1.秦奋 2.周杰 3.马永华
2.杭州凯达电力建设有限公司 浙江省杭州市 311000
摘要
随着经济的发展，电力系统基础设备的种类和数量也在逐渐增多，对设备的可靠性要求也越来越高。电力设备运行异常或故障通常表现为温度的异常变化，因此对电力设备的温度监测是电力设备安全监控最为有效、经济的方式，对电力设备的安全运行具有重大意义。针对高压输电线上温度节点的远距离数据传输，我们自主设计了LORA网关，保障数据传输的稳定性。
关键词：LORA网关，温度监测
引言
物联网 (Internet of Things) 是指“物物相连的互联网”, 被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。LPWAN (Low Power Wide Area Net Work，低功耗广域网)是近年来国际上革命性的物联网技术，很好地解决了远距离无线传输与低功耗平稳问题。
2015年，LoRa联盟发布了LoRaWAN技术规范，LoRaWAN定义了 LoRa的通信协议和系统框架。在LoraWAN系统中，网关和服务器的设计是重点与难点[1]。
本网关系统可以单个网关允许5000个LoRa网关连入，并具有较高的并发性，拓展性，安全性，可以满足在线测温系统所需要低延迟性，高稳定性的特点[2]。
1.研究背景
电力系统中的各种电力设备往往都长期处在高电流，大电流的状态下工作，设备的老化或者缺陷能够导致设备部件或者线路的温度异常升高。电缆的外部热故障会造成重大安全隐患和重大经济损失。针对目前的输电线路温度监测手段以红外测温为主，且红外测温技术易受环境影响、不便于测量物体内部和存在遮挡物时的温度、监测实时性差的一系列问题。基于LORA通信数据采集技术采用了扩频调制技术，在同等的功耗下取得更远的通信距离，可视距离 15kM，城市环境中 3kM 的通信距离，不需要复杂的路由网络即可构建LORA微功率自组网络，十分契合远距离、多节点、高实时性的电线温度监测的需求[3]。并且本网关支持大于5000个终端连入，实现高可用性的同时，可以支持云端发送指令反控测温终端，实现保护出现温度异常的输电线路。
2.系统架构：
为了能够允许接入5000个LoRa终端，并且能够实现高效，实时性处理，提高系统管理数据的效率，并且能根据云端发送来的信息智能管理每一LoRa终端，我们设计了一种智能的物联网网关数据管理模型和面向软件定义的网关架构。
LoRa节点将设备的温度信息上发到LoRa协调器，LoRa协调器通过SPI总线与主控芯片STM32F103VCT6相连，主控芯片通过通过SPI与以太网MAC控制器W5500通信，实现有线方式上网。网关通过网络与云服务器通信，将温度信息，上传至云服务器，然后对输电线缆的各个测温节点都能进行监控，并进行分析处理，会及时对发现温度异常的节点进行报警，并有相应的处理程序[4]。如果出现问题，就会启动相应的处理机制，给网关发送控制指令，网关接收到之后，根据发送过来的控制指令，再通过Lora通信下发到相应的设备节点，实现测温设备的远程控制或者自动控制。
如图1是系统架构图
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图1 网关系统架构图
3.模块选型：
3.1 Lora网关芯片：
网关Lora协调器采用SX1301芯片。SX1301是基于LoRa调制的基带芯片，它的目标是为广域范围的众多无线节点提供健壮的星型基站。SX1301有一些关键的技术特征：高达-142.5dBm的接收灵敏度、49个LoRa“虚拟”通道和ADR技术。SX1301一般外接2片SX1257（或SX1255），如图2所示。SX125x是射频前端芯片，它负责将I/Q（In-phase / Quadrature，同相正交数字信号）转换成无线电模拟信号。
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3.2 主控芯片：
网关基站由于要收集大量数据，所以在处理上要有足够的能力，我们选用的是ST公司的嵌入式芯片STM32F103VCT6,该芯片成本较低，还可提供足够的运算能力，非常适合本系统。图3为本系统的网关MCU原理图
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4.网关运行流程：
系统上电之后，进行网关的初始化，包括两部分：1.网关需要连接到云服务器 2.网关要开始接收测温Lora终端的连接。这两部分全部初始化成功则判定为网关初始化成功，否则为网关初始化失败。无法进行进入接下去的流程。
当系统初始化成功之后就进入LISTENING（监听）状态，监听服务器的指令信息和终端上发的温度信息还有心跳包信息。其中心跳包信息是作为网关和LORA终端是否连接的唯一判定。
网关通过网络与云服务器通信，将温度信息，上传至云服务器，然后对输电线缆的各个测温节点都能进行监控，并进行分析处理，会及时对发现温度异常的节点进行报警，并有相应的处理程序。如果出现问题，就会启动相应的处理机制，给网关发送控制指令，网关接收到之后，根据发送过来的控制指令，再通过Lora通信下发到相应的设备节点，实现测温设备的远程控制或者自动控制。
如图4所示
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5.结束语
基于LORA扩频通信技术设计的网关，部署灵活，各传感器具有唯一ID，传感器通过ID识别，不存在部署数量限制的缺陷[5]。采用LORA扩频通信技术，突破当前各类电力设备温度监测技术存在的局限性，实现了电力设备温度传感器的小型化、低成本和低能耗。利用此技术构成的无线温度监测系统，可在极大半径内部署极少LORA基站，并具有安全可靠、成本低、实时性好、便于维护等优点，广域、长距离的输电线路温度监测提供了最优解决方案[6]。
参考文献
[1]胡悦,孙云晓,李岩,王祥,王霞,郭雅娟.基于LoRa网关的中继选择优化算法研究[J].电力工程技术,2020,39(06):13-18.
[2]刘文洲,胡治辉.微电网智能负荷计量控制装置研究与设计[J].国外电子测量技术,2020,39(10):72-77.
[3]庄建煌,彭健,陈重,林俊超.基于泛在电力物联网的多技术融合变电设备发热缺陷判别预测系统的研究设计[J].高压电器,2020,56(09):54-59.
[4]黄玮.基于LoRa的智能温室系统的设计与实现[J].电脑与电信,2020(09):63-66.
[5]尉言龙.无线物联网测温技术在供用电系统应用的可行性研究与分析[J].石化技术,2020,27(08):41-42.
[6]徐友刚,任堂正,沈晓峰,肖远兵.基于电力物联网的配电设备智能感知诊断关键技术与应用[J].电力与能源,2020,41(04):389-391+402.
作者简介
1.姓名 : 秦奋
出生年月：1980年12月
籍贯：江苏盐城
名族：汉族
性别: 男
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 高级工程师
学位/学历: 本科
职务：: 总经理
研究的方向： 输配电线路
2.姓名 : 周杰
性别: 男
出生年月：1982年11月
籍贯：浙江余杭
名族：汉族
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 助理工程师
学位/学历: 大专
职务：生产管理部副经理
研究的方向： 电气技术
3.姓名 : 马永华
性别: 女
出生年月：1986年7月
籍贯：浙江永康
名族：汉族
现任单位: 杭州凯达电力建设有限公司
职称: 工程师
学位/学历: 本科
职务：变电工程管理
研究的方向： 电气工程及其自动化