(hào)密碼鑒權(quán)完成后，便能夠查看自身權(quán)限范圍內(nèi)所有NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件所上報(bào)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)異常的設(shè)備或數(shù)據(jù)項(xiàng)將會(huì)得到突出，以便運(yùn)檢人員注意。

微信小程序的常規(guī)界面中包含有一個(gè)使用紅色標(biāo)題，代表了存在異常告警的設(shè)備，令運(yùn)檢人員能夠便捷地發(fā)現(xiàn)包含有異常數(shù)據(jù)的設(shè)備。在點(diǎn)擊設(shè)備名稱進(jìn)入設(shè)備詳情后，運(yùn)檢人員也可以查看NBIoT 監(jiān)測(cè)設(shè)備過(guò)往上報(bào)的數(shù)據(jù)，能夠快速追溯端子箱內(nèi)NB-IoT 監(jiān)測(cè)硬件所上報(bào)的歷史數(shù)據(jù)，確定告警事故發(fā)生的具體時(shí)間。

使用微信小程序的優(yōu)點(diǎn)與不足。傳統(tǒng)的系統(tǒng)大都借助App 方法作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)端的人機(jī)交互方法。雖然App 能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮槿娴姆?wù)功能，但在本文提出的此類系統(tǒng)中，終端用戶（運(yùn)檢人員）對(duì)系統(tǒng)的使用頻率不高，系統(tǒng)的復(fù)雜性也較低。在這種情形下，使用微信小程序替代APP 作為終端用戶的人機(jī)交互界面將更為有利。由于系統(tǒng)使用頻率不高，微信小程序與App 在啟動(dòng)消耗時(shí)間上將基本不存在劣勢(shì)。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性不高，因此微信小程序在功能與效果上也不會(huì)存在太大欠缺。除此之外，微信小程序?qū)⒈華pp 方法還有無(wú)須安裝，便于分發(fā)、易于更新、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合用作本文提出的此類系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

隨著技術(shù)或需求的不斷變更，本系統(tǒng)的需求也可能不斷迭代升級(jí)。傳統(tǒng)的App 方法在升級(jí)時(shí)較為煩瑣，需要使用應(yīng)用商店進(jìn)行分發(fā)，或以安裝包的形式下發(fā)到終端用戶進(jìn)行升級(jí)。同時(shí)，還需要考慮不同系統(tǒng)，如Android、iOS 之間的差異，其分發(fā)與開(kāi)發(fā)成本較大。微信小程序能夠自動(dòng)升級(jí)，無(wú)須額外的分發(fā)過(guò)程，極大地便利了運(yùn)檢人員的使用。考慮到上述原因，本文認(rèn)為使用了微信小程序而不是App 作為系統(tǒng)的人機(jī)交互方法，能夠極大地降低用戶的使用成本及開(kāi)發(fā)成本，更為適合本文提出的監(jiān)控告警系統(tǒng)。

但與傳統(tǒng)的App 模式相比，微信小程序在流暢程度、對(duì)復(fù)雜功能的支持水平上，還存在一定的不足。由于必須通過(guò)微信賬號(hào)登錄系統(tǒng)，其在用戶管理上也受到了一定程度的限制。雖然目前對(duì)系統(tǒng)造成的影響暫時(shí)可以忽略不計(jì)，但仍須進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過(guò)了多次實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可靠，并具有一定的拓展性。與傳統(tǒng)的人工巡視相比，巡視頻率從平均14天縮短至0.5天。運(yùn)檢人員可在雨天實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)端子箱環(huán)境情況，巡視時(shí)間平均由包含往返路程在內(nèi)的5h/站縮短至約0.25h/站，且無(wú)需進(jìn)行實(shí)際往返。人工成本從2人/次降低至1人/次，具備一定的經(jīng)濟(jì)性。