基于物聯(lián)網(wǎng)的智能檢測裝置在深基坑作業(yè)中的應(yīng)用

李強(qiáng) 任東紅 郭瑞峰 劉衛(wèi)校 王國棟 周瑤

【摘要】? ? 針對目前國內(nèi)外深基坑井下氣體探測裝置，采用手持式檢測儀進(jìn)行檢測，通過下吊或泵吸的方式進(jìn)行單次檢測，達(dá)不到實(shí)時(shí)連續(xù)檢測等問題，提出了基于5G物聯(lián)網(wǎng)的氣體智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)包括通過軟梯掛載的數(shù)據(jù)采集模塊，帶有姿態(tài)傳感器的行為管理模塊，手持PDA和風(fēng)箱共四個(gè)部分。PDA通過WIFI與LoRa中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過移動網(wǎng)絡(luò)將CO、H2S、CH4及O2氣體濃度數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對氣體濃度及井下人員位置實(shí)時(shí)監(jiān)測的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)搭建測試環(huán)境，驗(yàn)證了系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與可靠性。

【關(guān)鍵詞】? ? 氣體探測裝置? ? 姿態(tài)傳感器? ? 行為管理模塊? ? PDA

引言：

近年來電力鐵塔基座、深井基坑發(fā)生的嚴(yán)重事故較多，其大多與井下作業(yè)人員安全意識不強(qiáng)，以及可燃?xì)怏w、有毒氣體導(dǎo)致的傷害有關(guān)。這些氣體對人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅，給井下作業(yè)帶來了巨大的壓力。當(dāng)前國內(nèi)外基坑井下氣體探測裝置存在很多不完善的方面，缺少與工作人員行為監(jiān)測相結(jié)合的智能監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此本文基于5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套結(jié)合云網(wǎng)大數(shù)據(jù)、前端智能傳感設(shè)備的井下作業(yè)環(huán)境檢測系統(tǒng)。

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的采用可更換式氣體傳感器對濃度數(shù)據(jù)采集，采用氣壓傳感器和姿態(tài)傳感器對作業(yè)人員姿態(tài)和位置信息進(jìn)行采集，傳送給安全檢測平臺PDA（Personal Digital Assistant），PDA可以保證在高溫、低溫、粉塵、油污等惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，完成傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工作，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。各模塊與PDA之間的通訊采用LoRa（Long Range Radio）通過中繼實(shí)現(xiàn)。LoRa是SEMTECH公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一[1]。PDA發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息后自動報(bào)警，通過WIFI、5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等方式將數(shù)據(jù)上傳至后臺主站，進(jìn)行存儲、分析處理。本系統(tǒng)針對性的設(shè)計(jì)，將井下氣體檢測的關(guān)口前移，超前開展基坑作業(yè)前期安全有效檢測，為作業(yè)及救援人員進(jìn)入基坑作業(yè)前做好充分準(zhǔn)備，確?；幼鳂I(yè)過程中作業(yè)人員及救援人員的安全。為基坑作業(yè)過程可控、在控、能控，堅(jiān)決遏制人身事故發(fā)生方面，提供了強(qiáng)有力保障。

一、智能監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為滿足電力鐵塔基座、基坑深井安全作業(yè)氣體檢測的智能監(jiān)測和作業(yè)人員行為管理，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多方位采集和傳輸控制網(wǎng)絡(luò)的搭建。整個(gè)嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件部分包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內(nèi)的多種功能模塊。軟件部分包括后臺云端服務(wù)平臺和前端APP應(yīng)用程序平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和處理的多樣化。

現(xiàn)場PDA作為控制系統(tǒng)的重要一環(huán)，通過姿態(tài)傳感器和氣體傳感器等的有效數(shù)據(jù)采集，檢測有害氣體的濃度變化，準(zhǔn)確探知工作人員姿態(tài)和方位信息及井底氣體情況。行為管理模塊當(dāng)作業(yè)人員未規(guī)范操作或有害氣體超標(biāo)時(shí)，及時(shí)通過語音和聲光報(bào)警提示危險(xiǎn)，上報(bào)至PDA，控制大功率吹風(fēng)機(jī)對井下進(jìn)行通風(fēng)換氣處理，并且告知作業(yè)人員做好應(yīng)對措施。PDA可通過WIFI、LoRa等方式將作業(yè)信息實(shí)時(shí)主動上報(bào)遠(yuǎn)程平臺，通過云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，配合管理人員完成監(jiān)測反饋工作。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的控制模式，為安全保障加上了多重保險(xiǎn)。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖如下圖1所示。

1.1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)功能包含：氣體、氣壓數(shù)據(jù)采集、井上巡檢、行為管理、信息交換及存儲、閥值數(shù)據(jù)預(yù)警和報(bào)警等功能;是集成傳感器、通信芯片、微型處理器、報(bào)警告知系統(tǒng)、軟件算法等一體化的實(shí)時(shí)檢測智能系統(tǒng)。功能包含7部分，如下所示：

1.功能一：多種氣體采集功能，包括甲烷、氧氣、硫化氫、一氧化碳[2]。氣體采集設(shè)備測量范圍、精度等參數(shù)如下表1所示：

2.功能二：氣壓（海拔）監(jiān)測功能

設(shè)備通過氣壓檢測傳感器，根據(jù)不同海拔氣壓不同的原理，可定位自身海拔高度。通過開機(jī)時(shí)檢測海拔高度，工作中檢測海拔高度，由海拔高度的變化即可判斷作業(yè)人員下井位置狀態(tài)信息。氣壓傳感器作為本系統(tǒng)的特有創(chuàng)新點(diǎn)，可用于當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，地面人員根據(jù)位置信息快速制定救援計(jì)劃。

3.功能三：自檢、報(bào)警、鋰電池電量檢測等功能

設(shè)備具有開機(jī)自檢功能，包含聲，光警報(bào)裝置，當(dāng)裝置出現(xiàn)問題或者壽命到期時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行更換;根據(jù)設(shè)置閾值進(jìn)行報(bào)警，從而滿足不同情況下的要求;通過MCU的內(nèi)置ADC器件對鋰電池電量進(jìn)行采集，隨時(shí)監(jiān)測電池電量，避免意外情況出現(xiàn)。設(shè)備根據(jù)不同需求可設(shè)置定時(shí)檢測，也可設(shè)置連續(xù)工作模式。通過對現(xiàn)場環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)的多方面監(jiān)測，為井下工作人員的生命安全提供了更強(qiáng)保障。

4.功能四：井上巡檢功能

安全檢測平臺PDA起到連接井下設(shè)備和井上設(shè)備的作用。井上協(xié)作人員和管理人員可實(shí)時(shí)了解基坑井下工作狀態(tài)和作業(yè)人員狀態(tài)。不斷查詢當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)保存在PDA中，當(dāng)PDA與后臺主站系統(tǒng)連接后，將數(shù)據(jù)上傳到后臺主站。

5.功能五：行為管理功能

行為管理模塊結(jié)合系統(tǒng)特有的姿態(tài)傳感器，用來記錄作業(yè)人員的工作姿態(tài)和位置，及時(shí)提醒工作人員。當(dāng)基坑井下具備安全工作環(huán)境后，會給模塊下發(fā)工作許可，并且提示作業(yè)人員井下作業(yè)注意事項(xiàng)。作業(yè)人員下井前依次判斷是否允許下井、是否佩戴安全帽和所攜帶的作業(yè)工具是否合規(guī)，當(dāng)出現(xiàn)任何違規(guī)現(xiàn)象時(shí)系統(tǒng)自動報(bào)警。同時(shí)井下作業(yè)出現(xiàn)危險(xiǎn)或者違規(guī)操作后，模塊自動報(bào)警并通知井上巡檢人員。同時(shí)不斷檢測當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，轉(zhuǎn)換為海拔高度;具備聲、光、震動報(bào)警;通過無線傳輸方式（LoRa）將數(shù)據(jù)上傳到井上巡檢設(shè)備;設(shè)備佩戴方便并具有防爆設(shè)計(jì)，在工作過程中不會引起其他危險(xiǎn)。

6.功能六：數(shù)據(jù)上傳云端主站功能

數(shù)據(jù)匯總后上報(bào)至云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及保存，完成監(jiān)測反饋。

7.功能七：通風(fēng)功能

通風(fēng)設(shè)備采用大功率背負(fù)式汽油吹風(fēng)機(jī)，新增自主研發(fā)收放器，可方便收放通風(fēng)軟管，保證井下氣體換氣安全，解決了軟管收放復(fù)雜，攜帶不便等問題。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基坑井下氣體監(jiān)測系統(tǒng)采用微處理器M4內(nèi)核為主芯片，模塊化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。采集模塊具備對不同氣體濃度采集的能力，信息傳輸模塊采用TTL、I2C、數(shù)模轉(zhuǎn)換等多種通訊方式。采集模塊與主芯片通信采用RS485通信，其具有長距離穩(wěn)定傳輸，數(shù)據(jù)解析便捷等優(yōu)點(diǎn)。硬件系統(tǒng)與云端后臺采用5G無線傳輸?shù)姆绞?。?bào)警系統(tǒng)采用聲光報(bào)警加語音報(bào)警。采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，氣體檢測裝置示意圖如圖3所示，系統(tǒng)核心板圖如圖4所示。

1.泵吸式氣體檢測模塊

采用SKESEN公司的SKS-M-S4g模塊，是一款四合一模塊，可同時(shí)檢測氧氣、硫化氫、甲烷、一氧化碳濃度。傳感器自身具有輸出信號放大、濾波等功能，使得檢測數(shù)據(jù)根據(jù)精確。并且當(dāng)其中某一個(gè)傳感器壽命到期或損壞時(shí)，可進(jìn)行單獨(dú)更換，使用更加方便、穩(wěn)定。

2. 三維姿態(tài)與方位檢測模塊

采用的三維姿態(tài)傳感器由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸電子羅盤等硬件檢測模塊構(gòu)成。在嚴(yán)苛的檢測環(huán)境下依然可以精確實(shí)現(xiàn)俯仰角、橫滾角、偏航角的檢測。可以實(shí)現(xiàn)對井下作業(yè)人員的姿態(tài)和方位測量。當(dāng)井下作業(yè)人員出現(xiàn)違規(guī)操作時(shí)該模塊自動報(bào)警并將違規(guī)姿態(tài)上傳至PDA;當(dāng)作業(yè)人員遇到危險(xiǎn)時(shí)，該模塊可確定作業(yè)人員的具體方位，提高了井下應(yīng)急救援的能力。

3. 氣壓高度傳感器模塊

采用BMP280氣壓傳感器，該傳感器模塊具有小尺寸和低功耗，允許在電池供電的移動設(shè)備上使用的特點(diǎn)。BMP280的壓阻式壓力傳感器技術(shù)具有精度高、線性度好以及長期穩(wěn)定性和魯棒性高的電磁兼容特點(diǎn)。模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，可以兼容 3.3V 的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。

4.防水檢測模塊

井下液體檢測采用水滴電阻式檢測方式，水滴電阻式檢測原理為檢測板在無水狀態(tài)下電阻值恒定不變，當(dāng)接觸到水面時(shí)，電阻值改變，根據(jù)電阻值該變量可知有無液體。當(dāng)檢測到液體時(shí)，自動發(fā)出報(bào)警，告知井上人員檢測設(shè)備進(jìn)水的情況?？捎糜诜雷o(hù)作用，設(shè)備進(jìn)水時(shí)及時(shí)得到處理。

5. 鋰電池供電、充電及電量采集模塊

采用1800AH/3.7V/18650*6的鋰電池倉為設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行供電，電源管理部分則通過MicroUSB進(jìn)行充電。當(dāng)接上電源時(shí)，對電池充電的同時(shí)斷開對模塊供電;當(dāng)斷開電源時(shí)，模塊自動接通供電設(shè)備。模塊使用輸入電壓： DC4.2-5V，電池電量1000mAh。使用12位ADC進(jìn)行電量采集，并通過DMA傳輸?shù)絻?nèi)存中，當(dāng)上位機(jī)需要獲取設(shè)備當(dāng)前電量時(shí)進(jìn)行傳遞。

6. 語音、聲光報(bào)警、顯示模塊

語音報(bào)警系統(tǒng)采用WT588D語音芯片，使用時(shí)只需將語音信息更新至SPI-Flash上即可，大大減小了語音編輯的時(shí)間，控制靈活，根據(jù)輸入脈沖即可循環(huán)播放。聲光報(bào)警系統(tǒng)采用穿透性強(qiáng)，警示明顯的紅光。顯示單元包括一個(gè)1.8寸高亮LCD顯示屏，八顆三色高亮報(bào)警工作燈。

7. 5G及無線傳輸模塊

5G模塊采用華為5G工業(yè)模組HUAWEI MH5000-31p Mini PCIe，該模塊支持多種工作頻段工作頻段。LoRa無線傳輸模塊采用E22-400T22S，射頻433M無線穿透模塊，具有穿透性強(qiáng)，多信道選擇，射頻空中載波波特率可調(diào)等特點(diǎn)，最大發(fā)射功率為+20dBm，接受靈敏度為-114dBm@10Kbps，其空中傳播速率可達(dá)到76.8Kbps，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)到500米。WIFI模塊采用安信可科技的ESP-12F模塊，其核心處理器 ESP8266 在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，支持 80 MHz 和 160 MHz。

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件整體設(shè)計(jì)為，當(dāng)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)時(shí)為任務(wù)創(chuàng)建虛擬定時(shí)器，并創(chuàng)建任務(wù)鏈表。當(dāng)指定的時(shí)間到達(dá)時(shí)，調(diào)用任務(wù)回調(diào)函數(shù)然后解析數(shù)據(jù)處理應(yīng)用層的各種要求。設(shè)備和各模塊之間主要通過串口進(jìn)行通信，系統(tǒng)正常運(yùn)行之后一直循環(huán)檢測串口是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)串口有數(shù)據(jù)之后開啟任務(wù)定時(shí)器20ms并加入到任務(wù)鏈表之中，當(dāng)任務(wù)時(shí)間到達(dá)之后一次性從緩存中讀取內(nèi)容，然后解析處理。系統(tǒng)整體軟件流程圖見下圖5所示。

系統(tǒng)還包括對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值濾波的程序設(shè)計(jì);使用ADC對電池電量采集并計(jì)算，通過DMA傳輸?shù)絻?nèi)存中的程序設(shè)計(jì);無線通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和設(shè)備之間進(jìn)行通信的程序設(shè)計(jì)。通過判斷是否成功接收到數(shù)據(jù)以及定時(shí)器是否準(zhǔn)備好，對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，執(zhí)行相關(guān)的命令函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集到發(fā)送的整個(gè)流程。

二、 系統(tǒng)測試及驗(yàn)證

本系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對現(xiàn)有的氣體采集裝置進(jìn)行擴(kuò)展，擁有兩個(gè)特有的創(chuàng)新點(diǎn)。特有的姿態(tài)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對作業(yè)人員的作業(yè)狀態(tài)以及作業(yè)位置的檢測，特有的氣壓傳感器用于輔助判斷下井深度。數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上報(bào)至PDA，當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)和危險(xiǎn)時(shí)報(bào)警。本系統(tǒng)應(yīng)用于多種惡劣環(huán)境的氣體檢測，還可以應(yīng)用在基坑中的人員管理，結(jié)合PDA最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工信息化作業(yè)流程。為了應(yīng)對有毒有害氣體存在的環(huán)境，監(jiān)測和風(fēng)機(jī)聯(lián)動，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警，行為模塊報(bào)警，PDA報(bào)警，風(fēng)機(jī)自動進(jìn)行換風(fēng)工作等。

監(jiān)測界面包括了環(huán)境檢測、人員監(jiān)測、報(bào)警記錄等功能。其中環(huán)境檢測界面包括了設(shè)備連接狀態(tài)、設(shè)備電量，環(huán)境濕度、氣壓、海拔高度等重要參數(shù)的顯示，以及氧氣、可燃?xì)狻⒘蚧瘹?、一氧化碳的濃度?shù)據(jù)顯示。人員監(jiān)測界面包括了作業(yè)人員信息和氣壓、井深的檢測數(shù)據(jù)顯示。實(shí)地測試中監(jiān)測界面顯示圖如下圖6所示。

通過進(jìn)行大量的實(shí)地環(huán)境測試后，結(jié)果表明：該智能檢測裝置的檢測范圍及基本誤差、響應(yīng)時(shí)間、整機(jī)聲光報(bào)警功能等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基坑作業(yè)智能檢測裝置的軟梯掛載檢測，應(yīng)用系統(tǒng)特有的氣體、氣壓檢測傳感器和姿態(tài)傳感器，保證了氣體濃度檢測、作業(yè)人員狀態(tài)和位置的采集精準(zhǔn)性。通過WIFI與LoRa中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式，實(shí)現(xiàn)PDA與傳感器主動通訊，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)完成自動報(bào)警，風(fēng)機(jī)換風(fēng)操作。通過5G移動數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)PDA實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至云平臺。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)預(yù)警平臺與智能設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)上報(bào)，平臺運(yùn)行穩(wěn)定。本系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)外基坑作業(yè)檢測裝置具備實(shí)時(shí)連續(xù)功能的空缺，確保作業(yè)過程中作業(yè)人員及事故救援人員的人身安全。本系統(tǒng)特有的檢測功能，同樣可應(yīng)用于其他危險(xiǎn)環(huán)境的預(yù)警和報(bào)警，在具有精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性的同時(shí)，也具有很強(qiáng)的通用性。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 許海源， 裴慧坤， 陳城，等. 架空輸電線路防大型機(jī)械施工破壞裝置設(shè)計(jì)[J]. 科技資訊， 2020， 018（007）：1-3.

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李強(qiáng)（1977.01- ），男，漢族，陜西勉縣，本科，國網(wǎng)商洛供電公司，電力工程師，工程師，研究方向：電力安全生產(chǎn)。