基于NB-IoT與微信小程序的電力端子箱智能告警系統設計

國網寧德供電公司 連 暉 周震塵 黃娟娟

1 引言

端子箱是電力生產活動中常見的一類設備，被廣泛部署于各種位置。當前的電力生產環境中，運維模式需要人員到現場逐個將端子箱打開，檢查箱體內運行環境，將數據逐一測量、上報。當遇到臺風、暴雨等極端天氣時，運維人員仍須到達現場，包括一些偏遠的變電站來檢查端子箱的運行情況。在這些極端情況，例如前述的我國沿海地區每年夏秋季節遭遇的臺風條件下、北方地區冬季遭遇的暴雪環境下，檢修人員需要逐一確認端子箱的狀態，例如是否存在意外開啟、進水、凍結等情況。當前技術存在的主要缺點是耗時長、效率低，并且當遇到臺風、暴雨等極端天氣時，運維人員無法及時到現場（特別是偏遠變電站）檢查端子箱運行情況。

在移動互聯網與硬件技術水平不斷提高的大趨勢下，這一檢修過程可以使用更為便捷的方式進行替代。在端子箱內根據需要放置可移動的便攜式溫濕度傳感器，令檢修人員能夠便捷地通過手機查看監測數據，并在有需求時進行告警，而無須頻繁地前去檢查端子箱狀態。對于地理位置比較偏遠的端子箱，這種做法既能夠極大地減少運檢人員的工作負擔，也能夠更快地在數據異常時候通知運檢人員。

近年來，5G 通信技術的發展令通信變得更為便捷，但對于上述設備來說，僅從物聯網角度來考慮，5G 環境下的信息數據的傳輸速度和功耗完全不具備優勢，而窄帶物聯網（Narrow Band—Internet of Things，NB-IoT）作為一種低功耗廣域網技術，其低成本和低功耗的特點極為適合此類用于監控溫濕度，具備無線傳輸數據量小、實時性強的特點的情況[1]。

而在移動端上，傳統的手機App 方式需要頻繁地下載安裝，在推廣時也需要單獨分發，用戶體驗不佳，分發成本高。微信作為國內當前移動互聯網終端上安裝較多、使用頻繁的移動應用之一，是日活躍用戶達到6億以上的一種即時通訊工具，在其之上推出的微信小程序具有無須額外安裝和卸載，就可在微信內便捷地獲取和傳播的優勢，適合提供以內容和服務為主，但又需要功能性的小應用。本文研究并設計了一種結合NB-IoT 技術和微信小程序技術的便攜式溫濕度監控設備及其配套系統，實現令運檢人員能夠利用移動互聯網來實時地監控端子箱環境內的溫濕度，并在溫濕度異常時及時地進行告警。

2 系統的體系與架構

2.1 整體架構

本文設計的端子箱智能告警系統主要由三個部分組成，分別是NB-IoT 監測硬件，數據服務器及微信小程序。NB-IoT 監測硬件模塊應置于端子箱內，其應當能夠檢測當前端子箱內的溫度與濕度，并將數據按照規定協議向數據服務器進行提交。數據服務器負責接收NB-IoT 監測硬件發送來的溫濕度數據，按照數據協議對數據的有效性與安全性進行校驗，在確認無誤后記錄至數據庫內。

數據服務器在將接收到的數據錄入數據庫后，應當按照擬定的規則判斷該數據是否為異常數據，若為異常數據的話需要主動推送信息至微信小程序，或采用其他方法來對運檢人員進行告警。微信小程序模塊由運檢人員在手機移動端進行操作，在鑒權后能夠查看各個NB-IoT 監測硬件上報的數據，并接收由數據服務器推送而來的告警信息。為了增加系統的擴展性，系統允許任意滿足規范的NB-IoT監測硬件模塊與系統進行接入。

2.2 數據交互流程與安全措施

數據交互流程及該過程中的安全措施是本系統的核心內容之一，對系統的穩定性及安全性起到至關重要的作用。在本系統中，三個組成部分的數據交互方法大致如圖1所示。

圖1 數據交互流程

其中，NB-IoT 監測硬件模塊的數據使用單向模式與數據服務器交互。在NB-IoT 監測硬件模塊提交的數據中，除了必要的溫濕度信息、時間戳外，還需要包含提前寫入的每個NB-IoT 監測硬件模塊所獨有的硬件標簽信息，以及將硬件標簽信息與所發送的數據依據進行MD5計算后得出的校驗簽名數據。

使用單向信息交互是為了保證數據服務器的任意意外事故不會影響到NB-IoT 監測硬件的日常工作，即便數據服務器出現了意外事故或遭到了安全攻擊，也不會影響到NB-IoT 監測硬件的日常工作。即便數據服務器遭遇了意外停機、自然災害等事故，NB-IoT監測硬件也不會因此受到影響，仍會持續地上報數據，因而在數據服務器恢復工作后能夠迅速恢復工作。

使用硬件標簽信息與校驗簽名能夠有效地對硬件進行鑒權操作，防止授權外的硬件向數據服務器發送數據，也能夠阻止常見的重放攻擊等攻擊方式。由于NB-IoT 監測硬件與數據服務器之間采用單向模式，其可能遭受的攻擊方法較為有限。重放攻擊，也稱為新鮮性攻擊，即攻擊者通過重放消息或消息片段達到對主體進行欺騙的攻擊行為，其主要用于破壞認證正確性。

重放攻擊是數據服務器可能遭受的攻擊行為中危害較為嚴重的一種，因為此類攻擊會造成數據服務器無法真實獲取NB-IoT 監測硬件模塊的實時數據，令運檢人員無法在線對端子箱狀況進行巡檢。為了應對此類重放攻擊，NB-IoT 監測硬件模塊與數據服務器進行通信時，需要在提交的數據中包含當前時間戳以及自身的獨特硬件信息標簽，并使用MD5方法為上述信息進行簽名。

簽名后的數據以HTTPS 方法進行加密交互，以避免第三方竊取數據內容。時間戳能夠保證消息在一段時間內的新鮮性，主體只接收時間戳與當前系統時間的差值在設定范圍之內的消息。通過上述方法，攻擊者僅能重放NB-IoT 監測硬件模塊在相近時間（如10s 內）內向數據服務器提交的數據。由于該時間較為短暫，對數據的實時性造成的影響不大，可以基本避免重放攻擊造成的危害。

數據服務器與微信小程序模塊之間的數據交互遵照微信小程序官方的開發原則，按雙方模塊需求進行通信。通常來說，只有在NB-IoT 監測硬件上報異常數據后，數據服務器才會主動向微信小程序推送異常信息，以此對使用小程序運檢人員進行告警。而微信小程序在使用時會主動向數據服務器發起數據請求顯示在小程序當中。為了加強數據安全，避免數據篡改，微信小程序用戶對數據服務器僅有讀取的權限，而無法對數據服務器內存儲的數據進行修改，能夠保證數據服務器的歷史數據不被意外修改。數據服務器與微信小程序之間的數據交互全程使用HTTPS 方法進行加密交互，能夠有效防止惡意第三方竊取數據。

3 NB-IoT 監測硬件模塊

根據NB-IoT 技術廣覆蓋、低功耗、低成本的優勢，本文研制了一種基于NB-IoT 的低功耗溫濕度采集器。該采集器以低功耗，性能良好的STM8微控制器作為主控芯片，搭配低功耗的NB-IOT 模組BC26和高精度溫濕度傳感器，定時將MCU 從休眠狀態喚醒并將數據上傳至后端數據系統，在一定程度上解決傳統的GPRS，ZigBee 等通信技術功耗大、成本高、組網復雜的問題。為檢驗系統的可靠性，將采集器置于室內數日進行了空氣溫濕度試驗，試驗結果顯示其具有較高的可靠性，監測數據有效上傳率達99.72%為測試系統的功耗，通過數字萬用表對采集器進行功耗試驗，試驗數據顯示其功耗較低，可以實現一節鋰離子電池供電長達3年以上的目標[2]。

NB-IoT 監測硬件模塊主要包括監測系統樣式外殼、控制模塊、NB-IoT 通信模塊、溫濕度檢測模塊及電池模塊。其中，監測系統樣式外殼依據部署的方法，可根據需求進行更換，以便更好地進行部署。由于端子箱空間有限，所需部署的端子箱依據時間、氣候不同可能有所切換，根據上述特點，本模塊也盡可能地減小了所占用的體積，以便置于端子箱內及更換所部署的位置。其可以簡單地放置在端子箱內而無須額外固定，以便于運檢人員進行部署。其體積小、重量輕，運檢人員在單次巡檢過程中便可以攜帶多個設備，按需求進行部署。NBIoT 監控設備的參數大致如下：數據上報頻率＞60次/小時、設備重量＜500g、設備續航時間＞30h。

4 微信小程序設計

微信小程序是運檢人員在移動端對放置有NBIoT 監測設備的端子箱進行在線巡檢的人機交互界面。出于安全因素考慮，本文設計的微信小程序不使用常見的注冊制。在使用前，運檢人員首先必須向系統的管理人員索取賬號及密碼，在微信小程序上使用賬號與密碼登錄小程序，并可以綁定自身微信賬號以便獲取告警信息的消息推送。出于安全原因，管理人員可能會定期更換系統內的賬號與密碼。賬號與密碼更換后，所綁定的微信賬號也會自動失效。運檢人員在使用賬號密碼鑒權完成后，便能夠查看自身權限范圍內所有NB-IoT 監測硬件所上報的數據。數據異常的設備或數據項將會得到突出，以便運檢人員注意。

微信小程序的常規界面中包含有一個使用紅色標題，代表了存在異常告警的設備，令運檢人員能夠便捷地發現包含有異常數據的設備。在點擊設備名稱進入設備詳情后，運檢人員也可以查看NBIoT 監測設備過往上報的數據，能夠快速追溯端子箱內NB-IoT 監測硬件所上報的歷史數據，確定告警事故發生的具體時間。

使用微信小程序的優點與不足。傳統的系統大都借助App 方法作為移動互聯網端的人機交互方法。雖然App 能夠為用戶提供更為全面的服務功能，但在本文提出的此類系統中，終端用戶（運檢人員）對系統的使用頻率不高，系統的復雜性也較低。在這種情形下，使用微信小程序替代APP 作為終端用戶的人機交互界面將更為有利。由于系統使用頻率不高，微信小程序與App 在啟動消耗時間上將基本不存在劣勢。由于系統的復雜性不高，因此微信小程序在功能與效果上也不會存在太大欠缺。除此之外，微信小程序將比App 方法還有無須安裝，便于分發、易于更新、成本低的優點，適合用作本文提出的此類系統的人機交互界面。

隨著技術或需求的不斷變更，本系統的需求也可能不斷迭代升級。傳統的App 方法在升級時較為煩瑣，需要使用應用商店進行分發，或以安裝包的形式下發到終端用戶進行升級。同時，還需要考慮不同系統，如Android、iOS 之間的差異，其分發與開發成本較大。微信小程序能夠自動升級，無須額外的分發過程，極大地便利了運檢人員的使用?？紤]到上述原因，本文認為使用了微信小程序而不是App 作為系統的人機交互方法，能夠極大地降低用戶的使用成本及開發成本，更為適合本文提出的監控告警系統。

但與傳統的App 模式相比，微信小程序在流暢程度、對復雜功能的支持水平上，還存在一定的不足。由于必須通過微信賬號登錄系統，其在用戶管理上也受到了一定程度的限制。雖然目前對系統造成的影響暫時可以忽略不計，但仍須進行適當的考慮。

本系統在設計完成后經過了多次實際測試，測試結果表明系統可靠，并具有一定的拓展性。與傳統的人工巡視相比，巡視頻率從平均14天縮短至0.5天。運檢人員可在雨天實時監測端子箱環境情況，巡視時間平均由包含往返路程在內的5h/站縮短至約0.25h/站，且無需進行實際往返。人工成本從2人/次降低至1人/次，具備一定的經濟性。