高崧耀
国网太原供电公司 山西省太原市 030001
摘要：目前常规的人工定期巡检电力杆塔不仅耗费大量人力物力，而且很难做到实时在线监测。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）是一种新型的物联网无线通信技术，目前在共享单车、远程抄表、智能家居、环境监测等方面得到了广泛的应用。针对当前电力杆塔倾斜监测存在的问题以及窄带物联网技术的迅速发展，本文现介绍一种基于窄带物联网技术的电力杆塔倾斜监测装置，装置利用传感器技术、窄带物联网通信技术、One NET云平台能够很好地实现数据采集、远程传输、后台监控等功能，实现对电力杆塔倾斜的远程监测。
关键词：窄带通信技术；电力杆塔；监测
1 窄带物联网技术优势
窄带物联网是一种构建于蜂窝网络的新型低功耗广域网技术，适用于远距离、小数据量、低速率、低频次、高时延、非移动性的物联网通信业务。根据NB-IoT的技术标准，其优势主要有以下几个方面。
（1）低功耗。由于NB-IoT模块（终端）常常采用固定容量的电池供电，为延长模块使用寿命，所以对其功耗有较高要求。NB-IoT采用了PSM（省电模式）和eDRX（扩展非连续接收）两种节电技术，以实现更低的功耗。终端设备进入PSM模式后，关闭模块的射频收发功能，PSM模式下模块功耗极低，但模块仍注册在接入网络中，这样终端设备再次唤醒时，无需重新注册，直接进入连接状态。由于采用了这两种节能技术，终端设备的理想寿命可长达10年。
（2）低成本。NB-IoT模块单个成本不超过35元，未来单个成本可降至7元左右。
（3）广覆盖。NB-IoT主要通过重复传输和提升功率谱密度（PSD）两个方面实现广覆盖。NB-IoT在同样频段下与现有的网络相比增益约20 dB，覆盖区域相当于提升了100倍，即使在室内等信号穿透弱的区域，也能实现良好的覆盖。
（4）大连接（容量）。NB-IoT每个扇区内可支持5万至10万个接入设备，连接能力较传统无线通信技术提升了50—100倍，可实现海量接入。
NB-IoT总体网络架构主要由终端设备、NB-IoT基站、核心网、物联网云平台、应用中心组成。终端设备主要完成信息采集工作，通过NB-IoT模块安装相应的SIM卡与NB-IoT基站连接，NB-IoT基站通过核心网接入物联网云平台完成信息收发工作，物联网云平台和后台应用中心对上行数据进行存储与计算，并向终端设备下发控制命令，实现对终端设备的远程监视与控制。
2 基于NB-IoT的电力杆塔倾斜监测装置
2.1 装置总体架构及工作原理
（1）总体架构。电力杆塔倾斜监测装置具有数据采集与上传、远程监控功能，实现对电力杆塔倾斜的远程监测。按装置的功能划分，总体架构可分为感知层、传输层、平台层、应用层。
感知层主要完成数据的采集工作，由电源管理模块、传感器模块、微处理器模块、NB-IoT模块组成。传输层包括NB-IoT基站和核心网。NB-IoT模块通过SIM卡接入基站，实现感知层与物联网云平台的数据交互。平台层完成数据的汇聚与转发，本装置采用了中国移动One NET云平台，将感知层采集的数据发送到应用层进行进一步处理。应用层是数据的最终汇聚点，进行数据的存储与计算工作，具有异常报警功能，也可向终端设备下发控制命令，实时掌握各杆塔倾斜角度、倾斜方向等信息。
（2）基本工作原理。
装置采用高精度双轴倾角传感器作为倾斜角度和温度数据采集部分，每个输电线路杆塔上安装2台传感器对杆塔平行于线路方向和垂直于线路方向的倾斜角度进行实时测量。双轴倾角传感器采集的数据采用透明传输方式，通过SPI串口与微处理器进行通信，把测得的数据传输到微处理器。微处理器通过软件对测量值进行分析和计算，在固定时间间隔把采集的倾斜角度和温度数据一起发送给NB-IoT模块，由NB-IoT模块发送上报至One NET云平台。中国移动One NET云平台为接入用户提供了丰富的数据存储和数据分析功能，监控人员可通过网页端登录在One NET云平台注册的用户账户，查询NB-IoT模块上传至云平台的数据信息，对电力杆塔倾斜状况实时监控。One NET云平台还为用户提供了数据触发器设置，即为相应的上行数据设置触发报警阈值，当NB-IoT模块上传的杆塔倾斜角度超过预先设定的报警阈值时触发器报警，及时向用户发送报警短信，以便监控人员及时了解电力杆塔倾斜角度异常情况。正常状态下，NB-IoT模块上传的倾斜角度数据未超出报警阈值时，用户也可在One NET云平台网页端告警中心查询历史报警信息，以便对杆塔历史异常倾斜状况进行全面掌控。
2.2 终端设备设计方案
其中传感器模块主要负责倾斜角度和温度数据的采集，电源管理模块将锂电池电压转换后向设备其他模块供电。微处理器模块是整个终端设备的核心，负责收集传感器数据，并发出控制命令，控制设备其他模块工作。NB-IoT模块主要完成数据收发功能，与One NET云平台通信。
2.3 BC35-G模块
装置采用的BC35-G模块（芯片）是一款低功耗、高性能的NB-IoT模块，通过无线通信协议（3GPP Rel.14）与网络运营商基站通信。BC35-G芯片共有94个引脚，内部集成了串口、USIM接口、射频天线接口等接口，实现与微处理器模块的数据通信和数据远程传输功能，微处理器通过串口向NB-IoT模块发送AT命令以控制NB-IoT模块工作。模块采用了省电技术，在省电模式（PSM）下，工作电流可低至3μA，有效延长了终端设备的使用寿命。
2.4 One NET接入
终端设备接入One NET云平台操作流程。首先在One NET平台注册用户账户，之后进入开发者中心在用户账户下创建产品，产品的接入协议选择“LwM2M”，联网方式选择“NB-IoT”。然后在产品下添加设备，在设备下添加角度数据、温度数据等数据流，并为相应的数据流添加触发器。One NET云平台为用户提供了触发报警机制，通过触发器设置倾斜角度和温度数据的预警值，并通过绑定的用户邮箱实现报警功能。当上传数据超过预警值时，One NET云平台向用户邮箱发送报警信息，用户可据此采取相应的处理措施。
2.5 数据采集与上传
装置采用了基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片的高精度双轴倾角传感器，芯片型号为SCA100T，同时，内部集成了温度传感器，提供温度校正算法，采集电力杆塔倾斜角度和温度数据。系统上电后，终端设备初始化，NB-IoT模块接入One NET云平台，传感器与微处理器通过SPI串口通信，由微处理器控制传感器进行定时数据采集与上传，并基于微处理器的定时唤醒功能进行了低功耗设计，数据发送完成后，微处理器进入低功耗模式，关闭传感器电源进入省电模式。
3 装置应用
该监测装置现场安装时，为减小安装操作引起的角度测量不准确性，应将装置水平安装固定在杆塔角铁架上，固定后需用专业水平测量仪器进行水平度测量，保证安装水平。测量时如发现未达到水平，用调整不锈钢垫片的方式，最终找平。
监测装置安装完成后，与One NET云平台联系确认，确保网络通信良好，数据传输畅通，监控人员可在网页端实时查询到杆塔倾斜角度数据。为及时了解杆塔倾斜角度异常情况，在One NET云平台进行触发预警设置，对相应的倾角数据触发器触发条件进行设置。
经过多次测试表明，该监测装置能够定时上报电力杆塔倾斜角度数据，并在数据异常时及时报警，提醒监控人员注意，能够较好地完成电力杆塔倾斜角度监测功能。