基于LoRa無線通信的氣體檢測裝置在電力施工中的應用

鞏文東，王廣濤，林毓梁

（1.山東職業學院，山東 濟南 250104；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》關于電纜井道的施工安全規定中，明確指出進入電纜井作業前，必須先用鼓風機進行通風，經10～15 min 的通風后，確認（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，方可進入電纜井內作業。如果在進入井道施工前未進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，嚴重時將會導致爆炸等重大安全事故［1］。

目前氣體檢測儀大多以單機式檢測和基于藍牙、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控裝置讀取數據［2］。單機型設備檢測結果延遲，不能進行實時監測［3］。短距離型檢測設備無法將數據發送到云端，從而無法進行基于大數據的智能分析處理。

國內外針對無線智能型氣體監測裝置進行了一系列的研究。袁帥等人針對變壓器油中溶解氣體設計了一種氣體在線監測裝置［4］；洪濤基于主控芯片STM32 和無線傳輸芯片CC1101 設計了受限空間關鍵氣體濃度檢測系統［5］；國外學者DEWI L 等人基于Arduino 設計了支持無線通信的液化氣泄漏檢測系統，該系統具有自動氣體調節的功能［6］。以上研究大多采用傳統的無線通信設計方法，通信距離短，無法與大數據技術結合。

設計基于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控裝置兩部分，通信距離長，無線信號穿透能力強，信號穩定［7］，可以在地面同時監測多個不同位置的電纜井，提高了檢測效率。通過GPRS 模塊將檢測到的數據實時發送至云端服務器，可通過大數據分析施工環境是否異常，同時將報警信息發送至施工負責人，進一步增強了施工的安全性。

1 可穿戴式氣體檢測儀

可穿戴式氣體檢測儀結構主要由外殼、氣體傳感器探頭、電池、緊急按鈕、指示燈、電源開關、穿戴式卡扣等部件構成，如圖1所示。

圖1 氣體檢測儀結構

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行施工作業。

1.1 硬件電路

氣體檢測儀的整體硬件結構如圖2所示。

圖2 氣體檢測儀硬件電路框圖

為了進一步提高待機時長，氣體檢測儀選用低功耗的STM32L041 單片機作為CPU，STM32L041 單片機提供了動態電壓調節、超低功耗時鐘振蕩器、LCD 接口、比較器、DAC 及硬件加密功能。和常規的STM32 芯片相比，采用ST 專有的超低泄漏制程，其ARM Cortex-M0+內核與STM32 單片機超低功耗特性的結合，使STM32 L0 MCU 非常適合電池供電。STM32L041單片機的運行模式如表1所示。

表1 STM32L041運行模式及特點

當處于開闊環境下，氣體檢測儀可以僅作為緊急呼叫裝置使用，不進行氣體檢測，施工人員可通過按下緊急呼叫按鈕實現緊急報警呼叫，此時STM32L041 單片機工作在不帶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之前，處于低功耗運行模式，檢測到氣體濃度超標時立刻轉入正常運行模式。通過這種模式切換，有效延長待機時間。

從圖2 中可以看出，氣體檢測儀具有CO、O2、可燃氣體、H2S 共4 種氣體檢測探頭，探頭在出廠前進行過標定。采用獨立的鋰電池供電，能夠脫離現場電源條件的制約，檢測到超出濃度的有害氣體后，LED 和蜂鳴器發出聲光報警，并通過LoRa 無線傳輸的方式，將數據發送到位于地面的監控裝置上。

1.2 LoRa無線通信模塊

提高通信距離最常用辦法是提高發射功率，但是能耗會急劇提高，待機時間將無法滿足要求。LoRa 無線通信模塊采用的無線擴頻的原理，同等的功耗下可取得更遠的通信距離。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，但是傳輸速率變慢［9］。同時，成本相對于傳統的無線通信模塊也更高。由于氣體檢測儀的氣體檢測數據量小，經測試，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系列的擴頻調制射頻芯片設計，采用高效的循環交織糾檢錯編碼，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設計，比傳統的LoRa 模塊具有更低的功耗，具有無線喚醒功能，休眠狀態下電流為0.2 μA，在喚醒后接收信號時電流為12 mA，在信號為13 dBm 強度下發射電流為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，接近傳統無線芯片的3 倍，抑制同頻干擾的性能較強，適用于對傳輸距離和可靠性要求極高的應用場合，擴頻傳輸極強的抗干擾能力使之能適應于各種惡劣復雜的應用環境。

E32 模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口波特率、收發頻率、發射功率、射頻空中速率等各種參數。在氣體檢測儀中，測得的氣體濃度數據傳送到LoRa無線發射模塊，地面監測裝置通過LoRa無線接收模塊進行接收。

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行防爆處理，在進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電纜井下連續48 h 不間斷測量。當電池電量不能滿足正常運行時，模塊會發出蜂鳴聲，提示操作人員電量不足。

2 地面監測裝置

地面監測裝置通過LoRa 無線傳輸方式與可穿戴式的氣體檢測儀通信，并將數據實時顯示在觸摸屏上，硬件結構如圖4所示。

圖4 地面監測裝置硬件結構

地面監測裝置采用開關電源供電，開關電源提供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 無線模塊與開關量輸入輸出模塊。GPRS DTU 模塊，可以插4G 手機卡，使用移動4G 網絡，將接收到的氣體濃度、日期、施工內容、報警等信息發送至云端服務器，云端服務器可按照施工編號、電纜井編號等類型生成氣體濃度的報表，同時在云端服務器對氣體濃度的變化進行分析，能夠做到提前預警，同時云端服務器可將報表、預警信息等發送至現場施工負責人的手機，實現基于云端大數據的監控和報警。LoRa 無線模塊將接收到的氣體濃度、報警等信息通過串口發送至觸摸屏，在觸摸屏上可以設置LoRa 無線模塊的通信參數。開關量模塊具有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送的報警信號時，將信號發送至吊裝搬運等設備，實現聯動，多余的開關量接口可用于和其他設備的聯動拓展。

監控軟件采用主從通信的模式，由觸摸屏驅動LORA無線模塊，循環采集氣體檢測儀的氣體濃度等數據，在檢測到氣體濃度超標后發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控8 路氣體檢測儀，監控畫面如圖6所示。

圖5 監控軟件流程

圖6 地面監測裝置觸摸屏監控畫面

3 現場測試

將可穿戴式氣體檢測儀放入密閉的氣體容器進行標定，經檢測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，在不同深度位置進行測試，如表2所示。

表2 不同深度待機測試

從表2可以看出，可穿戴式氣體檢測儀距地面深度越大，無線傳輸的功率越高，待機時長相應縮短，但待機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 地面監控裝置不同距離待機測試

由表3 可以看出，地面監測裝置距可穿戴式氣體檢測儀越遠，無線傳輸功率越高，待機時間越短，但待機時間與實時性均能滿足要求。

進一步將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，地面監測裝置距氣體檢測儀的距離均為10 m 左右，經測試，地面監測裝置同時采集多路數據時，通信穩定，實時性能夠滿足要求。

4 結語

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的距離，提高了通信的穩定性，使地面監測裝置可同時監測多個電纜井施工，節約成本的同時提高了監測效率。

通過GPRS 模塊插入4G 手機卡上網的方式，使現場的數據能夠第一時間上傳至云端服務器，從而為大數據分析診斷提供了數據支撐。現場負責人能夠通過云端大數據平臺獲取施工的風險和現場報警信息，為施工作業提供風險預警，增強了施工的安全性。

開關量模塊為下一步與現場其他設備之間進行聯動提供了預留的數字量接口，比如氣體濃度超標報警后聯動搬運設備將施工人員自動撤出等。將在設備下一步的研究中進行聯動設計。