袁 奇，邱繼東，錢(qián)天宇，蔣曉娟，許 強(qiáng)，王驍?shù)?，?杰

(1. 國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司 電纜分公司，上海 200072； 2. 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050)

0 引言

電纜隧道作為承擔(dān)電能輸送的重要通道，其內(nèi)部環(huán)境的安全可靠，決定著能源供應(yīng)的穩(wěn)定。電纜隧道內(nèi)部高壓電氣眾多，一旦存在隱患，極有可能引發(fā)電力事故。受其封閉特性的影響，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷運(yùn)行中的安全隱患一直以來(lái)都是隧道巡檢工作的難點(diǎn)[1]。由于電纜隧道大多深入地下幾米甚至十幾米，且隧道空間狹小，極大地增加了巡檢工作的難度。電纜隧道內(nèi)部需要監(jiān)測(cè)的參量、種類(lèi)較多，單一的有線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法難以全部滿(mǎn)足，必須采用多種監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的方法才能實(shí)現(xiàn)，工程復(fù)雜，工作量大。另外隨著城市的發(fā)展，建設(shè)的電纜隧道越來(lái)越長(zhǎng)，傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法需要敷設(shè)的電纜線(xiàn)也越來(lái)越遠(yuǎn)，施工難度更大，且數(shù)據(jù)更易丟失、出錯(cuò)，降低了監(jiān)測(cè)的有效性[2]。因此，亟待一種無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高可靠的電纜隧道綜合無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于傳感器與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越多。目前，已有部分無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用于電纜隧道中[3]，但存在監(jiān)測(cè)量少、數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。本文根據(jù)電纜隧道內(nèi)部監(jiān)測(cè)需求，引入mesh自組網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)研究傳感節(jié)點(diǎn)安裝布點(diǎn)方案，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電纜隧道綜合無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 mesh無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)是指無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自?xún)?yōu)化、自愈合的能力[4]。該組網(wǎng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)通信的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議中，不僅涵蓋了適合低功耗、短距離、小帶寬的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，還包含適用于大功率、遠(yuǎn)距離、高帶寬的寬帶業(yè)務(wù)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，信道容量大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自行配置等優(yōu)點(diǎn)[5]。其組建的傳感網(wǎng)絡(luò)一般為多對(duì)多點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部中的各個(gè)傳感終端均可進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)靈活傳輸，不受網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)損壞導(dǎo)致鏈路中斷的限制，可有效提升傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

針對(duì)隧道內(nèi)存在的通信問(wèn)題，本文采用mesh無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)，其組網(wǎng)原理[6]如下：

首先是組網(wǎng)階段，每個(gè)通信模塊中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)射不同頻段的廣播信號(hào)，之后進(jìn)入低功耗接收狀態(tài)，通過(guò)比較接收到的信號(hào)強(qiáng)度，選擇性加入信號(hào)較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)組中，進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)；如下圖1所示，從節(jié)點(diǎn)A至節(jié)點(diǎn)E有兩條路徑，雖然路徑1節(jié)點(diǎn)最少，但受干擾連接穩(wěn)定性差，因此會(huì)選擇連接穩(wěn)定的鏈路，即最優(yōu)路徑。

圖1 選擇最優(yōu)路徑Fig.1 Choose the best path

進(jìn)入調(diào)整階段后，依次以不同的射頻發(fā)射功率進(jìn)行通信，選擇確定能夠通信的最小功率，保持節(jié)點(diǎn)間始終以滿(mǎn)足通信的最小功率進(jìn)行；在工作階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，休眠階段則采用輪詢(xún)的方式，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)在不采集數(shù)據(jù)的時(shí)間發(fā)送廣播，收集新加入的節(jié)點(diǎn)和通信斷開(kāi)節(jié)點(diǎn)信息，以保證通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和鏈路自愈性。當(dāng)某單一節(jié)點(diǎn)損壞后，其他與之連接的節(jié)點(diǎn)會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行搜索尋找新的路徑，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓或持續(xù)嘗試連接造成功耗升高的問(wèn)題，如下圖2。

圖2 重建新鏈路Fig. 2 Rebuild a new link

該組網(wǎng)工作模式使整個(gè)自組網(wǎng)絡(luò)盡可能地降低了功耗，實(shí)現(xiàn)了低功耗、自適應(yīng)組網(wǎng)和較高的組網(wǎng)穩(wěn)定性。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案中包括前端感知系統(tǒng)、系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控管理平臺(tái)。

前端感知系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器(O2、CO2、CO、CH4)，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)由各傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，監(jiān)控管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部各種監(jiān)測(cè)參量的查看、管理與查詢(xún)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖3所示：

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall architecture of the monitoring system

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)傳感終端均集成了無(wú)線(xiàn)通信模塊，在實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參量感知的同時(shí)具備無(wú)線(xiàn)通信的能力，傳感終端互相之間能夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，基于mesh構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感通信網(wǎng)絡(luò)[7]，每個(gè)傳感終端均可作為路由節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)匯聚數(shù)據(jù)后統(tǒng)一上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，供相關(guān)工作人員及時(shí)了解電纜隧道內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)氣體傳感器主要包括主控芯片MCU、氣體傳感模塊、mesh自組網(wǎng)通信模塊、電池模塊、天線(xiàn)模塊及外圍電路幾部分。傳感器硬件整體架構(gòu)如下圖4所示，溫度和濕度傳感器與氣體傳感器類(lèi)似，此處不過(guò)多贅述。

圖4 傳感器硬件整體架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the overall architecture of sensor hardware

本文選用的mesh無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)通信模塊由射頻芯片及外圍電路組成，尺寸較小。且穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)以及接收靈敏度高。工作頻率為2.4 GHz，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射功率最大為+20 dBm，0 dBm時(shí)的發(fā)射電流為9.3 mA，接收電流為 8.8 mA，休眠電流僅5.0 uA，工作電壓為2.7～3.6 V。模塊組網(wǎng)采用mesh自組網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)多次握手確認(rèn)的方式可保證數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。

傳感器部分均選用MEMS傳感器，便于集成及小型化封裝。

供電部分采用一次性鋰亞電池供電，具有耐寒耐熱、低放電率的特性，年放電率< 2%，能夠滿(mǎn)足電纜隧道潮濕環(huán)境的使用需求；

傳感器各模塊一體化集成設(shè)計(jì)，使用電池供電，可部署至電纜隧道中長(zhǎng)期運(yùn)行。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建電纜隧道綜合無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至云服務(wù)器，監(jiān)測(cè)軟件從云服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)展示溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器(O2、CO2、CO、CH4)等的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)軟件界面如下圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面Fig.5 Software interface of the monitoring system

監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)實(shí)際電纜隧道層次及豎井位置，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行立體化展示。不同顏色的圓形圖案表示不同的傳感器，當(dāng)鼠標(biāo)停留在圓形圖案上方時(shí)，會(huì)彈出浮框，顯示該傳感器類(lèi)型及編號(hào)等信息。

3 傳感器的安裝布點(diǎn)方式

3.1 隧道內(nèi)部無(wú)線(xiàn)通信的影響因素

電纜隧道中常常因無(wú)線(xiàn)通信鏈路不穩(wěn)定而造成嚴(yán)重的信號(hào)丟包。影響電纜隧道中無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性的主要因素有三方面：

1)多路徑效應(yīng)：接收裝置同時(shí)接收來(lái)自不同方向通信設(shè)備傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，這些信號(hào)各方面特征均不同，都在接收裝置處疊加降低了通信能力，影響了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

2)彎道結(jié)構(gòu)影響：在隧道彎曲的地方，由于信號(hào)被墻體遮擋，導(dǎo)致衰減嚴(yán)重，且彎道半徑越小影響越大[8]。

3)電磁干擾：電纜隧道內(nèi)高壓電纜眾多，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，干擾無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)。

其中，彎道對(duì)無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的影響最為嚴(yán)重。電磁波在彎道處傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生反射，繞射等多種現(xiàn)象，直射波則直接會(huì)被隧道墻體遮擋。此外，彎曲隧道中電磁波會(huì)發(fā)生更多的反射，導(dǎo)致其衰減程度比在直隧道中更嚴(yán)重[9-10]。因此，信號(hào)丟包現(xiàn)象更為嚴(yán)重，需要在無(wú)線(xiàn)傳感器布點(diǎn)安裝時(shí)著重考慮，通過(guò)測(cè)試確定傳感器安裝位置，確保通信穩(wěn)定性。

3.2 電纜隧道傳感器的安裝

(1)安裝布點(diǎn)位置

傳感器的安裝布點(diǎn)位置主要從兩方面考慮，一是監(jiān)測(cè)參量，二是隧道結(jié)構(gòu)。

本文主要監(jiān)測(cè)電纜隧道內(nèi)的各種氣體及環(huán)境溫濕度與電纜本體溫度數(shù)據(jù)。由于需要對(duì)電纜本體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以通過(guò)綁扎的方式將溫度傳感器固定在電纜本體表面，尤其電纜接頭位置是故障多發(fā)點(diǎn)，在條件允許保證穩(wěn)定性的情況下可考慮多安裝。對(duì)于環(huán)境溫濕度傳感器和氣體傳感器可分別粘貼安裝于隧道內(nèi)的槽盒支架上。

由于許多隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有上下層之分，有的并非直線(xiàn)建設(shè)，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，為保障通信的穩(wěn)定性，在傳感器安裝時(shí)，需根據(jù)豎井、彎道位置，酌情增加傳感器的敷設(shè)數(shù)量。

(2)無(wú)線(xiàn)通信距離測(cè)試

為了選擇設(shè)備最佳的安裝位置，針對(duì)隧道直線(xiàn)、拐角及豎井三種情況，為保證無(wú)線(xiàn)通信的穩(wěn)定性，傳感器與通信網(wǎng)關(guān)安裝的位置不同。

在傳感設(shè)備與通信設(shè)備部署前，需對(duì)電纜隧道內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)通信狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，分為三種情況：

a)直線(xiàn)情況

以每10 m為間隔，不斷增加兩傳感設(shè)備間的距離，測(cè)試通信情況，直到兩傳感設(shè)備無(wú)法連通為止；

b)彎道情況

以每5 m為間隔，不斷增加兩傳感器設(shè)備間的距離，測(cè)試通信情況，直到兩傳感設(shè)備無(wú)法連通為止；

c)豎井情況

在井口附近布置一個(gè)固定的傳感設(shè)備作為中轉(zhuǎn)樞紐，分別在井上與井下進(jìn)行距離測(cè)試，以每2 m為間隔增加井上、井下兩傳感設(shè)備與井口設(shè)備的距離，測(cè)試通信情況，直至井上、井口、井下三個(gè)傳感器之間無(wú)法連通為止。

根據(jù)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)通信連接距離測(cè)試情況，確定傳感器的最優(yōu)安裝位置。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本文中研制的電力隧道綜合無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某電力隧道開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行勘查，勘查內(nèi)容主要包括隧道結(jié)構(gòu)，傳感器安裝位置等，并利用無(wú)線(xiàn)傳感器按安裝步驟進(jìn)行通信距離測(cè)試，確定最佳安裝位置?，F(xiàn)場(chǎng)安裝與測(cè)試如下圖6所示。

圖6 傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Picture of sensor installation site

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信測(cè)試得到，兩傳感器間隔10 m或20 m時(shí)數(shù)據(jù)通信20 min的丟包率均低于5%，無(wú)線(xiàn)通信穩(wěn)定可靠。現(xiàn)場(chǎng)共安裝部署了CO、CH4、O2、CO2、濕度、溫度6類(lèi)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器，測(cè)量值均低于所設(shè)定的報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)了電纜隧道環(huán)境狀態(tài)的綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與異常預(yù)警，為運(yùn)維檢修提供了有利的參考。

5 總結(jié)

本文分析了電纜隧道內(nèi)部無(wú)線(xiàn)通信存在的問(wèn)題，并利用mesh自組網(wǎng)技術(shù)自組織、自愈合的特點(diǎn)，結(jié)合MEMS微納傳感芯片設(shè)計(jì)了電纜隧道監(jiān)測(cè)用氣體、溫濕度等無(wú)線(xiàn)傳感器，開(kāi)發(fā)了電纜隧道綜合無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并根據(jù)電纜隧道實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出了傳感器在電纜隧道內(nèi)安裝布點(diǎn)的方法，提升了隧道內(nèi)部無(wú)線(xiàn)通信的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了電纜隧道內(nèi)部電纜及環(huán)境狀態(tài)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，保障了電纜隧道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。