李 靜 國

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030013)

在我國北方城市，隨著城市的快速發(fā)展與環(huán)保節(jié)能降耗減排的要求，集中供熱在城市基礎建設中的地位越來越重要，各地供熱企業(yè)迅速發(fā)展，供熱面積與供熱管網(wǎng)的鋪設都在成倍增加。由于熱力管網(wǎng)的不斷延伸，作為供熱管網(wǎng)重要組成部分的熱力小室的數(shù)量也在不斷增加。針對熱力小室的巡視維護也愈發(fā)繁重，同時由于熱力小室大多處在行車道路中央并深埋地下，在巡視過程中反復的下井作業(yè)不僅會受到井下有毒有害氣體的威脅，也會受到道路上來往的通行車輛安全威脅。

針對上述問題本文介紹一種基于Android開發(fā)的熱力小室浸水報警器。該報警安裝于熱力小室井壁上通過液位開關(guān)判斷小室內(nèi)有無浸水積水情況，如有浸水積水發(fā)生，報警器自動通電并向調(diào)度中心發(fā)送報警短信?；贏ndroid的核心控制報警器除了能對是否有浸水積水進行報警還能自動檢測小室內(nèi)溫度、濕度及有毒有害氣體含量。

1 熱力小室的概念及特點

熱力小室又叫熱力管道閥門控制井，一般根據(jù)熱力管網(wǎng)的走向建設在路面以下。主要安裝有補償器、泄水閥、排氣閥以及關(guān)斷閥等設備。由于大多都深埋地下，其工況環(huán)境濕度高經(jīng)?？梢赃_到飽和濕度；在冬季運行期間溫度高并伴有水蒸氣；同時小室內(nèi)沒有可用常備電源線路的接入，手機信號等無線信號均無法穩(wěn)定覆蓋。在現(xiàn)有條件下對其進行巡視檢查作業(yè)需要對相關(guān)道路進行小范圍封閉并長時間通風后才能下井作業(yè)查看是否有浸水情況發(fā)生。

2 設計要求及設計思路

2.1 設計要求

結(jié)合熱力小室的工況特點小室浸水報警器就需要具備以下技術(shù)要求：自備電源、自動運行、具備無線信號發(fā)射能力、可以耐受高溫高濕的嚴酷工況，同時還需具備對小室內(nèi)部溫度濕度、有毒有害氣體的檢測功能。

2.2 設計思路

1)供電部分。如前文所述，熱力小室內(nèi)沒有電源線路接入，本報警器通過自備鋰電池解決產(chǎn)品供電問題，同時通過安裝液位開關(guān)對設備啟停進行控制，當發(fā)生浸水有積水時液位開關(guān)浮閥上升形成電路通路；沒有發(fā)生浸水時設備則不會通電啟動。這種機制不僅可以對熱力小室內(nèi)是否發(fā)生浸水存有積水進行判斷，同時還可以最大限度的節(jié)省自備鋰電池的電量，延長待機時長。

2)數(shù)據(jù)采集。通常熱力小室是一個密閉空間，當有水浸入后容易產(chǎn)生甲烷等有毒有害氣體，在常規(guī)的小室巡視檢查維護作業(yè)時，工作人員進入小室前都要對小室進行排氣通風，并且進行有毒有害氣體的檢測。本報警器除了可以對小室浸水情況進行報警，在報警器啟動工作后還可以通過配置的有毒有害氣體檢測模塊，對有毒有害氣體進行初步檢測；同時通過報警器配置的溫濕度傳感器，對小室內(nèi)發(fā)生浸水后的溫度進行采集，并將采集到的信息發(fā)送至信息接收端?？梢宰屝∈揖S護檢修人員，在接到浸水報警的同時也能對小室內(nèi)溫度、濕度以及有毒有害氣體情況有初步認識，方便進一步展開工作。

3)數(shù)據(jù)傳輸。快速準確的報警發(fā)布方式是該熱力小室浸水報警器設計難點，由于多數(shù)熱力小室深埋地下，在小室內(nèi)通常沒有任何穩(wěn)定無線通訊信號可以覆蓋，數(shù)據(jù)傳輸方式的選型在設計初期嘗試過使用170 MHz無線數(shù)傳方式與手機GSM,GPRS以及4G信號PTN內(nèi)網(wǎng)傳輸方式。經(jīng)過反復測試GSM短信通訊方式信號穩(wěn)定，信號穿透能力強，通常地面穿透距離為50 cm，在使用時可將報警裝配的延長天線橫向安置在距離井蓋20 cm的井壁內(nèi)可以保證通訊信號的正常連接，已解決數(shù)據(jù)傳輸問題。

3 硬件選型

參見產(chǎn)品接線圖見圖1。

3.1 Arduino控制板

Arduino是該報警器的核心，是一種基于單片機系統(tǒng)的開源電子產(chǎn)品開發(fā)平臺，本設計使用arduino uno控制板，其參數(shù)如下：工作電壓5 V；處理器ATmega328；時鐘頻率16 MHz；輸入電壓7 V～12 V；Flash內(nèi)存32 kB?？梢蕴峁?shù)字信號，模擬信號控置同時支持串口通訊。其編程語言簡單，并配有托塊式編輯軟件，直接調(diào)用簡單實用的函數(shù)就可以實現(xiàn)應用功能。

3.2 GSM通訊芯片

GSM模塊具有發(fā)送SMS短信，語音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡進行通信的所有基本功能。 可以向受用端以手機短信的形式發(fā)送報警信息，該熱力小室浸水報警器優(yōu)選的SIM800C芯片，支持850 MH/900 MH/1 800 MH/1 9 00 MH四頻通訊，低功耗可實現(xiàn)GSM及GPRS通訊功能，可加裝延長天線并可將延長天線鋪設至距離井蓋20 cm的設計安裝要求位置。支持5 V/3.3 V單片機電源供電。

3.3 溫濕度傳感器

該報警器通過優(yōu)選的溫濕度傳感器為DTH11模塊以實現(xiàn)溫濕度的變送，其濕度測量范圍：20%～95%；濕度測量誤差：±5%；溫度測量范圍：0 ℃～50 ℃；溫度測量誤差：±2 ℃；工作電壓3.3 V～5 V；輸出形式：數(shù)字輸出，體積小便于集成安裝。

3.4 有毒有害氣體檢測

有毒有害氣體傳感器優(yōu)選MQ135模塊，工作電壓為3.3 V～5 V；輸出形式：數(shù)字輸出，適宜用于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽的探測。

3.5 液位開關(guān)

液位開關(guān)選型為塑料材質(zhì)直流Max36 V 50 mm，即當小室內(nèi)水深超過50 mm時即可觸發(fā)開關(guān)。該開關(guān)裝置結(jié)構(gòu)簡單，耐熱耐腐蝕。

4 具體實施方式

設備安裝示意圖如圖2所示。

通常情況，熱力小室設在地面下方距離地面有一定距離處，熱力管道橫向固定在小室中央。當小室內(nèi)浸水時，水位上升超過50 mm時液位開關(guān)控制報警器開啟供電，arduino uno開始工作通過DTH11,MQ135模塊開始采集小室內(nèi)溫度、濕度、有毒有害氣體信息參數(shù)，并通過GSM 通訊模塊將采集到的信息按照可設置的時間間隔以短信形式向地面上接收端發(fā)送報警信息。在接收端將在每個小室中安裝的報警器SIM卡號與小室名進行通訊錄關(guān)聯(lián)即可知道哪個小室發(fā)送浸水情況。由于小室內(nèi)沒有電源，報警器采用鋰電池供電，只有在浮球開關(guān)啟動時報警器才工作，鋰電池理論上可以連續(xù)工作3年～4年。小室由于深埋地下，沒有穩(wěn)定的手機等無線通訊信號覆蓋，移動手機通訊信號的地面穿透距離為50 cm左右，為增強信號保證使用效果，在安裝時需在小室井壁距井蓋20 cm以內(nèi)位置橫向鉆孔，用于安放天線。小室內(nèi)濕浸水時濕度可能達到飽和所以報警器制作時外殼需要做防水處理。

5 結(jié)論

該熱力小室浸水報警器可以實現(xiàn)自動報警、及時報警、防止浸水過深或溫度過高而引發(fā)的安全事故；通過在小室底部安裝液位開關(guān)，控制報警器的開啟運行，進而向地面上接收端發(fā)送報警信息，避免了以往靠人工巡視費時費力、安全性差等問題。采用鋰電池供電，還可以解決通常的熱力小室報警器供電困難、防潮質(zhì)量差以及沒有手機信號等問題。

在該熱力小室浸水報警器開發(fā)過程中，產(chǎn)品的防水處理尤其是防止冬季管網(wǎng)運行產(chǎn)生的蒸汽侵蝕上一直沒有找到更好的工藝方法，目前還只能局限在橡膠墊片加防水膠封的辦法。但溫度過高后容易出現(xiàn)蒸汽侵蝕的情況。在通訊方式解決上還需繼續(xù)探索使用通訊成本更低的170 MHz數(shù)傳模塊的通訊方式的介入。同時隨著石墨烯電池的普及應用以及5G時代的來臨也應該進一步了解，尋求是否可以在小室內(nèi)加裝大容量可充電電源實現(xiàn)對小室內(nèi)補償器工作狀態(tài)檢測報警，關(guān)斷閥工作狀態(tài)的檢測控制等功能應用。