鞏文東,王廣濤,林毓梁
(1.山東職業(yè)學(xué)院,山東 濟南 250104;2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟南 250003)
GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于電纜井道的施工安全規(guī)定中,明確指出進入電纜井作業(yè)前,必須先用鼓風(fēng)機進行通風(fēng),經(jīng)10~15 min 的通風(fēng)后,確認(rèn)(可用氣體檢測儀檢測)無易燃易爆及有毒有害氣體,并做好記錄后,方可進入電纜井內(nèi)作業(yè)。如果在進入井道施工前未進行易燃易爆及有毒有害氣體檢測,施工人員的人身安全無法得到保障,嚴(yán)重時將會導(dǎo)致爆炸等重大安全事故[1]。
目前氣體檢測儀大多以單機式檢測和基于藍牙、ZIGBEE 等短距離無線傳輸型氣體檢測儀為主,需要將氣體檢測儀吊裝至井下,檢測后再吊裝至地面或者從地面監(jiān)控裝置讀取數(shù)據(jù)[2]。單機型設(shè)備檢測結(jié)果延遲,不能進行實時監(jiān)測[3]。短距離型檢測設(shè)備無法將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端,從而無法進行基于大數(shù)據(jù)的智能分析處理。
國內(nèi)外針對無線智能型氣體監(jiān)測裝置進行了一系列的研究。袁帥等人針對變壓器油中溶解氣體設(shè)計了一種氣體在線監(jiān)測裝置[4];洪濤基于主控芯片STM32 和無線傳輸芯片CC1101 設(shè)計了受限空間關(guān)鍵氣體濃度檢測系統(tǒng)[5];國外學(xué)者DEWI L 等人基于Arduino 設(shè)計了支持無線通信的液化氣泄漏檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)具有自動氣體調(diào)節(jié)的功能[6]。以上研究大多采用傳統(tǒng)的無線通信設(shè)計方法,通信距離短,無法與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合。
設(shè)計基于LoRa無線通信的氣體檢測裝置分為可穿戴式氣體檢測儀與地面監(jiān)控裝置兩部分,通信距離長,無線信號穿透能力強,信號穩(wěn)定[7],可以在地面同時監(jiān)測多個不同位置的電纜井,提高了檢測效率。通過GPRS 模塊將檢測到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送至云端服務(wù)器,可通過大數(shù)據(jù)分析施工環(huán)境是否異常,同時將報警信息發(fā)送至施工負(fù)責(zé)人,進一步增強了施工的安全性。
可穿戴式氣體檢測儀結(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 氣體檢測儀結(jié)構(gòu)
從圖1 中可以看出,氣體檢測儀既可以手持使用,也可以通過背面的可穿戴式卡扣固定至衣服的上衣口袋處,便于施工工作時解放雙手進行施工作業(yè)。
氣體檢測儀的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 氣體檢測儀硬件電路框圖
為了進一步提高待機時長,氣體檢測儀選用低功耗的STM32L041 單片機作為CPU,STM32L041 單片機提供了動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、超低功耗時鐘振蕩器、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單片機的運行模式如表1所示。
表1 STM32L041運行模式及特點
當(dāng)處于開闊環(huán)境下,氣體檢測儀可以僅作為緊急呼叫裝置使用,不進行氣體檢測,施工人員可通過按下緊急呼叫按鈕實現(xiàn)緊急報警呼叫,此時STM32L041 單片機工作在不帶RTC 的旁路模式,此模式下工作電流僅有0.29 μA[8]。井下檢測過程中,在未檢測到氣體濃度超標(biāo)之前,處于低功耗運行模式,檢測到氣體濃度超標(biāo)時立刻轉(zhuǎn)入正常運行模式。通過這種模式切換,有效延長待機時間。
從圖2 中可以看出,氣體檢測儀具有CO、O2、可燃氣體、H2S 共4 種氣體檢測探頭,探頭在出廠前進行過標(biāo)定。采用獨立的鋰電池供電,能夠脫離現(xiàn)場電源條件的制約,檢測到超出濃度的有害氣體后,LED 和蜂鳴器發(fā)出聲光報警,并通過LoRa 無線傳輸?shù)姆绞?,將?shù)據(jù)發(fā)送到位于地面的監(jiān)控裝置上。
提高通信距離最常用辦法是提高發(fā)射功率,但是能耗會急劇提高,待機時間將無法滿足要求。LoRa 無線通信模塊采用的無線擴頻的原理,同等的功耗下可取得更遠的通信距離。LoRa 無線通信模塊的缺點在于同等功耗下,雖然傳輸距離更遠,但是傳輸速率變慢[9]。同時,成本相對于傳統(tǒng)的無線通信模塊也更高。由于氣體檢測儀的氣體檢測數(shù)據(jù)量小,經(jīng)測試,LoRa 無線通信模塊足以滿足傳輸實時性的要求。
采用的LoRa 無線通信模塊如圖3 所示,E32 模塊無線通信部分基于SX1276/8系列的擴頻調(diào)制射頻芯片設(shè)計,采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼,抗干擾能力和靈敏度都大大提高。
圖3 LoRa無線通信模塊E32
E32 模塊控制部分基于8 位高速低功耗單片機設(shè)計,比傳統(tǒng)的LoRa 模塊具有更低的功耗,具有無線喚醒功能,休眠狀態(tài)下電流為0.2 μA,在喚醒后接收信號時電流為12 mA,在信號為13 dBm 強度下發(fā)射電流為9 mA,和常見的無線芯片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)無線芯片的3 倍,抑制同頻干擾的性能較強,適用于對傳輸距離和可靠性要求極高的應(yīng)用場合,擴頻傳輸極強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)。在氣體檢測儀中,測得的氣體濃度數(shù)據(jù)傳送到LoRa無線發(fā)射模塊,地面監(jiān)測裝置通過LoRa無線接收模塊進行接收。
獨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,因此需要對外殼的各接口進行防爆處理,在進入井下時需要將充電口插入防爆膠塞。獨立供電模塊可以實現(xiàn)電纜井下連續(xù)48 h 不間斷測量。當(dāng)電池電量不能滿足正常運行時,模塊會發(fā)出蜂鳴聲,提示操作人員電量不足。
地面監(jiān)測裝置通過LoRa 無線傳輸方式與可穿戴式的氣體檢測儀通信,并將數(shù)據(jù)實時顯示在觸摸屏上,硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 地面監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)
地面監(jiān)測裝置采用開關(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 無線模塊與開關(guān)量輸入輸出模塊。GPRS DTU 模塊,可以插4G 手機卡,使用移動4G 網(wǎng)絡(luò),將接收到的氣體濃度、日期、施工內(nèi)容、報警等信息發(fā)送至云端服務(wù)器,云端服務(wù)器可按照施工編號、電纜井編號等類型生成氣體濃度的報表,同時在云端服務(wù)器對氣體濃度的變化進行分析,能夠做到提前預(yù)警,同時云端服務(wù)器可將報表、預(yù)警信息等發(fā)送至現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人的手機,實現(xiàn)基于云端大數(shù)據(jù)的監(jiān)控和報警。LoRa 無線模塊將接收到的氣體濃度、報警等信息通過串口發(fā)送至觸摸屏,在觸摸屏上可以設(shè)置LoRa 無線模塊的通信參數(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串口發(fā)送的報警信號時,將信號發(fā)送至吊裝搬運等設(shè)備,實現(xiàn)聯(lián)動,多余的開關(guān)量接口可用于和其他設(shè)備的聯(lián)動拓展。
監(jiān)控軟件采用主從通信的模式,由觸摸屏驅(qū)動LORA無線模塊,循環(huán)采集氣體檢測儀的氣體濃度等數(shù)據(jù),在檢測到氣體濃度超標(biāo)后發(fā)出聲光報警及云端報警。軟件流程如圖5所示。
觸摸屏最多可同時監(jiān)控8 路氣體檢測儀,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)測裝置觸摸屏監(jiān)控畫面
將可穿戴式氣體檢測儀放入密閉的氣體容器進行標(biāo)定,經(jīng)檢測CO、O2、CH4、H2S 等4 種氣體檢測探頭的檢測精度均能滿足使用要求。
將可穿戴式氣體檢測儀放入總深度為8.5 m 的高壓電纜井,在不同深度位置進行測試,如表2所示。
表2 不同深度待機測試
從表2可以看出,可穿戴式氣體檢測儀距地面深度越大,無線傳輸?shù)墓β试礁撸龣C時長相應(yīng)縮短,但待機時間與實時性均能滿足要求。
將可穿戴式氣體檢測儀放置于高壓電纜井底部,地面監(jiān)測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測試
由表3 可以看出,地面監(jiān)測裝置距可穿戴式氣體檢測儀越遠,無線傳輸功率越高,待機時間越短,但待機時間與實時性均能滿足要求。
進一步將4 路可穿戴式氣體檢測儀分別放置在4個高壓電纜井的底部,地面監(jiān)測裝置距氣體檢測儀的距離均為10 m 左右,經(jīng)測試,地面監(jiān)測裝置同時采集多路數(shù)據(jù)時,通信穩(wěn)定,實時性能夠滿足要求。
可穿戴式氣體檢測儀提高了便攜性,便于施工人員攜帶。LoRa 無線通信方式增加了無線傳輸?shù)木嚯x,提高了通信的穩(wěn)定性,使地面監(jiān)測裝置可同時監(jiān)測多個電纜井施工,節(jié)約成本的同時提高了監(jiān)測效率。
通過GPRS 模塊插入4G 手機卡上網(wǎng)的方式,使現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠第一時間上傳至云端服務(wù)器,從而為大數(shù)據(jù)分析診斷提供了數(shù)據(jù)支撐?,F(xiàn)場負(fù)責(zé)人能夠通過云端大數(shù)據(jù)平臺獲取施工的風(fēng)險和現(xiàn)場報警信息,為施工作業(yè)提供風(fēng)險預(yù)警,增強了施工的安全性。
開關(guān)量模塊為下一步與現(xiàn)場其他設(shè)備之間進行聯(lián)動提供了預(yù)留的數(shù)字量接口,比如氣體濃度超標(biāo)報警后聯(lián)動搬運設(shè)備將施工人員自動撤出等。將在設(shè)備下一步的研究中進行聯(lián)動設(shè)計。