一种基于LoRa的换流站、变电站气象信息智能无线收发装置设计

引言

基于对局部气象信息的监测需求,国内换流站、变电站一般装设有小型气象站。从安全角度考虑,小型气象站一般装设于远离变电设备区域的办公区域楼顶,但换流站、变电站内人员一般集中于设备区域的监控值班室,监控值班室与办公区域有一定的距离,在恶劣天气情况下,工作人员难以前往小型气象站安装点查看气象信息。目前常见的做法是采用以太网络或RS485总线将气象信息传送至监控值班室,在监控值班室采用电脑客户端查看。采用以太网络或者RS485总线传输,需要事先布置网线或RS485双绞线,对于未事先布置网线或RS485双绞线的老旧换流站或者变电站来说,施工难度大、费用高,以太网络涉及网络安全,易造成网络安全问题。低功耗广域网技术LPwAN,作为蜂窝M2M连接的有效补充方案[1],加速了物联网在低功耗、低成本、广覆盖、大容量方面的发展。本文将LoRa通信技术应用到气象信息收发装置中,旨在设计一个准确可靠、方便操作的气象终端。

1总体设计

换流站、变电站的气象站智能无线收发装置整体系统结构如图1所示,分为发送端和接收端。发送端可对气象站信息进行采集,并通过无线传输方式将信息发布到各接收终端,实现不同位置远距离监测气象信息的功能。气象站智能无线收发装置发送端和接收端采用先进的LoRa扩频无线通信技术,具备传输距离远、功耗低、抗干扰能力强、无需预敷设电缆等特点。气象站智能无线收发装置发送端和接收端间的通信规约可根据用户需求进行自定义,避免通信信息泄漏,安全性高。发射端向上与气象站根据ModbuS通信规约通过RS485方式连接,向下借助LoRa网络的超长距离无线通信能力与接收端连接,通信发射端与接收端采取同样的硬件架构,通过软件进行切换,硬件及模具通用,可有效降低设备开发成本。

2系统平台设计

2.1系统硬件设计

本系统CPU主控芯片采用ST公司高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的STM32F1系列32位CPU,该系列CPU具有丰富的硬件外设结构和强大的运算能力。发射端/接收端硬件架构图如图2所示,以CPU主控芯片为中心,外接主时钟单元、存储单位、LoRa通信单元、HMI单元、USB及RS485通信接口。

2.1.1LoRa通信单元设计

LoRa通信单元采用SEMTECH公司Sx1278射频芯片,工作频段为410～441MHz,为国内免许可的ISM(工业、科学和医学）开放频段。LoRa单元支持LoRa扩频技术,相比传统的433频段通信,具有通信距离更远、抗干扰能力强的优势,同时有极强的保密性。LoRa单元带有PA功率放大器与LNA低噪声放大器,从而提高通信稳定性。采用工业级有源温补晶振,保证LoRa单元的频率稳定性与一致性。LoRa单元支持定点传输、广播传输、信道监听3种工作模式。在使用电池供电时,支持空中唤醒模式,使功耗大幅降低。LoRa单元具备FEC前向纠错功能,保证通信稳定性。LoRa单元发射功率可通过软件进行多级调节。LoRa单元通过SPI总线或者USART接口与CPU连接。

2.1.2HMI单元设计

HMI单元采用电容式触摸屏,具备直观的人机交换功能。HMI单元采用IPS液晶显示屏,可视角度达1789,16bit色深,分辨率根据不同的应用场合可选择800×480或1024×600等多种分辨率。HMI单元具有较宽的工作温度范围,可在-20～70℃的温度区间正常工作。HMI单元采用USART接口与CPU连接。

2.1.3主时钟单元设计

为系统运行提供准确的时钟数据,时钟单元采用高精度时钟芯片DS3231,0～40℃内精度为士2×10-6,-40～85℃内精度为士3.5×10-6。主时钟单元可产生秒、分、时、星期、日期、月和年计时,并提供有效期到2100年的闰年补偿。主时钟单元配置有电池,在装置掉电时可保持时钟继续提供精确的计时。主时钟单元采用IIC总线与CPU连接。

2.1.4EEPROM存储单元设计

EEPROM存储单元用于存储装置的参数信息,确保在装置掉电时重要参数信息不丢失。EEPROM存储单元采用IIC总线与CPU相连。

2.1.5SD卡存储单元设计

SD卡存储单元用于对气象站的气象信息以及该气象信息的时间戳进行保存。SD卡存储单元可支持32G以下的SD卡,按每分钟一个采样点,采集4类气象信息,可存储不低于32

年的气象信息。SD卡存储采用SDIO

接口与CPU相连。

2.1.6USB-TTL接口设计

USB-TTL接口采用工业级的FT232R芯片将CPU的USART接口转换为USB接口,用于与PC进行后台通信,监视智能无线收发装置的工作情况,实现与上位机通信接口等功能。

2.1.7RS485接口设计

RS485接口通过SP485EE工业级芯片进行TTL电平与RS485电平的转换。为确保外部设备电位不会损坏智能无线收发装置内部元器件,抑制共模干扰,RS485接口采用信号隔离芯片进行了信号隔离,采用电源隔离芯片对电源进行了隔离。RS485接口具有自动流向控制功能,可降低CPU软件控制开销。

2.2系统软件设计

本系统软件设计分为发送端及接收端两部分,采用了ModBuS规约,传输速率为2400bpS,串行口通讯数据格式为1个起始位、8个数据位、无校验位、1个停止位,保证了数据准确性。

2.2.1应用层通信协议设计

协议设计的优劣直接决定了本系统的智能化程度。本系统对应用层采用ModbuSRTU通信规约设计,对本文数据包打包与解析,实现数据的透明传输。数据传输方式采用数据帧模式,传输序列为十六进制字节流。同时,数据传输中对数据采用CRC16校验算法,做到传输数据的准确无误。ModbuSRTU通信规约格式如表1所示,初始结构≥4字节的时间、地址码=1字节、功能码=1字节、数据区=N字节、错误校验=16位、CRC码结束结构≥4字节的时间。

2.2.2软件流程设计

采集节点既要完成采集气象站的数据,也需通过LoRa无线网络上传和接收数据及命令。发送端软件工作流程如图3所示,分为两大部分:(1）判断主时钟1S定时,读取主时钟单元数据并更新至HMI,累计记时达到60S后通过RS485接口发送查询气象信息命令至小型气象站;(2）当RS485接口接收到气象站数据时,首先将数据通过LoRa单元转发至接收装置,随后将数据进行解释,获取有效气象信息,并更新至HMI,将气象及时间数据存储至SD卡后与历史数据做比较,将最大值更新并存储至EFPROM单元。

接收端软件工作流程如图4所示,接收端软件逻辑分为两大部分:(1）判断主时钟1S定时,读取主时钟单元数据并更新至HMI;(2）当LoRa接口接收到气象站数据时,将数据进行解释,获取有效气象信息,并更新至HMI,将气象及时间数据存储至SD卡后与历史数据做比较,将最大值更新并存储至EFPROM单元。

3系统测试与分析

此气象站智能收发装置应用在换流站、变电站场合,对站内气象进行监控,获得如温度、湿度、风向、风速、雨量、光照等指标;通过发送装置把数据实时远程传输到接收装置,实现在换流站、变电站任何区域都可监控站内当前气象状态。搭建系统测试,验证该智能抄表系统的实际运行效果。模拟网络包括气象站主机、两个LoRa无线装置,气象站主机与LoRa无线装置通过RS-485连接,PC机与LoRa无线装置通过RS-232连接,利用串口调试工具软件给气象主机采集节点发送查询数据报文,查询气象站内实时数据。测试中,设备节点的射频中心频率为433MHz、发射功率为30dBm、串口波特率为4800bpS、空中速率为2.4kbpS等。为了测试接收端设备与信息采集节点之间的有效传输距离,测试点选择国内某换流站,测试点分布如图5所示,测试选择在换流站内外空旷区、主控楼3种环境下的不同位置,进行了大量的数据收发测试,每次发数据包100个,测试结果如表2所示。

由图5、表2可知,测试点1为换流站主控楼内,主控楼为钢结构建筑物,具有一定信号屏蔽效果:测试点2为站内空旷点,两个测试点距离气象主机相差不多,接收数据包丢包率均为0%,符合使用要求:测试点3、4为站内最远端测试点,周边为500kV、110kV交流带电设备,有一定电磁干扰,接收数据包丢包率均为0%,符合使用要求:测试点5为站外测试点,选用较远的距离1km,接收数据包丢包率为0%。

测试结果表明,该系统通信距离符合国内一般换流站、变电站场地要求,抗干扰能力强,系统稳定性较高,便于电力部门远程智能监测气象信息,能够提高工作效率和抗台风应急管理水平。

4结语

本文将低功耗广域网技术应用于远距离无线智能气象站收发装置中,通过低功耗、远距离的LoRa无线网络实现换流站、变电站与气象站之间的实时通信,达到站内随时随地可远程查看站内气象信息的目的。文中对系统总体架构、应用层通信协议以及软硬件结构设计等进行了详细分析,从实验结果可知,系统运行状态良好,通信距离满足国内换流站、变电站场地要求,组网便捷,且成本低,能有效提高工作效率和抗台风应急管理水平,具有广阔的应用前景。