一種基于Android的熱力小室浸水報(bào)警器

李 靜 國(guó)

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030013)

在我國(guó)北方城市，隨著城市的快速發(fā)展與環(huán)保節(jié)能降耗減排的要求，集中供熱在城市基礎(chǔ)建設(shè)中的地位越來越重要，各地供熱企業(yè)迅速發(fā)展，供熱面積與供熱管網(wǎng)的鋪設(shè)都在成倍增加。由于熱力管網(wǎng)的不斷延伸，作為供熱管網(wǎng)重要組成部分的熱力小室的數(shù)量也在不斷增加。針對(duì)熱力小室的巡視維護(hù)也愈發(fā)繁重，同時(shí)由于熱力小室大多處在行車道路中央并深埋地下，在巡視過程中反復(fù)的下井作業(yè)不僅會(huì)受到井下有毒有害氣體的威脅，也會(huì)受到道路上來往的通行車輛安全威脅。

針對(duì)上述問題本文介紹一種基于Android開發(fā)的熱力小室浸水報(bào)警器。該報(bào)警安裝于熱力小室井壁上通過液位開關(guān)判斷小室內(nèi)有無浸水積水情況，如有浸水積水發(fā)生，報(bào)警器自動(dòng)通電并向調(diào)度中心發(fā)送報(bào)警短信。基于Android的核心控制報(bào)警器除了能對(duì)是否有浸水積水進(jìn)行報(bào)警還能自動(dòng)檢測(cè)小室內(nèi)溫度、濕度及有毒有害氣體含量。

1 熱力小室的概念及特點(diǎn)

熱力小室又叫熱力管道閥門控制井，一般根據(jù)熱力管網(wǎng)的走向建設(shè)在路面以下。主要安裝有補(bǔ)償器、泄水閥、排氣閥以及關(guān)斷閥等設(shè)備。由于大多都深埋地下，其工況環(huán)境濕度高經(jīng)常可以達(dá)到飽和濕度；在冬季運(yùn)行期間溫度高并伴有水蒸氣；同時(shí)小室內(nèi)沒有可用常備電源線路的接入，手機(jī)信號(hào)等無線信號(hào)均無法穩(wěn)定覆蓋。在現(xiàn)有條件下對(duì)其進(jìn)行巡視檢查作業(yè)需要對(duì)相關(guān)道路進(jìn)行小范圍封閉并長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)后才能下井作業(yè)查看是否有浸水情況發(fā)生。

2 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)要求

結(jié)合熱力小室的工況特點(diǎn)小室浸水報(bào)警器就需要具備以下技術(shù)要求：自備電源、自動(dòng)運(yùn)行、具備無線信號(hào)發(fā)射能力、可以耐受高溫高濕的嚴(yán)酷工況，同時(shí)還需具備對(duì)小室內(nèi)部溫度濕度、有毒有害氣體的檢測(cè)功能。

2.2 設(shè)計(jì)思路

1)供電部分。如前文所述，熱力小室內(nèi)沒有電源線路接入，本報(bào)警器通過自備鋰電池解決產(chǎn)品供電問題，同時(shí)通過安裝液位開關(guān)對(duì)設(shè)備啟停進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)生浸水有積水時(shí)液位開關(guān)浮閥上升形成電路通路；沒有發(fā)生浸水時(shí)設(shè)備則不會(huì)通電啟動(dòng)。這種機(jī)制不僅可以對(duì)熱力小室內(nèi)是否發(fā)生浸水存有積水進(jìn)行判斷，同時(shí)還可以最大限度的節(jié)省自備鋰電池的電量，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。

2)數(shù)據(jù)采集。通常熱力小室是一個(gè)密閉空間，當(dāng)有水浸入后容易產(chǎn)生甲烷等有毒有害氣體，在常規(guī)的小室巡視檢查維護(hù)作業(yè)時(shí)，工作人員進(jìn)入小室前都要對(duì)小室進(jìn)行排氣通風(fēng)，并且進(jìn)行有毒有害氣體的檢測(cè)。本報(bào)警器除了可以對(duì)小室浸水情況進(jìn)行報(bào)警，在報(bào)警器啟動(dòng)工作后還可以通過配置的有毒有害氣體檢測(cè)模塊，對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行初步檢測(cè)；同時(shí)通過報(bào)警器配置的溫濕度傳感器，對(duì)小室內(nèi)發(fā)生浸水后的溫度進(jìn)行采集，并將采集到的信息發(fā)送至信息接收端。可以讓小室維護(hù)檢修人員，在接到浸水報(bào)警的同時(shí)也能對(duì)小室內(nèi)溫度、濕度以及有毒有害氣體情況有初步認(rèn)識(shí)，方便進(jìn)一步展開工作。

3)數(shù)據(jù)傳輸。快速準(zhǔn)確的報(bào)警發(fā)布方式是該熱力小室浸水報(bào)警器設(shè)計(jì)難點(diǎn)，由于多數(shù)熱力小室深埋地下，在小室內(nèi)通常沒有任何穩(wěn)定無線通訊信號(hào)可以覆蓋，數(shù)據(jù)傳輸方式的選型在設(shè)計(jì)初期嘗試過使用170 MHz無線數(shù)傳方式與手機(jī)GSM,GPRS以及4G信號(hào)PTN內(nèi)網(wǎng)傳輸方式。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試GSM短信通訊方式信號(hào)穩(wěn)定，信號(hào)穿透能力強(qiáng)，通常地面穿透距離為50 cm，在使用時(shí)可將報(bào)警裝配的延長(zhǎng)天線橫向安置在距離井蓋20 cm的井壁內(nèi)可以保證通訊信號(hào)的正常連接，已解決數(shù)據(jù)傳輸問題。

3 硬件選型

參見產(chǎn)品接線圖見圖1。

3.1 Arduino控制板

Arduino是該報(bào)警器的核心，是一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的開源電子產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，本設(shè)計(jì)使用arduino uno控制板，其參數(shù)如下：工作電壓5 V；處理器ATmega328；時(shí)鐘頻率16 MHz；輸入電壓7 V～12 V；Flash內(nèi)存32 kB。可以提供數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)控置同時(shí)支持串口通訊。其編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單，并配有托塊式編輯軟件，直接調(diào)用簡(jiǎn)單實(shí)用的函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。

3.2 GSM通訊芯片

GSM模塊具有發(fā)送SMS短信，語(yǔ)音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。 可以向受用端以手機(jī)短信的形式發(fā)送報(bào)警信息，該熱力小室浸水報(bào)警器優(yōu)選的SIM800C芯片，支持850 MH/900 MH/1 800 MH/1 9 00 MH四頻通訊，低功耗可實(shí)現(xiàn)GSM及GPRS通訊功能，可加裝延長(zhǎng)天線并可將延長(zhǎng)天線鋪設(shè)至距離井蓋20 cm的設(shè)計(jì)安裝要求位置。支持5 V/3.3 V單片機(jī)電源供電。

3.3 溫濕度傳感器

該報(bào)警器通過優(yōu)選的溫濕度傳感器為DTH11模塊以實(shí)現(xiàn)溫濕度的變送，其濕度測(cè)量范圍：20%～95%；濕度測(cè)量誤差：±5%；溫度測(cè)量范圍：0 ℃～50 ℃；溫度測(cè)量誤差：±2 ℃；工作電壓3.3 V～5 V；輸出形式：數(shù)字輸出，體積小便于集成安裝。

3.4 有毒有害氣體檢測(cè)

有毒有害氣體傳感器優(yōu)選MQ135模塊，工作電壓為3.3 V～5 V；輸出形式：數(shù)字輸出，適宜用于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽的探測(cè)。

3.5 液位開關(guān)

液位開關(guān)選型為塑料材質(zhì)直流Max36 V 50 mm，即當(dāng)小室內(nèi)水深超過50 mm時(shí)即可觸發(fā)開關(guān)。該開關(guān)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐熱耐腐蝕。

4 具體實(shí)施方式

設(shè)備安裝示意圖如圖2所示。

通常情況，熱力小室設(shè)在地面下方距離地面有一定距離處，熱力管道橫向固定在小室中央。當(dāng)小室內(nèi)浸水時(shí)，水位上升超過50 mm時(shí)液位開關(guān)控制報(bào)警器開啟供電，arduino uno開始工作通過DTH11,MQ135模塊開始采集小室內(nèi)溫度、濕度、有毒有害氣體信息參數(shù)，并通過GSM 通訊模塊將采集到的信息按照可設(shè)置的時(shí)間間隔以短信形式向地面上接收端發(fā)送報(bào)警信息。在接收端將在每個(gè)小室中安裝的報(bào)警器SIM卡號(hào)與小室名進(jìn)行通訊錄關(guān)聯(lián)即可知道哪個(gè)小室發(fā)送浸水情況。由于小室內(nèi)沒有電源，報(bào)警器采用鋰電池供電，只有在浮球開關(guān)啟動(dòng)時(shí)報(bào)警器才工作，鋰電池理論上可以連續(xù)工作3年～4年。小室由于深埋地下，沒有穩(wěn)定的手機(jī)等無線通訊信號(hào)覆蓋，移動(dòng)手機(jī)通訊信號(hào)的地面穿透距離為50 cm左右，為增強(qiáng)信號(hào)保證使用效果，在安裝時(shí)需在小室井壁距井蓋20 cm以內(nèi)位置橫向鉆孔，用于安放天線。小室內(nèi)濕浸水時(shí)濕度可能達(dá)到飽和所以報(bào)警器制作時(shí)外殼需要做防水處理。

5 結(jié)論

該熱力小室浸水報(bào)警器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、及時(shí)報(bào)警、防止浸水過深或溫度過高而引發(fā)的安全事故；通過在小室底部安裝液位開關(guān)，控制報(bào)警器的開啟運(yùn)行，進(jìn)而向地面上接收端發(fā)送報(bào)警信息，避免了以往靠人工巡視費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全性差等問題。采用鋰電池供電，還可以解決通常的熱力小室報(bào)警器供電困難、防潮質(zhì)量差以及沒有手機(jī)信號(hào)等問題。

在該熱力小室浸水報(bào)警器開發(fā)過程中，產(chǎn)品的防水處理尤其是防止冬季管網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的蒸汽侵蝕上一直沒有找到更好的工藝方法，目前還只能局限在橡膠墊片加防水膠封的辦法。但溫度過高后容易出現(xiàn)蒸汽侵蝕的情況。在通訊方式解決上還需繼續(xù)探索使用通訊成本更低的170 MHz數(shù)傳模塊的通訊方式的介入。同時(shí)隨著石墨烯電池的普及應(yīng)用以及5G時(shí)代的來臨也應(yīng)該進(jìn)一步了解，尋求是否可以在小室內(nèi)加裝大容量可充電電源實(shí)現(xiàn)對(duì)小室內(nèi)補(bǔ)償器工作狀態(tài)檢測(cè)報(bào)警，關(guān)斷閥工作狀態(tài)的檢測(cè)控制等功能應(yīng)用。