基于LoRa無線通信的氣體檢測裝置在電力施工中的應(yīng)用

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)（可用氣體檢測儀檢測）無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，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(jī)式檢測和基于藍(lán)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(jī)型設(shè)備檢測結(jié)果延遲，不能進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，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(jìn)一步增強(qiáng)了施工的安全性。

1 可穿戴式氣體檢測儀

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(jìn)行施工作業(yè)。

1.1 硬件電路

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(jìn)一步提高待機(jī)時長，氣體檢測儀選用低功耗的STM32L041 單片機(jī)作為CPU，STM32L041 單片機(jī)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(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(jìn)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(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(jī)時間。

從圖2 中可以看出，氣體檢測儀具有CO、O2、可燃?xì)怏w、H2S 共4 種氣體檢測探頭，探頭在出廠前進(jìn)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。

1.2 LoRa無線通信模塊

提高通信距離最常用辦法是提高發(fā)射功率，但是能耗會急劇提高，待機(jī)時間將無法滿足要求。LoRa 無線通信模塊采用的無線擴(kuò)頻的原理，同等的功耗下可取得更遠(yuǎn)的通信距離。LoRa 無線通信模塊的缺點在于同等功耗下，雖然傳輸距離更遠(yuǎn)，但是傳輸速率變慢［9］。同時，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(kuò)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)，適用于對傳輸距離和可靠性要求極高的應(yīng)用場合，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(jìn)行接收。

1.3 獨立供電模塊

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(jìn)行防爆處理，在進(jìn)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。

2 地面監(jiān)測裝置

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(jī)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(jìn)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(jī)，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

3 現(xiàn)場測試

將可穿戴式氣體檢測儀放入密閉的氣體容器進(jìn)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(jìn)行測試，如表2所示。

表2 不同深度待機(jī)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?，待機(jī)時長相應(yīng)縮短，但待機(jī)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(jī)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(yuǎn)，無線傳輸功率越高，待機(jī)時間越短，但待機(jī)時間與實時性均能滿足要求。

進(jìn)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。

4 結(jié)語

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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行聯(lián)動設(shè)計。