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NB-IoT（基于宽带蜂窝通信网络的新型窄带智能物联网通信技术）是指运用3GPPT的技术标准而设计实施的窄带物联网网络通信基础技术，它主要指的是一种面向用于长距离、低功耗速率、低功耗、多频段终端终点业务的窄带智能应用设备的网络通信基础技术，系统的通信功耗低、成本低、连接网络能力强、覆盖区域能力强等这是它的NB-IoT 主要技术优势，特别是最适合面向远距离、多节点终端业务智能应用设备的窄带物联网网络通信基础技术。NB-IoT 主要是低功耗速率窄带高宽度窄带物联网通信技术，采用的端接口到点终端系统基础架构。

随着目前物联网在移动通信行业发展中的广泛应用，实现了一种人与物之间的移动通信无线连接。2016年6月，该相关应用技术标准的三个版本核心内容已经基本编写工作完成，并正式开始对外公开发布了3GPP LTE R13版本，形成了推动我国基于NBIoT 的第一套应用技术标准使用信息系统技术标准安全管理体系与技术应用系统网络安全管理体系架构，这样就有效地地促使了推动我国形成NB-IoT 技术应用信息系统相关基础信息技术和相关应用网络生态安全链条的健康发展，有利于有效推动我国物联网技术相关基础技术向乃至全国更多不同技术行业和各领域应用进行更加规范化的推广与广泛规范使用[1]。

在输电杆塔倾斜度监测系统的领域上，前人们大多数用ZigBee 组网技术、GSM 模块或GPRS 模块与上位机软件来达成远程监测的目的。而泛在电力物联网也得到快速的发展，把物联网相关技术应用到电力领域上，可以极大的减少经济损失，能很大程度上提高对电力的利用率[2]。RIFD 通信技术和NB-IoT 技术无论在功耗上、传输距离上、成本上都比原有的无线网络技术占有绝对的优势，所以本系统在基于低功耗广域网的基础上与倾斜传感器MPU6050相结合，完成了对输电杆塔状态的远程实时在线监测系统。

1 系统的整体设计

1.1 系统设计原则

系统的设计是本着提高目标系统的简单性、经济性、适应性、完整性、一致性、灵活性、可靠性、系统的运行效率和安全性为基本原则，并适用于中型、大型的多点实时在线监测系统，实现区域化监控、自由化检索、智能化管理等基本功能[3]。系统设计的原则来源主要分为以下三个方面。

相对复杂的气象环境。由于输电杆塔监测系统安装在室外环境，更多的是安装在野外环境，受气象条件因素的影响非常大，所以，必须保证系统在各种复杂的气象条件下依然能够正常运行并且数据准确。

相对复杂的地理环境。野外的输电杆塔一般都处在高山、河流附近和较空旷的地理位置，有些特殊的地理位置会对无线网络传输有着干扰性，比如森林树木茂盛和高山岩石较多。所以，就必须保证系统的无线传输硬件有着很强的抗干扰性，能够使数据实时的、准确的传输下去。

材料以及成本。在中国，输电杆塔的数量庞大，所以本实验在设计之初就想到了低成本的基本原则，本实验中选用的主控芯片、无线网络传输模块、传感器模块、电源模块都属于低成本，并且使用寿命极长，功能特性也足以应对本系统的应用，极大的满足了系统设计的初衷。

1.2 系统设计方案

根据有关部门的大量统计的输电杆塔倾斜事故可以知道，地理位置处于野外、采空区、高山等极差地理环境的输电杆塔非常容易造成电力事故，如倾斜、倒折、平移等。常年发生的电力事故会经常性影响输电系统的正常运行，因此输电杆塔在线实时监测系统满足的一些参数就显得尤为重要，如切斜参数要精准、数据传输要稳定、在线监控要实时等。并且，现有的线路检修和巡检会浪费大量的人力物力，特别是对有一些存在安全隐患的杆塔不能及时发现，所以还要保证能够快速的确定所发生事故输电杆塔所在地，及时派人检修。只有达到这些，才能从最根本上解决偏远山区的输电杆塔线路安全运行与快速检修的难题。本文为了更大程度上解决以上的难题，设计了一种基于低功耗广域网的实时在线监测系统。其中无线网络技术NB-IoT 技术与RIFD 组网技术在通信距离和速率上可以完美的胜任，倾斜传感器MPU6050数据测量精准并且不易失帧，每个节点都具有单独的测量模块设备。

1.3 系统的功能

众所周知，输电线路是一个很大的系统，牵扯到的输电杆塔更是数不胜数。所以本输电杆塔在线监测系统具有强大且稳定的分析、统计以及显示功能，最重要的是能够直观明了的给出输电杆塔实时状态的报警通知。然后结合管理人员通过云平台数据信息进行分析处理，最后对检修人员下达命令，及时对事故或者隐患进行解决，保证输电线路的稳定运行。本系统以电力物联网为核心，以输电杆塔倾斜度为主要监测参数，搭建了一整套监测系统。通过RIFD 技术，可以完美的解决野外等偏远地区没有网络的问题。并且系统中可以自由添加传感器，如风向、风速传感器等，在传感器方面可以按照需要添加。除此之外，系统还有如下几点功能：

系统采用太阳能电池板与锂电池相结合的供电方式，并且通过软件设计使系统更加低功耗，在运行方面可以得到极大的保证；本系统可以延伸至多个子节点，可以完成对大区域输电杆塔倾斜状态的在线远程监控，这样可以解决平常人工巡检无法到达或者相对困难位置的窘境；系统稳定性强。在学校范围内进行多次试验，系统环境适应能力强，并且具有较强的抗干扰能力；通过NB-IoT 模块将数据上传云平台后，登录账号可以在云平台设置相应的报警触发值，报警通知等。可以使输电杆塔运行人员更加方便处理、节约时间、减少损失等。

2 系统硬件设计

2.1 倾斜传感器

MPU6050本系统监测对象对输电杆塔的倾斜度参数，而此参数是衡量输电杆塔状态的重要因素，因此一定要保障数据的可靠性、稳定性和准确性。本系统采用型号为MPU6050的三轴加速度传感器。倾斜角度传感器MPU6050为目前全球业内首例整合性6轴高速运动图像处理系统组件，相较于多数的组件解决方案，免除了传统组合六轴陀螺仪与六轴加速器运动时间与转轴之差的巨大问题，减少了大量的组件封装占用空间，大约在4×4×0.9mm，在国际业界认为是极具革命性的产品尺寸，并且成本低廉。

MPU6050的快速刹车制动角度与行驶速度状态感应条件检测器的条件感应范围分别为±250、±500、±1000与±2000°/sec（DPS），可准确性地实时追踪快速与慢速车辆刹车时的动作。并且还在每个MPU6050模块内部分别设有一条自带直流稳压电源控制线路，可以兼容3.3V 或5V 的嵌入式系统。支持多个MPU 的仓库代码源码DMPU 仓库是一个官方自动调制解调器检测算法资源仓库，配合卡尔曼自动滤波器调制解调的算法，能够在各种没有动态姿势测量值的环境下准确性地检测各个输出模块的当前姿态测量值的状态，姿态测量值在当前测量时的准确精度范围可以直接达到0.01度。其中DMP 是InvenSense MPU（运动处理器）设备独有的硬件特性，它可以通过传感器数值计算四元数，执行设备校准。DMP 映像（固件）存储在MPU 的非永久性存储器上，需要在每次芯片上电时更新到DMP 内，以使能此功能。

2.2 NB-IoT 网络模块

本产品系统目前采用的模块是上海稳恒电子科技有限公司公司生产的产品型号名称为N-WHNB73的一种NB-IoT 网络模块，总的来说，本产品系统目前使用的这种NB-IoT 网络模块主要因为具有以下四种基本优势：

广覆盖。较传统的GPRS 等无线网络连接技术，NB-IoT 网络模块将能够提供经过改进之后的无线网络覆盖率和增益，达到了164dBm，比传统现有的无线网络技术增强20dB，覆盖面积可以扩大约100倍。

基本具备同时支持我国海量无线设备的网络连接的覆盖能力。比传统现有网络技术可以提高50-100倍的网络接入设备数量，NB-IoT 的一个超大扇形连接区域就能够同时支持10万个设备连接，满足大量设备联网要求。并且它还支持低网络延时的高敏感度和易于优化的无线网络管理架构，抗干扰能力极强。

低功耗。在一套完整的检测系统中，NB-IoT 模块负责向云平台发送数据，处于极其重要的地位。NBIoT 模块在工作状态时，最大发射电流为302mA，最大接收电流为64.5mA。空闲状态时为4.3mA，休眠状态仅5μA。所以用在终端上的NB-IoT 终端模块的平均待机时间大大提高了达到了10年之久。

待机成本低。本产品系统所用的终端NB-IoT终端模块待机成本平均不足5美元，在网络连接方面可以直接复用现有的移动通信基站设备，相比需要重新建网的无线通信模块，更加节省成本。

2.3 云平台

在完成子节点和主节点各部分软件设计之后，需要进行注册云平台，修改云平台中的相应协议和参数，保证与系统软硬件能够进行数据交互。首先在一个云计算平台中需要添加网络设备型号信息，通信协议可以选择Modbusrtu，Modbusr 这是一种串行通信协议，非常容易用来进行系统部署和日常维护，目前已经存在很多使用于通信串口、以太网以及其他能够支持各种互联网协议的连接网络的最新版本，通常可以用来构建连接网络数据流的采集与处理监测器并控制到云系统中。

3 系统的功能测试与应用

在输电杆塔倾斜度监测系统的软硬件设计完成后，应对系统进行功能性测试，主要包括RFID 模块点对点通信测试、RFID 模块多跳组网通信测试、NB-IoT 模块实时数据上传测试与报警功能测试。整个输电杆塔倾斜度监测系统共具有三个节点，两个子节点与一个主节点，均是制作的模拟输电杆塔。系统测试采用的机制是整体位于东北农业大学校园内，长期处于室外运行。

3.1 点对点通信测试

在整个监测系统运行前，首先进行RFID 点对点通信测试。RFID 点对点通信可靠、稳定是整个系统通信网络的基础。将两个子节点放置在东北农业大学校园内，子节点1固定设置在南区体育馆附近，子节点2设置在电气与信息学院附近，两节点直线距离大约为750m，两个节点均包含有RFID 通信模块。子节点1南区体育馆发送测试信息，子节点2连接电脑，用串口调试助手等待接收信息并打印。若绿灯呈规律性闪亮，则说明子节点2接收数据成功。在通过反复进行测试，实验结果表明，在校园内树木、教学楼等地况极其复杂的环境下RFID 的点对点通信距离约为1km。在此范围内数据可以可靠传输。

3.2 实时数据上传测试

多跳通信测试后，开始进行数据实时上传云平台测试。将子节点1、子节点2和主节点长时间放置在相应的位置，整体位置处于东北农业大学校内。数据上传云平台后可以通过移动端和电脑端观看实时数据，电脑端需要账号登录所注册云平台，移动端可以通过微信小程序、短信、邮箱来实时查看。如果任何节点（模拟输电杆塔）出现倾斜或倒塌，云平台会通过电脑端和手机端发送报警通知。我们选定时间为2019年7月28日来作为实验数据测试。

3.3 报警功能测试

报警测试中还是选取子节点1作为对象。本实验中，我选定的数据参数是绕X 轴旋转的pitch，初步设定触发值为1.5，如果模拟杆塔在晃动倾斜中此参数超出预定的触发值，则会有报警通知。当杆塔恢复原状时，也会提示用户杆塔恢复正常。在设定触发值时，可以在三个参数里面设定多个，此实验只设定一个触发值，方便测试报警功能。移动端可以通过邮箱，短信和微信公众号获取报警信息，电脑端云平台也可以获取报警信息。