CN108737496A - 一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统 - Google Patents

一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统 Download PDF

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罗臻
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Abstract

本发明涉及电力通信系统的环境监测装置，尤其是涉及一种保证电缆沟和竖井内光缆安全可靠工作的监控系统。一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统，包括现场数据采集部分、中间数据服务器部分和上端应用展示部分，现场数据采集部分由水位监测子系统、温度检测子系统、气体检测子系统三个子系统构成，主要采集电缆沟、竖井内部的温度、水位、气体信息，整理后发送给最近的Lora/4G网关设备，Lora/4G网关设备把接收到的信息转发给远程的中间数据服务器部分，中间数据服务器部分的云端服务器包括数据存储、数据管理和数据分析及预警模块，中间数据服务器部分与上端应用展示部分通讯连接。解决了传统有线通信方式在电缆沟环境发生变化时不再可靠的问题。

Description

一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统
技术领域
本发明涉及一种环境监测系统，特别是涉及一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统。
背景技术
电力系统通信是电力系统不可缺少的重要组成部分，是电网调度自动化和生产管理现代化的基础，是确保电网安全、经济、稳定运行的重要技术手段。通信光缆作为桥梁为电力生产和经营管理的保护、安控、自动化、调度电话、行政电话、综合数据、会议电视等业务提供可靠的传输通道。保护光缆不受损伤，对电网安全运行有着非常重要的意义。
随着国家电力基础设施投入的逐年增大，电力隧道的长度、通信光缆的长度、竖井的个数等也正在迅速增加，由于运行维护人员的增长速度远远跟不上电力基础设施的增长速度，致使电力隧道运行工作面临着巨大压力。电缆沟是变电站、发电厂中必不可少的基础设施，电缆沟中敷设的光缆是发电厂和变电站的神经中枢，一旦光缆发生故障，不仅检查处理工作难度大、时间长，还可能造成继电保护、稳控业务失效，造成事故扩大，造成安全事件。想解决当前面临的种种问题，仅靠大量增加运行人员数量来应对电缆沟道、通信光缆、竖井的迅速增长和管理压力已不现实，采用现代化的技术手段来提高运行维护水平是当务之急。及时有效并且准备地判断电缆沟、竖井或是机房内的潜在隐患，避免由于起火、渗水等因素造成光缆、电缆和通信设备的损坏，保障通信网、电网安全存在重要意义。随着变电站智能化的应用，通过先进的技术、设备、方法的应用，实现电网的安全、可靠、环境友好成为一种途径。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统，通过在电缆沟、竖井布放环境监测装置，实时监测烟雾、温湿度、是否渗水等一系列环境信息，将该信息传送至运维人员，实现数据的超远距离、可靠传输。
本发明所采用的技术方案：
一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统，包括现场数据采集部分、中间数据服务器部分和上端应用展示部分，现场数据采集部分由水位监测子系统、温度检测子系统、气体检测子系统三个子系统构成，主要采集电缆沟、竖井内部的温度、水位、气体信息，整理后发送给最近的Lora/4G网关设备，Lora/4G网关设备把接收到的信息转发给远程的中间数据服务器部分，中间数据服务器部分的云端服务器包括数据存储、数据管理和数据分析及预警模块，中间数据服务器部分与上端应用展示部分通讯连接。
所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，水位监测子系统采用水位传感器将液位信息转换为4-20ma的电流信号，经过转换器之后调整为1-5V 的电压信号传输给处理器，处理器采集电压信号，通过内部建立的液位-电压数学模型，达到实时监测液位的目的，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，温度检测子系统采用数字温度传感器，处理器通过数字接口读取电缆沟和竖井内部温度，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，气体检测子系统采用气体传感器同时检测气体中的氨气、沼气和一氧化碳，传感器输出1-5V的电压信号传输给处理器，处理器采用片内集成模数转换器计算电压值，建立气体成分浓度和电压的函数关系式，根据电压值监测空气中有害气体成分和浓度；烟雾的监测采用数字烟雾传感器，将空气中的烟雾浓度直接通过数字接口输出到处理器，然后将读取的数据通过Lora无线通信方式发送给网关设备。
本发明的有益效果：
1、本发明基于Lora扩频无线长距环境监测系统，解决了传统有线通信方式在电缆沟环境发生变化时不再可靠的问题。通过无线方式实时监测光缆的运行环境，防止浸水运行，提高光缆的运行寿命，提高供电可靠性。通过对电缆沟和竖井内空气质量的监测，保证巡视、施工人员的安全。同时该测温子系统和传统测温系统（如测温光缆）相比，具有功能强、安装方便和成本低等优点。该系统是保证电缆沟和竖井内光缆安全可靠工作的专用测控系统，能有效地辨识电缆沟过热和火灾事故等其他隐患，并且通过使用低成本测控设备实现电缆沟和竖井内部温度的稳定测量，实现分析历史数据，提前发现可能存在的隐患和故障，降低光缆故障导致的电网运行风险，提升电网的供电可靠性。
2、本发明基于Lora扩频无线长距环境监测系统，解决了远距离传输与低功耗的矛盾。支持多信道多数据速率并行处理，系统容量大。由于电缆沟、竖井等环境无线信号衰减剧烈，因此大多数装置采用有线方式实现传输，但该方式造价高，一旦电缆沟环境发生变化，有线通信方式将不再可靠。同时该装置为无线模块，由电池供电，对电池寿命，使用年限有较高要求。因此，本装置采用Lora扩频通信方式，该方式能有效解决传输距离和功耗的矛盾。
Lora是一种专用于无线电扩频调制解调的技术，它与其他如FSK（频移键控）、GMSK（高斯最小频移键控）、BPSK（二进制相移键控）及其派生的调制方案形成明显的对比。它融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有一些军事通讯系统中才会融合这些技术，大大的改善了接收的灵敏度，降低了功耗。高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里。其接收电流仅10mA，睡眠电流200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。同时本装置所使用传感器均保证低功耗。预计整机运行功耗小于0.02W，一节18650的电池可以使终端设备至少正常运行3年。
网关是节点与IP网络之间的桥梁（通过2G/3G/4G或者Ethernet）。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信（假设每次发送10Bytes，网络占用率10%）。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20dBm（100mW），在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。这就保证实现变电站内、甚至于以变电站为中心方圆10公里范围内电缆沟的实时监控。
3、本发明基于Lora扩频无线长距环境监测系统，通过在电缆沟布放该装置，可提前发现可能存在的隐患和故障，降低沟道、竖井光缆故障导致的电网运行风险，提高电网的供电可靠性。具有较好的经济效益和社会效益。
电力通信光缆是电网二次系统的重要组成部分，保障光缆正常可靠运行对于提高电网供电可靠性有不可估量的作用。由于低压电力电缆与保护、控制电缆同沟集中布置，低压电力电缆工作电流大，发生故障的概率较控制、通信电缆高，一旦发生火灾事故，极易波及同沟的通信光缆，造成全站通信失灵，从而酿成安全事故。2016年8月11日，某220kV变电站低压电缆沟起火，造成沟道内3条光缆全部中断，造成直接经济损失10万元，间接经济损失8万元，造成通信八级事件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图之一。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例
参见图1，本发明基于Lora扩频无线长距环境监测系统，包括现场数据采集部分、中间数据服务器部分和上端应用展示部分，现场数据采集部分由水位监测子系统、温度检测子系统、气体检测子系统三个子系统构成，主要采集电缆沟、竖井内部的温度、水位、气体信息，整理后发送给最近的Lora/4G网关设备，Lora/4G网关设备把接收到的信息转发给远程的中间数据服务器部分，中间数据服务器部分的云端服务器包括数据存储、数据管理和数据分析及预警模块，中间数据服务器部分与上端应用展示部分通讯连接。
水位监测子系统采用水位传感器将液位信息转换为4-20ma的电流信号，经过转换器之后调整为1-5V 的电压信号传输给处理器，处理器采集电压信号，通过内部建立的液位-电压数学模型，达到实时监测液位的目的，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
温度检测子系统采用数字温度传感器，处理器通过数字接口读取电缆沟和竖井内部温度，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
气体检测子系统采用气体传感器同时检测气体中的氨气、沼气和一氧化碳，传感器输出1-5V的电压信号传输给处理器，处理器采用片内集成模数转换器计算电压值，建立气体成分浓度和电压的函数关系式，根据电压值监测空气中有害气体成分和浓度；烟雾的监测采用数字烟雾传感器，将空气中的烟雾浓度直接通过数字接口输出到处理器，然后将读取的数据通过Lora无线通信方式发送给网关设备。
系统工作时通过对电缆沟和竖井是否漏水进行实时测量，实现自动报警；通过环境温度异常，达到实时掌控电缆沟、竖井内环境温度目的；通过对电缆沟和竖井内有害气体含量的检测，实现对环境状态的实时了解；系统还可以实现手机用户的访问。
Lora/4G 网关设备可为物联网设备提供低功耗的、移动的、安全的本地双向通信服务。LoRaWAN可以简化设备、用户、网络之间的交互，并提供标准。网关的架构采用星型结构，可以在终端设备和中央网络服务器之间实现消息传递，网关可以通过标准的IP连接到服务器，前端节点设备通过单跳给单个或多个网关，实现无线通信。前端设备与网关之间的通信可以通过不同的频道和数据速率建立，速率可以实现协商确认。为了节省电池续航时间，网关可以通过自适应速率机制来做到最大化省电。
该系统采用积木式结构，由三个子系统组成，可任意组合构成新的子系统，每个子系统均能独立工作。该系统是保证电缆沟和竖井内光缆安全可靠工作的专用监控系统。
上端应用展示部分实现了当前比较流行的两种展示方式：WEB访问和APP。其特点为客户端仅加载浏览器即可访问数据库，数据查看方便、及时、规范；数据快速可靠地传输、存储、更新，以及前端显示多样性；实时监测，分析电缆沟、竖井环境；实现对传感器智能控制；实现系统的运行维护管理，主要包括系统管理，人员管理，权限管理；最终将现场实时监测到的数据进行后端存储，前端展示（以组态图、曲线图、详细数据等显示出来），并对这些数据进行统计和分析，将结果以报表等形式显示出来，对电缆沟、竖井的异常状态给予报警提示。
服务器主机主要功能有数据存储、数据管理和数据分析及预警。文件存储和数据库存储是两种不同的历史数据存储方式，前者的存储效率较高，后者可以构建更为严密的数据逻辑关系。WEB Service数据服务提供平台独立和松耦合的WEB应用程序数据接口，使用的XML标准描述和配置，可满足分布式的移动监控、集中监控、故障预警和故障分析需要。

Claims (5)

1.一种基于Lora扩频无线长距环境监测系统，包括现场数据采集部分、中间数据服务器部分和上端应用展示部分，其特征在于：现场数据采集部分由水位监测子系统、温度检测子系统、气体检测子系统三个子系统构成，主要采集电缆沟、竖井内部的温度、水位、气体信息，整理后发送给最近的Lora/4G网关设备，Lora/4G网关设备把接收到的信息转发给远程的中间数据服务器部分，中间数据服务器部分的云端服务器包括数据存储、数据管理和数据分析及预警模块，中间数据服务器部分与上端应用展示部分通讯连接。
2. 根据权利要求1所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，其特征在于：水位监测子系统采用水位传感器将液位信息转换为4-20ma的电流信号，经过转换器之后调整为1-5V 的电压信号传输给处理器，处理器采集电压信号，通过内部建立的液位-电压数学模型，达到实时监测液位的目的，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
3.根据权利要求1所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，其特征在于：温度检测子系统采用数字温度传感器，处理器通过数字接口读取电缆沟和竖井内部温度，并且通过Lora无线通信技术将数据发送给Lora/4G网关。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，其特征在于：气体检测子系统采用气体传感器同时检测气体中的氨气、沼气和一氧化碳，传感器输出1-5V的电压信号传输给处理器，处理器采用片内集成模数转换器计算电压值，建立气体成分浓度和电压的函数关系式，根据电压值监测空气中有害气体成分和浓度；烟雾的监测采用数字烟雾传感器，将空气中的烟雾浓度直接通过数字接口输出到处理器，然后将读取的数据通过Lora无线通信方式发送给网关设备。
5.根据权利要求4所述的基于Lora扩频无线长距环境监测系统，其特征在于：上端应用展示部分包括显示屏、WEB应用终端以及APP应用终端设备，显示屏通过以太网和云端服务器连接，WEB应用终端通过wifi与云端服务器连接，APP应用终端设备通过移动网络与云端服务器连接。
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