電網(wǎng)有限空間作業(yè)可穿戴環(huán)境監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)*

楊鴻珍，王云燁，吳建偉，浦正國

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司,浙江 杭州 310008；2.安徽繼遠軟件有限公司,安徽 合肥 230088)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,基于物聯(lián)網(wǎng)的各類智能可穿戴產(chǎn)品[1]成為新的熱點并迅速發(fā)展。在如圖1 所示的電網(wǎng)工程中的井、箱、主變、GIS 設(shè)備等的內(nèi)部空間,封閉導(dǎo)致氧氣含量相對較低,且存在一氧化碳、甲烷等對人有毒且具有安全隱患的有害物質(zhì),因此環(huán)境實時感知和告警對于電網(wǎng)有限空間作業(yè)安全及風(fēng)險管控具有重要的意義和必要性。

圖1 電網(wǎng)有限作業(yè)空間

目前電網(wǎng)有限空間作業(yè)多以離線手持式裝置為主,如環(huán)境氣體檢測[2]的裝置(單一氣體檢測儀[3]和多合一氣體檢測儀)。存在體積大,不易攜帶,便捷性較低,且靈敏度和準(zhǔn)確性較低,同時尚未有生命體征監(jiān)測模塊,存在操作人員安全風(fēng)險隱患,難以實現(xiàn)實時在線感知,前后端協(xié)同聯(lián)動較差[4]。基于此設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)有限空間作業(yè)的可穿戴式[5]環(huán)境監(jiān)測與報警系統(tǒng),在線實時獲取現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)和人員生命體征數(shù)據(jù),與電網(wǎng)作業(yè)安全管控平臺進行實時交互,利用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理算法,評估作業(yè)風(fēng)險等級和安全作業(yè)時長,實現(xiàn)電網(wǎng)有限空間作業(yè)平臺化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[6-10]。隨時隨地對人員本身以及有限空間的作業(yè)環(huán)境進行監(jiān)測[11]與報警提示,降低人員作業(yè)風(fēng)險,提高電網(wǎng)作業(yè)安全風(fēng)險管控水平。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

充分考慮產(chǎn)品的使用便捷性、檢測的靈敏性、準(zhǔn)確性,將各個檢測模塊、輔助模塊與可穿戴方案(安全帽、工具包、工作服等)進行融合,將系統(tǒng)大致分為如圖2 所示的7 個模塊,分別為聲光報警模塊、單片機模塊、藍牙5.0/4G 通訊模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、LED 顯示模塊[12]還包括應(yīng)用模塊(手機APP、電網(wǎng)作業(yè)安全管控平臺)。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

1.2 系統(tǒng)硬件

本文采用先進的藍牙5.0/4G 通信模塊,藍牙5.0 的有效工作距離可達300 m,這使得藍牙5.0 模塊用于智能家居產(chǎn)品的優(yōu)勢非常明顯；傳輸速度上限為24 Mbit/s,意味著嵌入藍牙5.0 模塊的智能手環(huán)、智能手表等智能可穿戴設(shè)備與手機、電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸更加方便快捷；大大降低了功耗,功耗更低意味著嵌入藍牙5.0 模塊的各類無線智能設(shè)備的續(xù)航時間更長。

本文選用的基于NordicnRF52840 芯片的SKYLAB系列貼片式藍牙模塊,體積小,功耗低,功能齊全。擁有寬幅可調(diào)功耗,輸出功率可在-20 dBm 至＋8 dBm之間進行手動自我調(diào)節(jié),靈敏度可達-96 dBm。模塊嵌入ARM 內(nèi)核Cortex-M4F 的RF 收發(fā)器,MCU 內(nèi)核運行速度達到64 MHz,具備強大的運算以及浮點運算能力,能實現(xiàn)復(fù)雜的算法。

濕溫度傳感器運用A/D 轉(zhuǎn)換和智能濾波達到穩(wěn)定輸出的結(jié)果。即使在即將達到其量程的情況下,依然可以確保輸出結(jié)果的精確度[4]。在硬件方面運用了高度集成組件,同時配備了可靠的軟件支持,選擇傳感器的線性、零點等參數(shù)的綜合補償方式,避免人為補償?shù)纫蛩貙τ诮Y(jié)果的干擾。

氣體傳感器選擇電化學(xué)氣體傳感器(三電極)模組,它以線性輸出的優(yōu)勢從諸多傳感器中脫穎而出。電化學(xué)氣體傳感器測量的氣體在電極處的氧化量決定著電流量的大小。所以,在實際過程中,氣體擴散是否通暢決定著氣體量是否充足,呈現(xiàn)出傳感器正比于氣體濃度的線性輸出的結(jié)果[13]。

2 設(shè)計算法

本文旨在進行精確的場景識別,通過設(shè)計算法對室內(nèi)外環(huán)境進行區(qū)分。本算法設(shè)計的核心在于通過測量室內(nèi)外的溫濕度,對比采集到的數(shù)據(jù)的差異,區(qū)分不同的場景,實現(xiàn)環(huán)境切換的實時識別[14]。

(1)將m條不同的傳感信息構(gòu)建成m維度傳感信息的時間序列S[m][ti]。此次算法研究主要需要溫度及濕度信息,所以可以建立以下的二維傳感信息時間序列。

(2)構(gòu)建參考傳感信息時間序列。參考序列是從氣象網(wǎng)站上獲取的實時的天氣信息(溫度和濕度)構(gòu)成的時間序列。

(3)構(gòu)建差值傳感信息時間序列D[m][ti],m＝1,2,為傳感信息時間序列與參考信息傳感信息序列差的絕對值。

對于某種特定氣體的探測,在采用對應(yīng)吸收波長的濾光片之外,設(shè)置一個在較寬的范圍內(nèi)具有平坦透過特性的濾光片(例如CaF2濾光片),以分別形成探測通道和參比通道。根據(jù)Beer-Lambert 定律,探測通道的電壓信號與待測氣體濃度的關(guān)系為:

參比通道的關(guān)系式為:

式中:ugas、uref分別為探測通道和參比通道的電壓信號；Pgas、Pref分別為探測通道和參比通道的電壓相應(yīng)率；Cgas、Cref分別為探測通道和參比通道的濾光片的特性參數(shù)。

當(dāng)待測氣體濃度c＝0 時:

式中:K0是探測器的固有特性,可以近似看作一個常數(shù)。定義系數(shù)F為:

式中:k表示單位濃度,單位厚度的吸光度；c表示濃度,l表示厚度。

則有:

從而可以算出待測濃度。

3 工作原理

3.1 數(shù)據(jù)采集

本文數(shù)據(jù)采集單元以前置的方式采用“多合一”貼片式傳感器模組,如圖3 所示,由包括氣體[6]、溫濕度、生命體征監(jiān)測等多種數(shù)據(jù)傳感器組成。

圖3 貼片式傳感器模組

溫濕度傳感器:采用數(shù)字式傳感器,在溫濕度傳感器技術(shù)和數(shù)字采集技術(shù)的基礎(chǔ)上,對環(huán)境溫濕度參數(shù)進行實時采集,并且對輸出信號進行校準(zhǔn),大大提高了信號的準(zhǔn)確度,具有極高的可靠性和穩(wěn)定性,響應(yīng)迅速,抗干擾能力強,并且體積輕小、連接方便；氣體傳感器:本傳感器通過電化學(xué)氣體傳感器(三電極)模組,同時內(nèi)部設(shè)有氧氣、一氧化碳等其氣體探測元件。具有高分辨、高靈敏和抗干擾等特點；生命體征傳感器:基于高精度光學(xué)模塊,測量血壓、心率等功能值,評估人體的健康狀況,體積小、成本低、測量精準(zhǔn)。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示,1 ppm＝10-6。

表1 技術(shù)指標(biāo)

3.2 數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換

本文實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境溫濕度、氣體、生命體征等參數(shù)的檢測以及與后臺的無線數(shù)據(jù)傳輸及控制。選擇8～32 位高性能單片機作為系統(tǒng)控制內(nèi)核,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換、無線傳輸、工作指令的發(fā)出。單片機體積小、功耗低、擴展靈活,主控模塊內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器,AGC 信號放大電路。通過16 位的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效率傳輸。單片機其內(nèi)部還包括ROM 及靜態(tài)RAM、串口、ADC 和DAC、內(nèi)部時鐘、DTMF 發(fā)生器等功能。

探測器在5 V 左右的電壓下工作,流過的電流不能超過5 mA,可在溫度為零下20 ℃至零上50 ℃,濕度為15%～90%的無凝結(jié)環(huán)境下工作,可在5 s 內(nèi)響應(yīng),一般地,在有害氣體超過51×10-6的時候會對人體造成損害,探測器裝置會根據(jù)人的心率以及血壓,適當(dāng)提早報警。

3.3 無線通信

根據(jù)電網(wǎng)有限空間作業(yè)應(yīng)用場景,本文設(shè)計無線通信模塊,同時支持藍牙[7]無線通信方式,滿足無線數(shù)據(jù)的收集與傳輸?shù)囊?。?G 模塊中插入SIM 卡,基于MQTT 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,經(jīng)4G 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器。藍牙方式作業(yè)時,通過藍牙模塊[8]與現(xiàn)場作業(yè)人員手機端APP 進行通信,上傳顯示實時數(shù)據(jù)。

圖4 藍牙模塊工作方式

3.4 聲光報警

聲光報警模塊包含蜂鳴報警器、LED 顯示燈和連接電路,如圖5 所示。其中聲光報警模塊與單片機相應(yīng)管腳進行連接,當(dāng)傳感器探測到異常數(shù)據(jù)后,反饋至單片機中央控制單元,由單片機控制聲光報警模塊工作,當(dāng)檢測有害氣體濃度超過0.5%時,蜂鳴器能夠及時響應(yīng),并持續(xù)報警,伴隨LED 燈光閃爍。

圖5 聲光報警電路

4 APP 系統(tǒng)及配套裝置使用流程

4.1 隱患感知子系統(tǒng)

作用是方便安全管理人員即時獲取電力場景密閉空間相關(guān)狀態(tài)與告警。系統(tǒng)可視化界面實時顯示密閉空間內(nèi)的氣體狀態(tài)、門開閉狀態(tài)、通風(fēng)設(shè)施運行狀態(tài)、人員作業(yè)狀態(tài)、各類告警、作業(yè)申請與審批以及相關(guān)數(shù)據(jù)匯總。

4.2 作業(yè)申請與審批子系統(tǒng)

作用是實時審批作業(yè)人員提交密閉作業(yè)空間作業(yè)申請,記錄電力場景密閉空間作業(yè)的時間、地點及人物等相關(guān)信息。

(1)根據(jù)作業(yè)人員填報的個人基本信息以及電力場景密閉空間各氣體濃度情況,自動判斷工作人員可否進入。

(2)申請人按照實際作業(yè)需求真實填寫小組人數(shù)、作業(yè)負(fù)責(zé)人、小組工作人員、作業(yè)類型、預(yù)計時長以及作業(yè)內(nèi)容等相關(guān)申請內(nèi)容。

4.3 告警處理子系統(tǒng)

作用是為安全事件數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。將事件安全告警與結(jié)果輸入管理系統(tǒng)。負(fù)責(zé)人員在系統(tǒng)告警處置完成后應(yīng)及時填寫處置原因、處置結(jié)果、處置方式。便于管理人員匯總分析并進行針對性管理。同時,供上級管理機構(gòu)根據(jù)實際情況進行安全整治或安全宣傳教育,降低類似安全事故的發(fā)生概率,避免類似問題在其他密閉作業(yè)空間重復(fù)發(fā)生。主要內(nèi)容包括:處置時間、處置地點、處置內(nèi)容、告警原因、告警人、告警方式、結(jié)果、完成時間、審核人。

4.4 數(shù)據(jù)匯總分析子系統(tǒng)

作用是提供一個時間段內(nèi)各密閉作業(yè)空間安全管理工作的告警級別與相應(yīng)時間段信息、告警發(fā)生地點與相應(yīng)時間段信息、告警內(nèi)容與相應(yīng)地點信息、告警時間段分布與相應(yīng)數(shù)量信息、作業(yè)數(shù)量與告警數(shù)量信息作業(yè)數(shù)量與告警時間段對比匯總等相關(guān)信息給本級管理人員及上級管理機構(gòu),幫助相關(guān)人員及時掌握密閉空間安全管理工作的質(zhì)量或主要問題。為本級管理人員及上級管理機構(gòu)規(guī)劃今后密閉作業(yè)空間管理工作重點內(nèi)容提供有力的客觀數(shù)據(jù)支撐。

4.5 分級管理平臺

作用是根據(jù)電力場景密閉作業(yè)空間不同管理層級的管理需求,對感知數(shù)據(jù)、安全事件數(shù)據(jù)、處置匯總數(shù)據(jù)進行分級、分類匯總與呈現(xiàn),以滿足不同管理層級的管理重點需求。

(1)三級平臺-密閉作業(yè)空間本級管理人員與機構(gòu)作用:電力場景密閉空間感知管理、電力場景密閉空間作業(yè)申請與審批管理、電力場景密閉空間告警與處置反饋管理、電力場景密閉空間數(shù)據(jù)匯總。

(2)二級平臺-密閉作業(yè)空間所屬上級管理人員與機構(gòu)作用:將每個電力場景密閉管理安全系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)、作業(yè)申請審批數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)對接傳輸至區(qū)域指揮中心系統(tǒng)。以利于區(qū)域指揮中心管理本區(qū)域所轄所有相關(guān)電力場景密閉空間安全管理工作態(tài)勢與質(zhì)量。同時區(qū)域指揮中心可根據(jù)告警與突發(fā)時間的處置反饋結(jié)果提出相關(guān)指導(dǎo)性工作意見或整治要求。

(3)一級平臺-企業(yè)總部應(yīng)急監(jiān)控指揮中心作用:二級區(qū)域指揮中心將本機構(gòu)指導(dǎo)性意見或整改要求,連通二級區(qū)域指揮中心匯總的所轄各電力場景密閉空間感知數(shù)據(jù)、作業(yè)申請審批數(shù)據(jù)等對接傳輸至集團指揮中心。為電力場景密閉空間安全工作態(tài)勢與問題提供客觀及有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.6 配套裝置使用流程

作業(yè)人員穿著智能可穿戴裝置工作時,在作業(yè)現(xiàn)場上傳實時坐標(biāo)位置,通過生命體征檢測模塊[14]采集人體血壓、心率等生命體征數(shù)據(jù),合格后,方可進入作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)部。進入作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)部采集實時環(huán)境溫濕度、有毒有害氣體[11]、可燃?xì)怏w、氧氣濃度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù),通過無線網(wǎng)路或局域網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺,或者通過藍牙裝置[15-16]傳送到手機應(yīng)用端。當(dāng)環(huán)境中某一參數(shù)超過閾值范圍,立即進行狀態(tài)顯示異常告警和蜂鳴報警,此時后端監(jiān)督人員可監(jiān)測到異常報警信息[18],并與現(xiàn)場作業(yè)人員通過手機APP 進行實時通話,實現(xiàn)遠程指揮。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

5 實驗

由于光源調(diào)制頻率會對傳感器的響應(yīng)產(chǎn)生影響,以二氧化硫、甲烷以及混合參比氣體為例,選用特定的毫秒級紅外靈敏材料的固有特性熱時間常數(shù),測試傳感器在不同調(diào)制頻率下的信號幅值,如圖7所示。實驗顯示,在低頻范圍內(nèi),傳感器具有出色的響應(yīng)能力。

圖7 輸出信號幅值與頻率的關(guān)系

對甲烷和二氧化硫兩種氣體以及混合參比氣體進行探測,調(diào)整調(diào)制頻率為1.2 Hz、峰值值為3 V,直流偏置為＋1 V,得到如圖8 所示的穩(wěn)定波形時域信號圖。

圖8 不同調(diào)制光源下的響應(yīng)能力

根據(jù)Beer-Lambert 定律,將探測器輸出信號與氣體濃度聯(lián)系起來,配置不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體,采用三個數(shù)據(jù)點獲得計算所需關(guān)鍵參數(shù)。利用Beer-Lambert 定律擬合傳感器對三種不同濃度的甲烷氣體靈敏度數(shù)據(jù),得到如圖9 所示的擬合結(jié)果。

圖9 不同氣體濃度下的響應(yīng)能力

以朗伯比爾定律為依據(jù),將傳感器對甲烷響應(yīng)的信號輸出與氣體濃度關(guān)系進行擬合,在實際測試中,可以根據(jù)測得的電壓信號獲得二氧化硫的實際濃度信息,傳感器對二氧化硫的信號與濃度的關(guān)系如圖10 所示。

圖10 傳感器對不同濃度二氧化硫的響應(yīng)能力

利用各種待檢氣體的不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體,分別在不同的測量范圍內(nèi)進行多次實驗,試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 誤差范圍

6 實驗設(shè)施

實驗中采用以帶有銥-鈀叉指電極的陶瓷片為襯底的平板式厚膜濕度傳感器,濕敏元件的陶瓷基底與氣敏元件的陶瓷基底類似,尺寸上略有不同。

首先用乙醇和去離子水對陶瓷基底進行超聲波清洗,然后在70 ℃的干燥室中干燥。然后,稱取適量敏感材料放入瑪瑙研缽中,加入適量去離子水,調(diào)制成均勻漿料。用細(xì)毛刷蘸取少量漿料,均勻涂覆在陶瓷片上,覆蓋整個叉指電極部分,厚度均勻適當(dāng),自然陰干備用。圖11 為實驗制得的濕度傳感器件示意圖。經(jīng)過老化后,用智能濕度傳感器分析系統(tǒng)對制作完成的氣體傳感器進行濕敏性能測試。

圖11 濕度傳感器

連接并調(diào)整好傳感器、實驗板、實驗臺電源與顯示儀表后,在如圖12 所示的SET3000 傳感器裝置實驗環(huán)境下將調(diào)理電路調(diào)諧好,并將對傳感器輸出調(diào)零,然后逐步加載并記錄實驗數(shù)據(jù)。在實際中采樣讀取穩(wěn)定時間較長的數(shù)據(jù)來減小由于電磁干擾或數(shù)顯表采樣芯片的誤差。

圖12 SET3000 傳感裝置實驗環(huán)境

虛擬儀器系統(tǒng)由傳感器、實驗板、采集卡與運行虛擬程序的計算機組成,采用美國國家儀器公司(NI)采樣速率為1.25 MSample/s 的16 位分辨率數(shù)據(jù)采集卡USB6253,系統(tǒng)開發(fā)平臺選用圖形化編程語言LabVIEW2019 版。

實驗者操作的用戶界面包括實驗項目、通道配置、定時采樣、數(shù)據(jù)記錄、比較分析五個部分,其中比較分析包括表格對比與曲線比較兩種形式。用戶界面如圖13 所示,物理通道選項從連接的采集設(shè)備選擇接線通道,信號端配置選用差分方式。

圖13 儀器系統(tǒng)用戶界面

選定實驗項目,最大值與最小值用于限定該實驗項目輸入信號的幅值,偏置調(diào)節(jié)用于系統(tǒng)調(diào)零,讀數(shù)暫停控件用于逐次讀取傳感器數(shù)據(jù),系統(tǒng)性能分析用于比較兩種實驗系統(tǒng)性能指標(biāo)。

用采集卡將調(diào)理電路輸出顯示在虛擬儀器系統(tǒng),可以采用偏置補償與讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)平均的方法分別減少調(diào)零環(huán)節(jié)、實驗臺讀數(shù)估讀偏差。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)取平均值作為偏置值,用于減少傳感器與調(diào)理電路的零點誤差。每次循環(huán)將讀取的數(shù)據(jù)求和,并取平均值作為測量數(shù)據(jù),可以減少數(shù)據(jù)波動對讀數(shù)的影響。

7 結(jié)論

本文設(shè)計了一種電網(wǎng)工程作業(yè)可穿戴環(huán)境監(jiān)測及報警系統(tǒng),對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、各個模塊的功能及硬件選擇以及系統(tǒng)工作流程進行了介紹。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的場景和基本工作流程,結(jié)合模塊化設(shè)計理念,本文設(shè)計的智能感知裝置可實現(xiàn)便攜式可穿戴要求,用于實時感知周邊環(huán)境作業(yè)風(fēng)險,具有可行性和實用性,對于其他場景的環(huán)境監(jiān)測具有一定的借鑒意義,也有著廣闊的應(yīng)用前景。