基于NB-IOT的微电网网络传输性能监控系统及实现方法与流程

本发明涉及微电网及物联网开发领域，具体设计一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统及实现方法。
背景技术：
：微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠性供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。现有的微电网的通信使用的是窄带物联网180khz的一个传输带宽进行环境、设备运行等数据的传输，但是在传输过程中对于设备接收信号的强度、信号接收质量、传输速率、设备的连接状态等网络性能参数缺乏直观性的分析方法，在一些网络环境较差的情况下无法发现丢失的重要数据从而导致严重后果。技术实现要素：本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统及实现方法，对微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的网络传输性能进行实时监控，解决因缺乏对网络传输性能的监测带来的安全隐患，提升系统的综合安全水平，从而在整体上提升系统的性能。为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统，包括现场设备层、网络传输层和平台应用层；所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统、微电网现场设备监控系统和nb-iot终端；所述网络传输层包含nb-iot基站和nb-iot核心网；所述平台应用层包括微电网环境信息采集系统网络数据传输监测和微电网现场设备监控系统网络数据传输监测。所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统、微电网现场设备监控系统和nb-iot终端；所述微电网环境信息采集系统包括温湿度监测设备、一氧化碳含量监测设备、二氧化碳含量监测设备、风速监测设备和光强监测设备，负责采集微电网现场的环境信息数据；所述微电网现场设备监控系统包括配电系统测控单元、光伏储能系统测控单元、风力并网发电系统测控单元、光伏并网发电系统测控单元、柴油发电系统测控单元，负责采集微电网现场设备的运行数据并对微电网现场设备进行控制；所述nb-iot终端包括mcu主控模块、供电模块、nb-iot无线模块和rs485接口模块，rs485接口模块负责nb-iot终端与微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的数据交互，mcu主控模块负责把微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的数据通过nb-iot无线模块发送至平台应用层的微电网智能监控平台的同时，向nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率(rsrp)、接收信号强度(rssi)、参考信号接收质量(rsrq)、信噪比(snr)、数据信道上下行传输字节总数(ul_total_bytes\dl_total_bytes)等性能参数。所述网络传输层包含nb-iot基站和nb-iot核心网；所述nb-iot基站提供nb-iot网络的信号覆盖，nb-iot终端通过rrc连接与nb-iot基站建立起连接，从而进行各种环境、测数据和网络性能参数的发送，nb-iot基站接收nb-iot终端发送的环境、设备运行数据和网络性能参数并通过s1接口转发至nb-iot核心网，同时支持响应微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过建立远程websocket连接下发的api指令，返回响应的网络性能参数；所述nb-iot核心网通过s1接口接收nb-iot基站发送的环境、设备运行数据和网络性能参数并通过sgw网关转发至微电网窄带物联网网络传输性能监控平台，同时支持响应微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过建立远程websocket连接下发的api指令，返回响应的网络性能参数。所述平台应用层为微电网窄带物联网网络传输性能监控平台，包括微电网环境信息采集系统网络数据传输监测和微电网现场设备监控系统网络数据传输监测；所述微电网环境信息采集系统网络数据传输监测负责对于微电网环境信息采集系统在进行环境数据传输过程中的网络性能参数进行显示分析，显示分析的参数主要包括参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率；所述微电网现场设备监控系统网络数据传输监测负责对于微电网现场设备监控系统在进行运行和控制数据传输中的网络性能参数进行显示分析，显示分析的参数主要包括参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率。一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统的实现方法，具体步骤如下：1)微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的环境、设备运行数据上传至nb-iot终端，与nb-iot基站建立rrc连接，并将数据上传至微电网窄带物联网网络传输性能监控平台；2)nb-iot终端的mcu主控模块通过给nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、数据信道上下行传输字节总数性能参数，并打包成json数据包格式通过mqtt协议发送；3)微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot基站建立远程连接，并下发api指令获取上下行传输速率、rrc连接成功数量等性能参数，微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot核心网建立远程连接，并下发api指令获取设备连接数等网络性能；4)微电网环境信息采集系统网络数据传输监测通过分析参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率等网络参数，对当前微电网环境信息采集系统的网络传输环境做出评估，从而对现场设备的启停、维护做出决策；微电网现场设备监控系统网络数据传输监测通过分析参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率等网络参数，对当前微电网现场设备监控系统的网络传输环境做出评估，从而对现场设备的启停、维护做出决策。与现有系统相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：本发明方法通过nb-iot终端上的mcu主控模块在nb-iot终端发送环境、设备运行等数据的同时，向nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数等性能参数，微电网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot基站建立远程连接，并下发api指令获取上下行传输速率、rrc连接成功数量等性能参数，微电网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot核心网建立远程连接，并下发api指令获取设备连接数等网络性能，实现了对微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的网络传输性能进行实时监控，解决了网络传输性能直观性差的问题。本发明通过微电网网络传输性能监控平台对微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的网络传输环境进行实时监测并作出评估和决策，解决了因缺乏对网络传输性能的监测带来的安全隐患的问题，极大地提高了系统的安全性和可靠性。附图说明图1为本发明基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统的框架图。图2为本发明微电网网络传输性能监控平台与nb-iot基站和核心网的远程连接图。图3为本发明系统是基于sdr实验平台的实验流程图。图4为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台接收信号质量(rsrq)监测图。图5为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台参考信号接收功率(rsrp)监测图。图6为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台接收的信号强度(rssi)监测图。图7为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台信噪比(snr)监测图。图8为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台上行传输字节数监测图。图9为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台下行传输字节数监测图。图10为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台连接设备数监测图。图11为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台rrc连接成功数监测图。图12为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台上行传输速率监测图。图13为本发明微电网窄带物联网网络传输性能监控平台下行传输速率监测图。图14为本发明实施例系统实现方法流程图。具体实施方式为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下优选实施例结合附图对本发明进行进一步详细说明。如图1所示，一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统，包括现场设备层、网络传输层和平台应用层；所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统、微电网现场设备监控系统和nb-iot终端；所述网络传输层包含nb-iot基站和nb-iot核心网；所述平台应用层包括微电网环境信息采集系统网络数据传输监测和微电网现场设备监控系统网络数据传输监测。所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统、微电网现场设备监控系统和nb-iot终端；所述微电网环境信息采集系统包括温湿度监测设备、一氧化碳含量监测设备、二氧化碳含量监测设备、风速监测设备和光强监测设备，负责采集微电网现场的环境信息数据；所述微电网现场设备监控系统包括配电系统测控单元、光伏储能系统测控单元、风力并网发电系统测控单元、光伏并网发电系统测控单元、柴油发电系统测控单元，负责采集微电网现场设备的运行数据并对微电网现场设备进行控制；所述nb-iot终端包括mcu主控模块、供电模块、nb-iot无线模块和rs485接口模块，rs485接口模块负责nb-iot终端与微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的数据交互，mcu主控模块负责把微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的数据通过nb-iot无线模块发送至平台应用层的微电网智能监控平台的同时，向nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、数据信道上下行传输字节总数性能参数。所述网络传输层包含nb-iot基站和nb-iot核心网；所述nb-iot基站提供nb-iot网络的信号覆盖，nb-iot终端通过rrc连接与nb-iot基站建立起连接，从而进行各种环境、测数据和网络性能参数的发送，nb-iot基站接收nb-iot终端发送的环境、设备运行数据和网络性能参数并通过s1接口转发至nb-iot核心网，同时支持响应微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过建立远程websocket连接下发的api指令，返回响应的网络性能参数；所述nb-iot核心网通过s1接口接收nb-iot基站发送的环境、设备运行数据和网络性能参数并通过sgw网关转发至微电网窄带物联网网络传输性能监控平台，同时支持响应微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过建立远程websocket连接下发的api指令，返回响应的网络性能参数，如图2所示。所述平台应用层为微电网窄带物联网网络传输性能监控平台，包括微电网环境信息采集系统网络数据传输监测和微电网现场设备监控系统网络数据传输监测；所述微电网环境信息采集系统网络数据传输监测负责对于微电网环境信息采集系统在进行环境数据传输过程中的网络性能参数进行显示分析，显示分析的参数主要包括参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率；所述微电网现场设备监控系统网络数据传输监测负责对于微电网现场设备监控系统在进行运行和控制数据传输中的网络性能参数进行显示分析，显示分析的参数主要包括参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率。如图3所示，使用sdr实验平台进行仿真实验，具体的实验流程以及微电网网络传输性能监控平台监测的网络性能参数。如图4到图13为微电网网络传输性能监控平台监测的网络性能参数变化的折线图，其中一部分参数来自于nb-iot终端在发送环境、设备运行数据的同时，mcu主控模块通过给nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率(rsrp)、接收信号强度(rssi)、参考信号接收质量(rsrq)、信噪比(snr)、上下行传输字节总数(ul_total_bytes\dl_total_bytes)等性能参数，获取网络性能参数的具体格式如下：1)发送at+qeng＝0时：第一位第二位第三位第四位第五位第六位0sc_earfnsc_earfcn_offsetsc_pcisc_cellidsc_rsrp第七位第八位第九位第十位第十一位第十二位sc_rsrqsc_rssisc_snrsc_bandsc_tacsc_ecl其中，接收数据的各个参数的含义如下：第一位：表示显示的是无线电信息；第二位：表示服务单元格的射频频点号(earfcn)的整数值；第三位：表示服务单元格的射频频点号(earfcn)的偏移量；第四位：表示服务单元物理单元id的整数值；第五位：表示用于服务单元格的16进制格式的4字节(28位)单元格id；第六位：表示以dbm为单位的服务单元参考信号接收功率(rsrp)；第七位：表示以db为单位的服务单元参考信号接收质量(rsrq)；第八位：表示以dbm为单位的服务单元信号接收强度(rssi)；第九位：表示以db为单位的服务单元的信噪比值(snr)；第十位：表示服务小区频带；第十一位：表示十六进制格式的双字节跟踪区域码(tac)；第十二位：表示服务单元的最后增强覆盖率级别(ecl)值。2)发送at+qeng＝1时：第一位第二位第三位1rlc_ul_blerrlc_dl_bler第四位第五位第六位mac_ul_blermac_dl_blermac_ul_total_bytes第七位第八位第九位mac_dl_total_bytesmac_ul_total_harq_txmac_dl_total_harq_tx第十位第十一位第十二位mac_ul_harq_re_txmac_dl_harq_re_txrlc_ul_tput第十三位第十四位第十五位rlc_dl_tputmac_ul_tputmac_dl_tput其中，接收数据的各个参数的含义如下：第一位：表示显示的是数据传输信息；第二位：表示rlc层中的上行传输块的错误率，用％值表示(范围从0到100)；第三位：表示rlc层中的下行传输块的错误率，用％值表示(范围从0到100)；第四位：表示mac层中的上行数据传输信道传输块的错误率(按harq)，用％值表示(范围从0到100)；第五位：表示mac层中的下行数据传输信道传输块的错误率(按harq)，用％值表示(范围从0到100)；第六位：表示mac层中的上行数据传输信道传输块字节总数，计算上行传输信道所有harq传输和重传输的；第七位：表示mac层中的下行数据传输信道传输块字节总数，计算下行传输信道所有harq传输和重传输的；第八位：表示mac层中的上行数据传输信道重传的传输快总数，包括从成功建立/恢复/重新建立rrc连接开始计算；第九位：表示mac层中的下行数据传输信道重传的传输快总数，包括从成功建立/恢复/重新建立rrc连接开始计算；第十位：表示mac层上行数据传输信道的传输块的harq重发数；第十一位：表示mac层下行数据传输信道的传输块的harq重发数；第十二位：表示rlc上行吞吐量，计算所有已建立的rlcam无线电载波；第十三位：表示rlc下行吞吐量，计算所有已建立的rlcam无线电载波；第十四位：表示mac层上行数据传输信道的吞吐量；第十五位：表示mac层下行数据传输信道的吞吐量。从nb-iot终端获取的网络性能参数打包成json数据包格式通过mqtt协议发送，其中各参数的含义如下所示：参数名：参数含义：rsrp参考信号接收功率rsrq参考信号接收质量rssi信号接收强度snr信噪比ul_total_bytes上行接收总字节数dl_total_bytes上行接收总字节数同时微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过建立远程websocket连接nb-iot基站和nb-iot核心网，通过下发api指令，获取的nb-iot基站和nb-iot核心网返回的网络性能参数，返回的性能参数的含义如下所示：性能参数名rrc_connection_completedl_bitrateul_bitrateconnected_ue_count性能参数含义rrc连接成功数量下行传输速率上行传输速率设备连接数图4到图13为微电网窄带物联网网络传输性能监控平台在获取相关网络性能参数的同时，进行显示分析的折线图，各图表示的含义如下所示：图4为信号接收质量(rsrq)监测图，反映和指示当前信道质量的信噪比和干扰水平。图5为参考信号接收功率(rsrp)监测图，反映当前信道的路径损耗强度。图6为接收的信号强度(rssi)监测图，反映当前信道的接收信号强度和干扰强度。图7为信噪比(snr)监测图，反映当前信道的链路质量。图8为上行传输字节数监测图，反映当前上行传输的数据总量。图9为下行传输字节数监测图，反映当前下行传输的数据总量。图10为设备连接数监测图，反映当前处于连接状态正在运行的设备数量。图11为rrc连接成功数监测图，反映设备成功与nb-iot基站建立rrc连接的次数图12为上行传输速率监测图，反映当前上行传输的速率大小。图13为下行传输速率监测图；反映当前下行传输的速率大小。如图14所示，一种基于nb-iot的微电网网络传输性能监控系统的实现方法，具体步骤如下：1)微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统的环境、设备运行数据上传至nb-iot终端，与nb-iot基站建立rrc连接，并将数据上传至微电网窄带物联网网络传输性能监控平台；2)nb-iot终端的mcu主控模块通过给nb-iot无线模块发送at指令获取当前网络的参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、数据信道上下行传输字节总数性能参数，并打包成json数据包格式通过mqtt协议发送；3)微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot基站建立远程连接，并下发api指令获取上下行传输速率、rrc连接成功数量等性能参数，微电网窄带物联网网络传输性能监控平台通过websocket与nb-iot核心网建立远程连接，并下发api指令获取设备连接数等网络性能；4)微电网环境信息采集系统网络数据传输监测通过分析参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率等网络参数，对当前微电网环境信息采集系统的网络传输环境做出评估，从而对现场设备的启停、维护做出决策；微电网现场设备监控系统网络数据传输监测通过分析参考信号接收功率、接收信号强度、参考信号接收质量、信噪比、上下行传输字节总数、设备连接数、rrc连接成功数量、上下行速率等网络参数，对当前微电网现场设备监控系统的网络传输环境做出评估，从而对现场设备的启停、维护做出决策。当前第1页12