一種基于LoRa的換流站、變電站氣象信息智能無線收發(fā)裝置設(shè)計

引言

基于對局部氣象信息的監(jiān)測需求,國內(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說,施工難度大、費用高,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)計一個準確可靠、方便操作的氣象終端。

1總體設(shè)計

換流站、變電站的氣象站智能無線收發(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)送端可對氣象站信息進行采集,并通過無線傳輸方式將信息發(fā)布到各接收終端,實現(xiàn)不同位置遠距離監(jiān)測氣象信息的功能。氣象站智能無線收發(fā)裝置發(fā)送端和接收端采用先進的LoRa擴頻無線通信技術(shù),具備傳輸距離遠、功耗低、抗干擾能力強、無需預敷設(shè)電纜等特點。氣象站智能無線收發(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)的超長距離無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)平臺設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)和強大的運算能力。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,外接主時鐘單元、存儲單位、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

LoRa通信單元采用SEMTECH公司Sx1278射頻芯片,工作頻段為410～441MHz,為國內(nèi)免許可的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學）開放頻段。LoRa單元支持LoRa擴頻技術(shù),相比傳統(tǒng)的433頻段通信,具有通信距離更遠、抗干擾能力強的優(yōu)勢,同時有極強的保密性。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)級有源溫補晶振,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,支持空中喚醒模式,使功耗大幅降低。LoRa單元具備FEC前向糾錯功能,保證通信穩(wěn)定性。LoRa單元發(fā)射功率可通過軟件進行多級調(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

HMI單元采用電容式觸摸屏,具備直觀的人機交換功能。HMI單元采用IPS液晶顯示屏,可視角度達1789,16bit色深,分辨率根據(jù)不同的應(yīng)用場合可選擇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主時鐘單元設(shè)計

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

2.1.4EEPROM存儲單元設(shè)計

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

2.1.5SD卡存儲單元設(shè)計

SD卡存儲單元用于對氣象站的氣象信息以及該氣象信息的時間戳進行保存。SD卡存儲單元可支持32G以下的SD卡,按每分鐘一個采樣點,采集4類氣象信息,可存儲不低于32

年的氣象信息。SD卡存儲采用SDIO

接口與CPU相連。

2.1.6USB-TTL接口設(shè)計

USB-TTL接口采用工業(yè)級的FT232R芯片將CPU的USART接口轉(zhuǎn)換為USB接口,用于與PC進行后臺通信,監(jiān)視智能無線收發(fā)裝置的工作情況,實現(xiàn)與上位機通信接口等功能。

2.1.7RS485接口設(shè)計

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

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計分為發(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個起始位、8個數(shù)據(jù)位、無校驗位、1個停止位,保證了數(shù)據(jù)準確性。

2.2.1應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

協(xié)議設(shè)計的優(yōu)劣直接決定了本系統(tǒng)的智能化程度。本系統(tǒng)對應(yīng)用層采用ModbuSRTU通信規(guī)約設(shè)計,對本文數(shù)據(jù)包打包與解析,實現(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,傳輸序列為十六進制字節(jié)流。同時,數(shù)據(jù)傳輸中對數(shù)據(jù)采用CRC16校驗算法,做到傳輸數(shù)據(jù)的準確無誤。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)、錯誤校驗=16位、CRC碼結(jié)束結(jié)構(gòu)≥4字節(jié)的時間。

2.2.2軟件流程設(shè)計

采集節(jié)點既要完成采集氣象站的數(shù)據(jù),也需通過LoRa無線網(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）判斷主時鐘1S定時,讀取主時鐘單元數(shù)據(jù)并更新至HMI,累計記時達到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RS485接口接收到氣象站數(shù)據(jù)時,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)進行解釋,獲取有效氣象信息,并更新至HMI,將氣象及時間數(shù)據(jù)存儲至SD卡后與歷史數(shù)據(jù)做比較,將最大值更新并存儲至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）判斷主時鐘1S定時,讀取主時鐘單元數(shù)據(jù)并更新至HMI;(2）當LoRa接口接收到氣象站數(shù)據(jù)時,將數(shù)據(jù)進行解釋,獲取有效氣象信息,并更新至HMI,將氣象及時間數(shù)據(jù)存儲至SD卡后與歷史數(shù)據(jù)做比較,將最大值更新并存儲至EFPROM單元。

3系統(tǒng)測試與分析

此氣象站智能收發(fā)裝置應(yīng)用在換流站、變電站場合,對站內(nèi)氣象進行監(jiān)控,獲得如溫度、濕度、風向、風速、雨量、光照等指標;通過發(fā)送裝置把數(shù)據(jù)實時遠程傳輸?shù)浇邮昭b置,實現(xiàn)在換流站、變電站任何區(qū)域都可監(jiān)控站內(nèi)當前氣象狀態(tài)。搭建系統(tǒng)測試,驗證該智能抄表系統(tǒng)的實際運行效果。模擬網(wǎng)絡(luò)包括氣象站主機、兩個LoRa無線裝置,氣象站主機與LoRa無線裝置通過RS-485連接,PC機與LoRa無線裝置通過RS-232連接,利用串口調(diào)試工具軟件給氣象主機采集節(jié)點發(fā)送查詢數(shù)據(jù)報文,查詢氣象站內(nèi)實時數(shù)據(jù)。測試中,設(shè)備節(jié)點的射頻中心頻率為433MHz、發(fā)射功率為30dBm、串口波特率為4800bpS、空中速率為2.4kbpS等。為了測試接收端設(shè)備與信息采集節(jié)點之間的有效傳輸距離,測試點選擇國內(nèi)某換流站,測試點分布如圖5所示,測試選擇在換流站內(nèi)外空曠區(qū)、主控樓3種環(huán)境下的不同位置,進行了大量的數(shù)據(jù)收發(fā)測試,每次發(fā)數(shù)據(jù)包100個,測試結(jié)果如表2所示。

由圖5、表2可知,測試點1為換流站主控樓內(nèi),主控樓為鋼結(jié)構(gòu)建筑物,具有一定信號屏蔽效果:測試點2為站內(nèi)空曠點,兩個測試點距離氣象主機相差不多,接收數(shù)據(jù)包丟包率均為0%,符合使用要求:測試點3、4為站內(nèi)最遠端測試點,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:測試點5為站外測試點,選用較遠的距離1km,接收數(shù)據(jù)包丟包率為0%。

測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)通信距離符合國內(nèi)一般換流站、變電站場地要求,抗干擾能力強,系統(tǒng)穩(wěn)定性較高,便于電力部門遠程智能監(jiān)測氣象信息,能夠提高工作效率和抗臺風應(yīng)急管理水平。

4結(jié)語

本文將低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于遠距離無線智能氣象站收發(fā)裝置中,通過低功耗、遠距離的LoRa無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)換流站、變電站與氣象站之間的實時通信,達到站內(nèi)隨時隨地可遠程查看站內(nèi)氣象信息的目的。文中對系統(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)計等進行了詳細分析,從實驗結(jié)果可知,系統(tǒng)運行狀態(tài)良好,通信距離滿足國內(nèi)換流站、變電站場地要求,組網(wǎng)便捷,且成本低,能有效提高工作效率和抗臺風應(yīng)急管理水平,具有廣闊的應(yīng)用前景。