陳子晗

（上海電力大學(xué)，上海 200000）

在“碳達峰”“碳中和”大力普及的背景下，農(nóng)村新能源得到了大力發(fā)展，太陽能、風(fēng)能為主的清潔能源正逐步改善著新農(nóng)村配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。同時儲能系統(tǒng)的大力建設(shè)也對儲能裝置的建設(shè)提出了新的要求。

NB-IoT是一種基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上。僅消耗約180 kHz帶寬，可部署于GSM、LTE、UMTS等網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。同時，可以快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級[1-2]。隨著5G技術(shù)的成熟發(fā)展和人們需求的推動，工業(yè)已進入4.0時代。社會各行各業(yè)都在發(fā)生翻天覆地的變化和變革，智能化、快速化、精確化的發(fā)展方向已成為共同的追求。在這種環(huán)境下，一種基于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的全新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生[3]。NB-IoT技術(shù)優(yōu)化了4G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，具有獨特的技術(shù)特點和優(yōu)勢。隨著社會的快速發(fā)展，越來越多的低速、高時延設(shè)備被生產(chǎn)出來，使得NB-IoT技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。由于智能微電網(wǎng)、智能電表等監(jiān)控領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t不敏感，NB-IoT蓬勃發(fā)展。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，NB-IoT技術(shù)逐漸應(yīng)用于智能監(jiān)控場景，NB-IoT終端數(shù)量快速增長。將NB-IoT技術(shù)引入到智能監(jiān)控領(lǐng)域，沒有技術(shù)障礙，可以標(biāo)準(zhǔn)化推廣。另一方面，NB-IoT可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程主站，時效性更強。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計原理圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由監(jiān)測端、NB-IoT模塊、云平臺3部分組成。監(jiān)測端使用AT32F403A型微控制器和SH367309BMS芯片，負責(zé)采集儲能電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)，保持與NB-IoT模塊，使通信完成數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)[4]。NB-IoT模塊使用的是WH-NB75-BA型產(chǎn)品，支持CoAP協(xié)議和UDP協(xié)議，通過串口和控制器連接再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)了模塊到云平臺的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。云平臺采用的是有人透傳云，利用AT命令配置應(yīng)用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制器與監(jiān)測芯片

SH367309BMS芯片適用于5-16串鋰電池保護，足夠監(jiān)測總電壓不超過70 V的鋰電池包，擁有13bit－VADC用于采集電池的溫度、電壓以及電流，轉(zhuǎn)換頻率可以達到10 Hz，其中包括了16路電壓采集通道，1路電流采集通道和3路溫度采集通道。同時內(nèi)置EEPROM，支持100次的編程擦除次數(shù)。芯片可以完成充電過電流、過充電、過放電等硬件保護功能，同時還進行對電池包每節(jié)電芯的電壓、充放電流以及監(jiān)測點的溫度實時監(jiān)控。

微控制器使用的是AT32F403A型，該控制器集成了足夠應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場監(jiān)測的接口電路，內(nèi)置1 024K字節(jié)的閃存存儲器，96+128K字節(jié)的SRAM，是一款帶有ARM內(nèi)核的32位處理器。工作電壓范圍為2.6～3.6 V，在-40～105℃工作溫度范圍內(nèi)可以正常工作，為滿足監(jiān)測領(lǐng)域的功耗要求提供了3種省電模式，非常適用于監(jiān)測控制系統(tǒng)，具有低功耗、高可靠性和低成本的優(yōu)勢。監(jiān)測芯片與控制器的外圍接線如圖2所示。

圖2 監(jiān)測芯片與控制器的外圍接線

2.2 NB-IoT模塊與透傳云

NB-IoT模塊采用WH-NB75-BA實現(xiàn)了設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)。模塊支持2路簡單透傳、6路指令傳輸和1路CoAP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接收緩存和串口發(fā)送接收緩存都可以達到1 024字節(jié)。溫度范圍為-35～75℃，工作濕度為5%～95%（無凝露），可以滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測的需求，達到穩(wěn)定高效的工作。

2.2.1 NB-IoT的低功耗機制

為了解決功耗的問題，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)引入了PSM和eDRX技術(shù)極大地降低了終端的能耗，使得設(shè)備的使用時間大大延長[5]。PSM指終端用戶進入功率節(jié)省狀態(tài)，此時終端不接受無線側(cè)傳呼，沒有消息交互處于最省電狀態(tài)，最大可能降低功耗。此模式下只有終端主動上傳數(shù)據(jù)，平臺才能數(shù)據(jù)下發(fā)。eDRX是指為了進一步減少終端空閑狀態(tài)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)下發(fā)數(shù)據(jù)的尋呼數(shù)據(jù)，擴展尋呼周期減少監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)尋呼時間，從而降低功耗。此模式下平臺可以下發(fā)數(shù)據(jù)，如果通信處于尋呼窗口則終端立刻接收數(shù)據(jù)，如未處于窗口時間，網(wǎng)絡(luò)則會緩存數(shù)據(jù)。NB75測試的狀態(tài)功率消耗情況見表1。

表1 NB型功率消耗

2.2.2 有人透傳云平臺

為了更好地實現(xiàn)NB-IoT的低功耗特點，模塊增加了休眠模式，通過降低或者不主動接受服務(wù)器數(shù)據(jù)達到低功耗的目的，并且因為IoT模塊目前只支持UDP協(xié)議，在其內(nèi)部增加CoAP協(xié)議使得數(shù)據(jù)更好傳輸。本監(jiān)測系統(tǒng)使用的有人云平臺支持CoAP協(xié)議，在透傳云中進行設(shè)備的添加，就可以通過一條AT指令實現(xiàn)將數(shù)據(jù)百分百發(fā)送到服務(wù)器，內(nèi)置的CoAP協(xié)議也保證了數(shù)據(jù)傳輸機制的準(zhǔn)確性。

3 監(jiān)測軟件設(shè)計

3.1 總體軟件系統(tǒng)設(shè)計

電池監(jiān)測芯片在主控器AT32F403A的控制下完成電池的溫度、電壓電流的數(shù)據(jù)采集和簡單的電流電壓保護以及數(shù)據(jù)傳送至NB-IoT模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控。微控制器和采集模塊之間采用I2C通信協(xié)議通信產(chǎn)生起始和停止信號、CRC校驗碼用以確保通信的準(zhǔn)確性，同時使用的DMA可以用來減輕CPU占用資源。微控制器和NB-IoT模塊之間采用的是UART通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。電池的數(shù)據(jù)采集需要設(shè)置一個中斷定時，否則大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳不僅會占用控制器的處理內(nèi)存，而且會加大NB-IoT模塊上傳下發(fā)數(shù)據(jù)的壓力，造成網(wǎng)絡(luò)擁擠影響數(shù)據(jù)的精確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的整體開發(fā)環(huán)境為Keil5，編程語言為C語言，通過控制器集成的AT-Link-EZ編程和調(diào)試工具即可對AT32F403A進行調(diào)試。系統(tǒng)的總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總體流程

3.2 NB-IoT模塊與有人云軟件系統(tǒng)設(shè)計

首先登陸透傳云配置設(shè)備和透傳云地址，設(shè)置完成后重啟模塊查詢駐網(wǎng)，利用AT+NMGS命令發(fā)射確認(rèn)信息，確認(rèn)后就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給NB-IoT模塊再上傳至服務(wù)器[6]。在NB-IoT控制臺中將模塊設(shè)置為透傳模式，使用虛擬串口從云端拉取采集數(shù)據(jù)并顯示，方便進行實時監(jiān)控。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計了基于NB-IoT技術(shù)的農(nóng)村微電網(wǎng)儲能電池的狀態(tài)監(jiān)測，能夠?qū)崟r地采集到電池的溫度、電壓、電流的狀態(tài)信息，同時完成電池的保護和故障警示功能。結(jié)合遠程的監(jiān)控中心可以完成對數(shù)據(jù)的處理分析，方便協(xié)助運維人員對儲能設(shè)備的管理，大大地提高了農(nóng)村儲能運行的工作效率，具有一定的實際使用價值。