基于Cat.1物联网通讯的低功耗采集器在城市燃气中低压调压箱中的应用设计.pdf

2023.22 科学技术创新基于 Cat.1 物联网通讯的低功耗采集器在城市燃气中低压调压箱中的应用设计卢明浩（北京顺义燃气有限责任公司，北京）1背景及现状近年来全国多地燃气泄露爆炸事故频发，特别是中低压调压箱，数量众多，靠近用户侧，发生泄露爆炸事故时，可能会造成严重的人身伤害和财产损失，且普遍不具备市政电源接入条件，没有纳入监控系统，处于监控盲区，应采取有效的监控措施，保障中低压调压箱的运行安全。2目的和意义为了满足对中低压调压箱远程数据采集及监控的可靠性需求，同时解决系统功耗高、数据传输安全性差等问题，本文结合低功耗技术、传感器技术、Cat.1无线数据传输技术以及中低压调压箱现状，设计了一种基于 Cat.1 物联网通讯的低功耗采集器，构建完善的中低压调压箱监控系统，切实提高中低压调压箱运行的安全系数，有效保障天然气用户侧的安全。其目的和意义在于：（1）适用于中低压调压箱的数据采集与监控要求，实现对调压箱进出口压力及天然气浓度的实时监控，确实提高无人值守站点运行安全水平，降低人工巡检的人力、物力成本。（2）超低功耗技术，采用一次性锂电池+外置电池供电模式，从采集器硬件电路设计、软件功能设计、电源管理策略及外设传感器选型等方面入手，不断的降低电池放电电流及系统整体功耗，同时确保系统稳定、连续运行。（3）数据安全加密技术，将国密安全芯片集成于 Cat.1 通讯模组中，构建一体化的国密安全通讯模组，全面提升通讯数据的安全性。（4）与 SCADA 系统的融合，采用 Cat.1 通讯模式，利用已建 SCADA 系统的通讯专网卡，实现采集器和工业物联网软件平台的通讯，并将采集到的数据，并入 SCADA 系统进行数据的综合展示和应用1。3系统总体方案设计3.1系统需求分析随着传感器技术、无线数据传输技术及电池技术的迅速发展，目前低功耗智能终端设备已广泛应用于智慧能源、智慧农业、智慧医疗等领域。本次设计的基于 Cat.1 物联网通讯的低功耗采集器，主要用于实现对无人值守、无市电供应的中低压调压箱的远程监控。通过对中低压调压箱监控系统背景及现状分析，采集器需要满足的主要功能如下：（1）数据采集功能：进出口压力、天然气浓度、环境温度及电池电压；摘要：城镇燃气中低压调压箱监控系统设计采用一体化的低功耗采集器及工业物联网平台，实现对调压箱的远程监控。采集器采用 Cat.1 物联网通讯方式，内置+外挂电池模式，配置进出口压力变送器和激光浓度检测仪，实现对调压站进、出口压力、天然气浓度等过程参数的采集，通过 Cat.1 国密安全通讯模组将数据远传至调度中心工业物联网平台，数据入库后，通过 SCADA 系统进行数据的综合展示和应用，实现对调压箱的远程监控。关键词：低功耗；Cat.1 通讯；国密安全模组；激光浓度检测仪；工业物联网平台中图分类号院TE973文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0091-04作者简介：卢明浩（1984-），男，本科，中级工程师，研究方向：燃气运营与安全管理。91-科学技术创新 2023.22（2）系统功耗：采用一次性锂电池+外置电池供电，在内置电池供电模式下，压力、温度、电池电压采集周期为 5 min，天然气浓度采集周期为 1 h，在上传周期为 20 min 模式下，通过软、硬件低功耗设计和动态电源管理等手段，系统可以连续使用 1.5 年以上；数据采集、上传周期可设置；（3）通讯方式：4G-Cat.1 低功耗通讯模式，支持全网通；（4）数据存储：5 min 一存储，本地可连续存储1 年以上历史数据，数据可通过本地 USB 口下载；数据存储周期可设置；（5）防爆标志：Exd ia II BT6；（6）防护等级：IP68；（7）工作温度：-30 70。3.2系统总体方案设计本次设计的基于 CAT.1 物联网通讯的低功耗数据采集器采用内置一次性锂电池+外置电池供电模式，通过 MCU 完成数据采集、数据处理、数据存储、数据传输、报警处理等功能，并将数据远传至调度中心工业物联网平台，系统的组成框图如图 1 所示。图1系统的组成框图4低功耗设计采集器需长时间运行在无人值守的中低压调压箱内，无市电接入，依靠内置锂电池+外置电池供电，实现对调压箱的远程监控。为了减少电池的频繁更换，降低人工维护成本，系统从硬件电路设计、器件选型、电源管理、通讯模式和软件功能等方面来不断的降低系统功耗，满足系统的功能需求2。4.1硬件电路设计（1）MCU 单元MCU 是采集器的核心控制单元，负责与系统各个功能模块共同完成数据的采集、处理、存储、传输、报警处理、人机交互等功能。本系统采用 STM32 系列 32位增强型 STM32F103VCT6 芯片作为系统的 MCU，该芯片是基于 ARM Cortex-M3 内核的微控制器，最高工作频率 72MHz，具有待机、休眠、停止三种低功耗运行模式，2.03.6V 电压供电，待机或停机模式下，功耗低至几 A，通过低功耗 RTC 芯片提供的精确时钟源，定时唤醒，在完成数据的采集或上传后立即进入休眠模式，最大限度的降低整个系统的功耗。（2）供电单元本次设计采用内置 3.7V19Ah 一次性锂电池+外置电池为整个系统供电，由 MCU 合理调度、灵活切换各功能模块的供电，只在某个功能模块调用前上电，完成工作后立即断电，进入休眠或停止模式。设计选用 SPX5205M5-L-3-3 型恒压变压器芯片，将 3.7V 锂电池电压降为 3.3V 为内部各功能模块供电，见图 2。图 2微功耗逻辑控制原理图（3）信号采集单元I2C 或 SPI 串行接口电路。调压站压力变送器普遍采用 4-20 mA 输出信号，功耗较大，本设计采用MPM3808 数字压力传感器，该传感器采用 3.3V 电压供电，工作模式下供电电流 2.5 mA,待机模式下供电电流可低至 5 A，支持标准 I2C 接口协议或 SPI 接92-2023.22 科学技术创新口协议输出，可以方便的接入 MCU STM32F103VCT6芯片的 SPI 或 I2C 接口，配合软件间接供电模式，可实现对压力的低功耗采集。TTL 并行接口电路。调压站浓度变送器普遍采用传统的催化燃烧式，上电需先预热后才能正常检测，功耗较大，本次设计采用本安型激光甲烷传感器，该传感器采用激光光谱原理，响应速度快，测量范围大，测量精度高，支持 TTL 通讯，额定功耗只有 20mA 3.3VDC，可实现对天然气浓度的低功耗采集。（4）通讯单元本次设计采用 CAT.1 通讯模组作为无线传输模块，实现采集器和调度中心工业互联网平台的通讯；同时在 CAT.1 通讯模块内集成国密级安全芯片，提高通讯数据的安全性。4.2软件设计软件低功耗设计主要是通过控制各个功能模块的工作唤醒和空闲休眠，控制数据的采集和传输时间来降低系统功耗，实现系统的低功耗设计，见图 3。图 3软件功能框图（1）定时采集、集中上传通过设定数据采集、上传周期，实现对数据的定时采集、集中上传。例如设定数据采集周期为 1 h，上传周期为 24h，采集器通过外设 RTC 时钟，每小时唤醒 MCU 等功能模块，完成对压力、浓度、电池电量和工作温度的采集和数据存储，完成后立即进入休眠模式，等待下一个采集周期；完成 24 次采集后，MCU 调用 CAI.1 通讯模组，通讯模组开启上电拨号模式，和中心建立连接后将数据发送给上位平台，完成数据发送后断开通讯连接，采集器各功能模块进入休眠模式，等待下一个采集或上传周期。（2）异常报警数据唤醒模式除定时采集和上报外，还支持报警阈值设定，采集周期内采集到的数据超限时，MCU 立即执行 CAT.1通讯子程序，将报警数据及时发送至上位平台。例如进口压力报警上限设定为 1.5 Mpa，当在任意采集周期内采集到的进口压力超过 1.5 Mpa 时,MCU 立即启动 CAT.1 拨号上传程序，将数据及时上传至上位平台，见图 4。图 4系统软件工作流程图5CAT.1 国密安全通讯模组5.1CAT.1 通讯Cat.1（全称 LTE UE-Category 1）是 4G 通信 LTE网络下用户终端类别的一个标准。其上行峰值速率 5Mbit/s，下行峰值速率 10 Mbit/s，定位于面向物联网应用市场的一个类别。在我国，随着 5G 建设高速推进，2G、3G 退出舞台已是大势所趋，随着 2G 网络的承载能力进一步减弱，在新部署的物联网连接中 NB-IoT、4G 会逐步替代 2G模组。相比 NB-IoT，Cat.1 在网络覆盖、速度和延时上均有优势；相比传统的 LTE Cat.4 模组，Cat.1 则拥有93-科学技术创新 2023.22低成本和低功耗优势。同时，Cat.1 适配于当前国内的4G 网络，非常适合运用在对性价比、时延性、覆盖范围、通信速度有要求的运用场景3。5.2CAT.1 国密安全通讯模组目前，物联网终端设备数据传输的安全性是用户一直以来比较关注的重点，一般的解决方案是通过对报文软加密处理或增设硬件加密芯片来提高数据传输的安全性。本次设计的低功耗采集器采用国密级硬件加密芯片，不同于传统的安全模块旁挂模式，将国密级安全芯片集成于 Cat.1 通讯模组中，采用安全模块前置化串行结构，构建一体化的 Cat.1 国密安全通讯模组，具 备 标 准 的 Cat.1 通 讯 能 力，同 时 支 持 国 密SM2/2/3/4/9 等算法，在模组中内嵌密钥分发，密码运算能力，外部应用通过 AT 指令访问 Cat.1 模组的安全服务，可实现身份认证、数据加密、数字签名验证等功能,简化通讯结构的同时，有效降低通讯功耗。参考文献1韩彬,闻亚星,张庆保,等.清管产物对天然气管道内检测的影响J.管道技术与设备，2020(4)：32-33.2王锋,闻亚星,陈金忠.油气管道皮碗清管器材料磨损机理研究J.管道技术与设备，2019（1）：40-42.3马志宇,蔡亮,段秋生,等.国内外油气管道清管技术的现状和发展趋势J.石油库与加油站，2016（6）：14-19，5.Low Power Collector Based on Cat.1 IoTCommunication Application Design of LowPressure Regulating Box in Urban GasLu Minghao（Beijing Shunyi Gas Co.,Ltd.,Beijing,China）Abstract:The monitoring system of town gas medium and low pressure regulator box is designed to usean integrated low-power collector and the Industrial internet of things platform to realize remote monitoring ofthe regulator box.The collector adopts Cat.1 Internet of Things communication mode,built-in+externalbattery mode,and is equipped with inlet and outlet pressure transmitters and laser concentration detectors,whichcanrealizethecollectionofprocess parameters suchasinletandoutletpressure,naturalgasconcentration,etc.of the pressure regulating station,and transmit the data to the Industrial internet of thingsplatform of the dispatching center through Cat.1 national security communication module.After the data isstored in the database,the data is comprehensively displayed and applied through the SCADA system,Realizeremote monitoring of the pressure regulating box.Key words:low power consumption;Cat.1 communication;national security module;laser concentrationdetector;industrial internet of things platform94-