引言

基于對(duì)局部氣象信息的監(jiān)測(cè)需求,國(guó)內(nèi)換流站、變電站一般裝設(shè)有小型氣象站。從安全角度考慮,小型氣象站一般裝設(shè)于遠(yuǎn)離變電設(shè)備區(qū)域的辦公區(qū)域樓頂,但換流站、變電站內(nèi)人員一般集中于設(shè)備區(qū)域的監(jiān)控值班室,監(jiān)控值班室與辦公區(qū)域有一定的距離,在惡劣天氣情況下,工作人員難以前往小型氣象站安裝點(diǎn)查看氣象信息。目前常見的做法是采用以太網(wǎng)絡(luò)或RS485總線將氣象信息傳送至監(jiān)控值班室,在監(jiān)控值班室采用電腦客戶端查看。采用以太網(wǎng)絡(luò)或者RS485總線傳輸,需要事先布置網(wǎng)線或RS485雙絞線,對(duì)于未事先布置網(wǎng)線或RS485雙絞線的老舊換流站或者變電站來(lái)說,施工難度大、費(fèi)用高,以太網(wǎng)絡(luò)涉及網(wǎng)絡(luò)安全,易造成網(wǎng)絡(luò)安全問題。低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)LPwAN,作為蜂窩M2M連接的有效補(bǔ)充方案[1],加速了物聯(lián)網(wǎng)在低功耗、低成本、廣覆蓋、大容量方面的發(fā)展。本文將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到氣象信息收發(fā)裝置中,旨在設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確可靠、方便操作的氣象終端。

1總體設(shè)計(jì)

換流站、變電站的氣象站智能無(wú)線收發(fā)裝置整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,分為發(fā)送端和接收端。發(fā)送端可對(duì)氣象站信息進(jìn)行采集,并通過無(wú)線傳輸方式將信息發(fā)布到各接收終端,實(shí)現(xiàn)不同位置遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)氣象信息的功能。氣象站智能無(wú)線收發(fā)裝置發(fā)送端和接收端采用先進(jìn)的LoRa擴(kuò)頻無(wú)線通信技術(shù),具備傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需預(yù)敷設(shè)電纜等特點(diǎn)。氣象站智能無(wú)線收發(fā)裝置發(fā)送端和接收端間的通信規(guī)約可根據(jù)用戶需求進(jìn)行自定義,避免通信信息泄漏,安全性高。發(fā)射端向上與氣象站根據(jù)ModbuS通信規(guī)約通過RS485方式連接,向下借助LoRa網(wǎng)絡(luò)的超長(zhǎng)距離無(wú)線通信能力與接收端連接,通信發(fā)射端與接收端采取同樣的硬件架構(gòu),通過軟件進(jìn)行切換,硬件及模具通用,可有效降低設(shè)備開發(fā)成本。

2系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)CPU主控芯片采用ST公司高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的STM32F1系列32位CPU,該系列CPU具有豐富的硬件外設(shè)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的運(yùn)算能力。發(fā)射端/接收端硬件架構(gòu)圖如圖2所示,以CPU主控芯片為中心,外接主時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)單位、LoRa通信單元、HMI單元、USB及RS485通信接口。

2.1.1LoRa通信單元設(shè)計(jì)

LoRa通信單元采用SEMTECH公司Sx1278射頻芯片,工作頻段為410～441MHz,為國(guó)內(nèi)免許可的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）開放頻段。LoRa單元支持LoRa擴(kuò)頻技術(shù),相比傳統(tǒng)的433頻段通信,具有通信距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)有極強(qiáng)的保密性。LoRa單元帶有PA功率放大器與LNA低噪聲放大器,從而提高通信穩(wěn)定性。采用工業(yè)級(jí)有源溫補(bǔ)晶振,保證LoRa單元的頻率穩(wěn)定性與一致性。LoRa單元支持定點(diǎn)傳輸、廣播傳輸、信道監(jiān)聽3種工作模式。在使用電池供電時(shí),支持空中喚醒模式,使功耗大幅降低。LoRa單元具備FEC前向糾錯(cuò)功能,保證通信穩(wěn)定性。LoRa單元發(fā)射功率可通過軟件進(jìn)行多級(jí)調(diào)節(jié)。LoRa單元通過SPI總線或者USART接口與CPU連接。

2.1.2HMI單元設(shè)計(jì)

HMI單元采用電容式觸摸屏,具備直觀的人機(jī)交換功能。HMI單元采用IPS液晶顯示屏,可視角度達(dá)1789,16bit色深,分辨率根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選擇800×480或1024×600等多種分辨率。HMI單元具有較寬的工作溫度范圍,可在-20～70℃的溫度區(qū)間正常工作。HMI單元采用USART接口與CPU連接。

2.1.3主時(shí)鐘單元設(shè)計(jì)

為系統(tǒng)運(yùn)行提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘數(shù)據(jù),時(shí)鐘單元采用高精度時(shí)鐘芯片DS3231,0～40℃內(nèi)精度為士2×10-6,-40～85℃內(nèi)精度為士3.5×10-6。主時(shí)鐘單元可產(chǎn)生秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年計(jì)時(shí),并提供有效期到2100年的閏年補(bǔ)償。主時(shí)鐘單元配置有電池,在裝置掉電時(shí)可保持時(shí)鐘繼續(xù)提供精確的計(jì)時(shí)。主時(shí)鐘單元采用IIC總線與CPU連接。

2.1.4EEPROM存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

EEPROM存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)裝置的參數(shù)信息,確保在裝置掉電時(shí)重要參數(shù)信息不丟失。EEPROM存儲(chǔ)單元采用IIC總線與CPU相連。

2.1.5SD卡存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

SD卡存儲(chǔ)單元用于對(duì)氣象站的氣象信息以及該氣象信息的時(shí)間戳進(jìn)行保存。SD卡存儲(chǔ)單元可支持32G以下的SD卡,按每分鐘一個(gè)采樣點(diǎn),采集4類氣象信息,可存儲(chǔ)不低于32

年的氣象信息。SD卡存儲(chǔ)采用SDIO

接口與CPU相連。

2.1.6USB-TTL接口設(shè)計(jì)

USB-TTL接口采用工業(yè)級(jí)的FT232R芯片將CPU的USART接口轉(zhuǎn)換為USB接口,用于與PC進(jìn)行后臺(tái)通信,監(jiān)視智能無(wú)線收發(fā)裝置的工作情況,實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信接口等功能。

2.1.7RS485接口設(shè)計(jì)

RS485接口通過SP485EE工業(yè)級(jí)芯片進(jìn)行TTL電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換。為確保外部設(shè)備電位不會(huì)損壞智能無(wú)線收發(fā)裝置內(nèi)部元器件,抑制共模干擾,RS485接口采用信號(hào)隔離芯片進(jìn)行了信號(hào)隔離,采用電源隔離芯片對(duì)電源進(jìn)行了隔離。RS485接口具有自動(dòng)流向控制功能,可降低CPU軟件控制開銷。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為發(fā)送端及接收端兩部分,采用了ModBuS規(guī)約,傳輸速率為2400bpS,串行口通訊數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)位、1個(gè)停止位,保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.2.1應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了本系統(tǒng)的智能化程度。本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用層采用ModbuSRTU通信規(guī)約設(shè)計(jì),對(duì)本文數(shù)據(jù)包打包與解析,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式,傳輸序列為十六進(jìn)制字節(jié)流。同時(shí),數(shù)據(jù)傳輸中對(duì)數(shù)據(jù)采用CRC16校驗(yàn)算法,做到傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤。ModbuSRTU通信規(guī)約格式如表1所示,初始結(jié)構(gòu)≥4字節(jié)的時(shí)間、地址碼=1字節(jié)、功能碼=1字節(jié)、數(shù)據(jù)區(qū)=N字節(jié)、錯(cuò)誤校驗(yàn)=16位、CRC碼結(jié)束結(jié)構(gòu)≥4字節(jié)的時(shí)間。

2.2.2軟件流程設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)既要完成采集氣象站的數(shù)據(jù),也需通過LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳和接收數(shù)據(jù)及命令。發(fā)送端軟件工作流程如圖3所示,分為兩大部分:(1）判斷主時(shí)鐘1S定時(shí),讀取主時(shí)鐘單元數(shù)據(jù)并更新至HMI,累計(jì)記時(shí)達(dá)到60S后通過RS485接口發(fā)送查詢氣象信息命令至小型氣象站;(2）當(dāng)RS485接口接收到氣象站數(shù)據(jù)時(shí),首先將數(shù)據(jù)通過LoRa單元轉(zhuǎn)發(fā)至接收裝置,隨后將數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋,獲取有效氣象信息,并更新至HMI,將氣象及時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡后與歷史數(shù)據(jù)做比較,將最大值更新并存儲(chǔ)至EFPROM單元。

接收端軟件工作流程如圖4所示,接收端軟件邏輯分為兩大部分:(1）判斷主時(shí)鐘1S定時(shí),讀取主時(shí)鐘單元數(shù)據(jù)并更新至HMI;(2）當(dāng)LoRa接口接收到氣象站數(shù)據(jù)時(shí),將數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋,獲取有效氣象信息,并更新至HMI,將氣象及時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡后與歷史數(shù)據(jù)做比較,將最大值更新并存儲(chǔ)至EFPROM單元。

3系統(tǒng)測(cè)試與分析

此氣象站智能收發(fā)裝置應(yīng)用在換流站、變電站場(chǎng)合,對(duì)站內(nèi)氣象進(jìn)行監(jiān)控,獲得如溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光照等指標(biāo);通過發(fā)送裝置把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇邮昭b置,實(shí)現(xiàn)在換流站、變電站任何區(qū)域都可監(jiān)控站內(nèi)當(dāng)前氣象狀態(tài)。搭建系統(tǒng)測(cè)試,驗(yàn)證該智能抄表系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。模擬網(wǎng)絡(luò)包括氣象站主機(jī)、兩個(gè)LoRa無(wú)線裝置,氣象站主機(jī)與LoRa無(wú)線裝置通過RS-485連接,PC機(jī)與LoRa無(wú)線裝置通過RS-232連接,利用串口調(diào)試工具軟件給氣象主機(jī)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢數(shù)據(jù)報(bào)文,查詢氣象站內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。測(cè)試中,設(shè)備節(jié)點(diǎn)的射頻中心頻率為433MHz、發(fā)射功率為30dBm、串口波特率為4800bpS、空中速率為2.4kbpS等。為了測(cè)試接收端設(shè)備與信息采集節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸距離,測(cè)試點(diǎn)選擇國(guó)內(nèi)某換流站,測(cè)試點(diǎn)分布如圖5所示,測(cè)試選擇在換流站內(nèi)外空曠區(qū)、主控樓3種環(huán)境下的不同位置,進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試,每次發(fā)數(shù)據(jù)包100個(gè),測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由圖5、表2可知,測(cè)試點(diǎn)1為換流站主控樓內(nèi),主控樓為鋼結(jié)構(gòu)建筑物,具有一定信號(hào)屏蔽效果:測(cè)試點(diǎn)2為站內(nèi)空曠點(diǎn),兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離氣象主機(jī)相差不多,接收數(shù)據(jù)包丟包率均為0%,符合使用要求:測(cè)試點(diǎn)3、4為站內(nèi)最遠(yuǎn)端測(cè)試點(diǎn),周邊為500kV、110kV交流帶電設(shè)備,有一定電磁干擾,接收數(shù)據(jù)包丟包率均為0%,符合使用要求:測(cè)試點(diǎn)5為站外測(cè)試點(diǎn),選用較遠(yuǎn)的距離1km,接收數(shù)據(jù)包丟包率為0%。

測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)通信距離符合國(guó)內(nèi)一般換流站、變電站場(chǎng)地要求,抗干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)穩(wěn)定性較高,便于電力部門遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)氣象信息,能夠提高工作效率和抗臺(tái)風(fēng)應(yīng)急管理水平。

4結(jié)語(yǔ)

本文將低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離無(wú)線智能氣象站收發(fā)裝置中,通過低功耗、遠(yuǎn)距離的LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)換流站、變電站與氣象站之間的實(shí)時(shí)通信,達(dá)到站內(nèi)隨時(shí)隨地可遠(yuǎn)程查看站內(nèi)氣象信息的目的。文中對(duì)系統(tǒng)總體架構(gòu)、應(yīng)用層通信協(xié)議以及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)分析,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,通信距離滿足國(guó)內(nèi)換流站、變電站場(chǎng)地要求,組網(wǎng)便捷,且成本低,能有效提高工作效率和抗臺(tái)風(fēng)應(yīng)急管理水平,具有廣闊的應(yīng)用前景。