鞏文東，王廣濤，林毓梁

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于電纜井道的施工安全規(guī)定中，明確指出進(jìn)入電纜井作業(yè)前，必須先用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，經(jīng)10～15 min 的通風(fēng)后，確認(rèn)（可用氣體檢測(cè)儀檢測(cè)）無(wú)易燃易爆及有毒有害氣體，并做好記錄后，方可進(jìn)入電纜井內(nèi)作業(yè)。如果在進(jìn)入井道施工前未進(jìn)行易燃易爆及有毒有害氣體檢測(cè)，施工人員的人身安全無(wú)法得到保障，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致爆炸等重大安全事故［1］。

目前氣體檢測(cè)儀大多以單機(jī)式檢測(cè)和基于藍(lán)牙、ZIGBEE 等短距離無(wú)線傳輸型氣體檢測(cè)儀為主，需要將氣體檢測(cè)儀吊裝至井下，檢測(cè)后再吊裝至地面或者從地面監(jiān)控裝置讀取數(shù)據(jù)［2］。單機(jī)型設(shè)備檢測(cè)結(jié)果延遲，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［3］。短距離型檢測(cè)設(shè)備無(wú)法將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，從而無(wú)法進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)的智能分析處理。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)線智能型氣體監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了一系列的研究。袁帥等人針對(duì)變壓器油中溶解氣體設(shè)計(jì)了一種氣體在線監(jiān)測(cè)裝置［4］；洪濤基于主控芯片STM32 和無(wú)線傳輸芯片CC1101 設(shè)計(jì)了受限空間關(guān)鍵氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)［5］；國(guó)外學(xué)者DEWI L 等人基于Arduino 設(shè)計(jì)了支持無(wú)線通信的液化氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)氣體調(diào)節(jié)的功能［6］。以上研究大多采用傳統(tǒng)的無(wú)線通信設(shè)計(jì)方法，通信距離短，無(wú)法與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合。

設(shè)計(jì)基于LoRa無(wú)線通信的氣體檢測(cè)裝置分為可穿戴式氣體檢測(cè)儀與地面監(jiān)控裝置兩部分，通信距離長(zhǎng)，無(wú)線信號(hào)穿透能力強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定［7］，可以在地面同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)不同位置的電纜井，提高了檢測(cè)效率。通過(guò)GPRS 模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至云端服務(wù)器，可通過(guò)大數(shù)據(jù)分析施工環(huán)境是否異常，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送至施工負(fù)責(zé)人，進(jìn)一步增強(qiáng)了施工的安全性。

1 可穿戴式氣體檢測(cè)儀

可穿戴式氣體檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)主要由外殼、氣體傳感器探頭、電池、緊急按鈕、指示燈、電源開關(guān)、穿戴式卡扣等部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 氣體檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

從圖1 中可以看出，氣體檢測(cè)儀既可以手持使用，也可以通過(guò)背面的可穿戴式卡扣固定至衣服的上衣口袋處，便于施工工作時(shí)解放雙手進(jìn)行施工作業(yè)。

1.1 硬件電路

氣體檢測(cè)儀的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣體檢測(cè)儀硬件電路框圖

為了進(jìn)一步提高待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，氣體檢測(cè)儀選用低功耗的STM32L041 單片機(jī)作為CPU，STM32L041 單片機(jī)提供了動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、超低功耗時(shí)鐘振蕩器、LCD 接口、比較器、DAC 及硬件加密功能。和常規(guī)的STM32 芯片相比，采用ST 專有的超低泄漏制程，其ARM Cortex-M0+內(nèi)核與STM32 單片機(jī)超低功耗特性的結(jié)合，使STM32 L0 MCU 非常適合電池供電。STM32L041單片機(jī)的運(yùn)行模式如表1所示。

表1 STM32L041運(yùn)行模式及特點(diǎn)

當(dāng)處于開闊環(huán)境下，氣體檢測(cè)儀可以僅作為緊急呼叫裝置使用，不進(jìn)行氣體檢測(cè)，施工人員可通過(guò)按下緊急呼叫按鈕實(shí)現(xiàn)緊急報(bào)警呼叫，此時(shí)STM32L041 單片機(jī)工作在不帶RTC 的旁路模式，此模式下工作電流僅有0.29 μA［8］。井下檢測(cè)過(guò)程中，在未檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)之前，處于低功耗運(yùn)行模式，檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)時(shí)立刻轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行模式。通過(guò)這種模式切換，有效延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。

從圖2 中可以看出，氣體檢測(cè)儀具有CO、O2、可燃?xì)怏w、H2S 共4 種氣體檢測(cè)探頭，探頭在出廠前進(jìn)行過(guò)標(biāo)定。采用獨(dú)立的鋰電池供電，能夠脫離現(xiàn)場(chǎng)電源條件的制約，檢測(cè)到超出濃度的有害氣體后，LED 和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，并通過(guò)LoRa 無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑瑢?shù)據(jù)發(fā)送到位于地面的監(jiān)控裝置上。

1.2 LoRa無(wú)線通信模塊

提高通信距離最常用辦法是提高發(fā)射功率，但是能耗會(huì)急劇提高，待機(jī)時(shí)間將無(wú)法滿足要求。LoRa 無(wú)線通信模塊采用的無(wú)線擴(kuò)頻的原理，同等的功耗下可取得更遠(yuǎn)的通信距離。LoRa 無(wú)線通信模塊的缺點(diǎn)在于同等功耗下，雖然傳輸距離更遠(yuǎn)，但是傳輸速率變慢［9］。同時(shí)，成本相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線通信模塊也更高。由于氣體檢測(cè)儀的氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)量小，經(jīng)測(cè)試，LoRa 無(wú)線通信模塊足以滿足傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

采用的LoRa 無(wú)線通信模塊如圖3 所示，E32 模塊無(wú)線通信部分基于SX1276/8系列的擴(kuò)頻調(diào)制射頻芯片設(shè)計(jì)，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾能力和靈敏度都大大提高。

圖3 LoRa無(wú)線通信模塊E32

E32 模塊控制部分基于8 位高速低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)的LoRa 模塊具有更低的功耗，具有無(wú)線喚醒功能，休眠狀態(tài)下電流為0.2 μA，在喚醒后接收信號(hào)時(shí)電流為12 mA，在信號(hào)為13 dBm 強(qiáng)度下發(fā)射電流為9 mA，和常見(jiàn)的無(wú)線芯片Si4438和CC1125的傳輸速率接近，可使通信距離大大提升，接近傳統(tǒng)無(wú)線芯片的3 倍，抑制同頻干擾的性能較強(qiáng)，適用于對(duì)傳輸距離和可靠性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)頻傳輸極強(qiáng)的抗干擾能力使之能適應(yīng)于各種惡劣復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

E32 模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可在線修改串口波特率、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、射頻空中速率等各種參數(shù)。在氣體檢測(cè)儀中，測(cè)得的氣體濃度數(shù)據(jù)傳送到LoRa無(wú)線發(fā)射模塊，地面監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)LoRa無(wú)線接收模塊進(jìn)行接收。

1.3 獨(dú)立供電模塊

獨(dú)立供電模塊采用的是容量為2 000 mAh，輸出電壓為7.4 V 的可充電鋰電池。由于電纜井內(nèi)有可能存在易燃易爆可燃性氣體，因此需要對(duì)外殼的各接口進(jìn)行防爆處理，在進(jìn)入井下時(shí)需要將充電口插入防爆膠塞。獨(dú)立供電模塊可以實(shí)現(xiàn)電纜井下連續(xù)48 h 不間斷測(cè)量。當(dāng)電池電量不能滿足正常運(yùn)行時(shí)，模塊會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，提示操作人員電量不足。

2 地面監(jiān)測(cè)裝置

地面監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)LoRa 無(wú)線傳輸方式與可穿戴式的氣體檢測(cè)儀通信，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

地面監(jiān)測(cè)裝置采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源提供5 V、12 V 及24 V 三路電源，分別給LoRa 無(wú)線模塊、GPRS模塊及開關(guān)量模塊供電。

觸摸屏有3 路RS232 串口，分別接到GPRS DTU模塊，LoRa 無(wú)線模塊與開關(guān)量輸入輸出模塊。GPRS DTU 模塊，可以插4G 手機(jī)卡，使用移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)，將接收到的氣體濃度、日期、施工內(nèi)容、報(bào)警等信息發(fā)送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器可按照施工編號(hào)、電纜井編號(hào)等類型生成氣體濃度的報(bào)表，同時(shí)在云端服務(wù)器對(duì)氣體濃度的變化進(jìn)行分析，能夠做到提前預(yù)警，同時(shí)云端服務(wù)器可將報(bào)表、預(yù)警信息等發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)施工負(fù)責(zé)人的手機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于云端大數(shù)據(jù)的監(jiān)控和報(bào)警。LoRa 無(wú)線模塊將接收到的氣體濃度、報(bào)警等信息通過(guò)串口發(fā)送至觸摸屏，在觸摸屏上可以設(shè)置LoRa 無(wú)線模塊的通信參數(shù)。開關(guān)量模塊具有4路輸入接口和4路輸出接口，在接收到觸摸屏通過(guò)串口發(fā)送的報(bào)警信號(hào)時(shí)，將信號(hào)發(fā)送至吊裝搬運(yùn)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，多余的開關(guān)量接口可用于和其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)拓展。

監(jiān)控軟件采用主從通信的模式，由觸摸屏驅(qū)動(dòng)LORA無(wú)線模塊，循環(huán)采集氣體檢測(cè)儀的氣體濃度等數(shù)據(jù)，在檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)后發(fā)出聲光報(bào)警及云端報(bào)警。軟件流程如圖5所示。

觸摸屏最多可同時(shí)監(jiān)控8 路氣體檢測(cè)儀，監(jiān)控畫面如圖6所示。

圖5 監(jiān)控軟件流程

圖6 地面監(jiān)測(cè)裝置觸摸屏監(jiān)控畫面

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

將可穿戴式氣體檢測(cè)儀放入密閉的氣體容器進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)檢測(cè)CO、O2、CH4、H2S 等4 種氣體檢測(cè)探頭的檢測(cè)精度均能滿足使用要求。

將可穿戴式氣體檢測(cè)儀放入總深度為8.5 m 的高壓電纜井，在不同深度位置進(jìn)行測(cè)試，如表2所示。

表2 不同深度待機(jī)測(cè)試

從表2可以看出，可穿戴式氣體檢測(cè)儀距地面深度越大，無(wú)線傳輸?shù)墓β试礁?，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)縮短，但待機(jī)時(shí)間與實(shí)時(shí)性均能滿足要求。

將可穿戴式氣體檢測(cè)儀放置于高壓電纜井底部，地面監(jiān)測(cè)裝置分別置于距高壓電纜井不同位置處，如表3所示。

表3 地面監(jiān)控裝置不同距離待機(jī)測(cè)試

由表3 可以看出，地面監(jiān)測(cè)裝置距可穿戴式氣體檢測(cè)儀越遠(yuǎn)，無(wú)線傳輸功率越高，待機(jī)時(shí)間越短，但待機(jī)時(shí)間與實(shí)時(shí)性均能滿足要求。

進(jìn)一步將4 路可穿戴式氣體檢測(cè)儀分別放置在4個(gè)高壓電纜井的底部，地面監(jiān)測(cè)裝置距氣體檢測(cè)儀的距離均為10 m 左右，經(jīng)測(cè)試，地面監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)時(shí)，通信穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性能夠滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

可穿戴式氣體檢測(cè)儀提高了便攜性，便于施工人員攜帶。LoRa 無(wú)線通信方式增加了無(wú)線傳輸?shù)木嚯x，提高了通信的穩(wěn)定性，使地面監(jiān)測(cè)裝置可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)電纜井施工，節(jié)約成本的同時(shí)提高了監(jiān)測(cè)效率。

通過(guò)GPRS 模塊插入4G 手機(jī)卡上網(wǎng)的方式，使現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)能夠第一時(shí)間上傳至云端服務(wù)器，從而為大數(shù)據(jù)分析診斷提供了數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人能夠通過(guò)云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取施工的風(fēng)險(xiǎn)和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息，為施工作業(yè)提供風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，增強(qiáng)了施工的安全性。

開關(guān)量模塊為下一步與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備之間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)提供了預(yù)留的數(shù)字量接口，比如氣體濃度超標(biāo)報(bào)警后聯(lián)動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備將施工人員自動(dòng)撤出等。將在設(shè)備下一步的研究中進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。