基于LoRa技術的隨身式深基坑有害氣體監測系統的設計與應用

陳進 李巖 李智 甘偉良

關鍵詞 深基坑 氣體智能實時監測機告警 隨身式

1工程概況

國網重慶市電力公司市區供電分公司負責實施重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程，該工程可以提高重慶市主城區220kV 變電站供電的穩定性，滿足圣泉、熬山、柏樹堡、雙山片區用電負荷增加的需要。因重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程跨越市區，且隨著城市建筑業向高層、大跨空間結構發展和地下空間開發的逐步深入，增加了施工環境及地下管線的復雜性，以及深基坑本身地勢較低、通風環境較差等特點，在其坑道內可能存在一些對人體有害的氣體，如CO，CO2，H2S 和CH4。據調查，在實際建筑深基坑的施工中出現的安全事故，其中因為施工過程中的有毒有害氣體中毒事故占了大多數[1] 。為保障重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程施工人員安全，提高施工管理效率，項目參與技術人員研究出了技術先進的基于LoRa 技術的隨身式氣體監測系統。

2技術比較

2.1無線傳輸技術

由于施工場地的復雜性和臨時性，鋪設傳輸線路并不現實且成本較高，氣體監測系統需要依靠無線傳輸技術來實現信息的傳送。目前使用得最多的無線傳輸技術包括藍牙技術、ZigBee 技術、LoRa 技術等。

2.1.1藍牙技術

藍牙是一種支持設備短距離通信的相對成熟的無線電技術，其可實現數據和聲音傳輸同時管理，價格相對便宜、安全性高，由于通過跳頻擴頻技術進行傳播，還具有抗干擾性強的優勢。

一般藍牙的數據傳輸距離較短，目前，普通藍牙數據傳輸工作距離為10 米左右。但深基坑等地底作業障礙物多，在此環境下藍牙技術的有效信號傳輸距離將進一步縮短，穩定性也會降低，且施工場地安裝基站成本較高，藍牙技術并不適用。

2.1.2ZigBee 技術

ZigBee 也稱紫蜂，是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術。目前，其廣泛應用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種傳感器、控制器等設備之間進行數據傳輸。但對于深基坑監測技術，需要在作業期間不間斷的傳輸監測數據，及時告警并將作業人員疏散離場才是重中之重，故近距離傳輸的ZigBee 技術并不適用于深基坑氣體隨身式智能實時監測及告警系統。

2.1.3LoRa 技術

LoRa 技術（Long Rang）是一種能滿足低功耗、超長距離要求的強抗干擾能力通信的無線窄帶擴頻通信技術，LoRa 技術的出現大幅度改善了無線傳輸技術的接收靈敏度[2～3] 。

綜合對比，LoRa 技術更加適用于環境復雜、障礙物多的深基坑無線信息傳輸。

2.2系統架構

系統構架如圖1 所示。

2.2.1前端傳感器采集模塊

前端傳感器采集模塊包括身體特征探測模塊、氧氣傳感器、甲烷傳感器、硫化氫傳感器、一氧化碳傳感器，用于實時監測施工人員的血氧心率、舒張壓、收縮壓以及監測施工人員作業區域環境參數，并通過LoRa無線傳輸方式將環境參數和人員狀態信息上傳至數據集中器。每個前端采集模塊中還含有重力加速度傳感器，作業期間當施工人員停止不動時，將進行告警，非作業期間模塊停止工作，進入低功耗模式。

2.2.2數據集中器

數據集中器是前端傳感器采集模塊與主機之間的橋梁，起到參數信息匯總和遠距離傳輸的作用。

2.2.3系統主機

主機分為數據顯示單元、數據分析單元和告警單元。數據顯示單元實時顯示各前端采集模塊的采集參數，便于管理人員隨時查看。數據分析單元在接收到環境及作業人員身體參數后進行算法分析，并與設定的閾值進行比較，一旦超出閾值則發出警報。

主機的功能較多，具體如下。

（1）設置功能：可根據實際需要進行深基坑氣體濃度和施工人員身體狀況參數的閾值設置、前端傳感器采集模塊傳輸間隔設置、各設備報警觸發時間及間隔設置等。

（2）查詢功能：可隨時查詢某時間點各項監測數據的歷史記錄，可查詢某段時間內的目標氣體濃度的變化趨勢。

（3）復位功能：復位后系統將恢復到上一次調整的正常的運行狀態，復位操作將不會更改系統的之前的設置參數。

（4）自檢功能：主機可以自動檢測，包括報警器、LoRa 信號傳輸模塊、收集參數的前端傳感器采集模塊在內的模塊是否損壞或是否存在異常，以及各模塊之間的信號傳輸是否正常，當監測到錯誤時將發出警告

（5）密碼保護功能：使用多級密碼保護系統的安全運行，設置、自檢、復位、隔離操作前等操作均密碼確認，避免了人員誤操的可能。

（6）三級報警功能：警報程度分為三級，分別是注意、預警和報警，每個級別的范圍均可以由用戶根據現場實際情況自由設置。

2.3系統優勢

（1）續航時間長：所有傳感器及系統主機均可充電，所有傳感器充電一次保證連續使用2 天以上，現場管理主機保證連續使用7 天以上。

（2）參數可設置：現場管理主機有開關機按鈕，主機界面顯示的監測參數報警閾值均可設置。

（3）功能全面：施工人員意外情況和施工環境參數異常情況均及時報警，雙重保障施工安全。

（4）報警方式豐富：分三級預警，給予作業人員和管理人員更多的反應和撤離時間;振動提示、聲音報警等功能齊全，符合作業現場的實際需求。

（5）適用性強：前端采集模塊采集精度高、耗電量小，采用便攜式設計，模塊小隨身攜帶且對施工人員無影響。設備既可以獨立運行，也可以支持向上融入基建管控系統。

3現場情況

在重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程線路施工過程中，基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監測系統得到實際應用。作業現場的深基坑作業環境參數（如CO，O2，CH4，H2S 等），施工人員身體特征得到實時監測，一旦監測參數異常，系統主機便提醒作業人員立即撤離施工區域。

施工作業人員攜帶前端傳感器采集模塊進入工程現場（圖2），前端傳感器采集模塊將深基坑里面的環境參數信息、施工人員身體特征信息通過無線LoRa方式傳到數據集中器，數據集中器再通過LoRa 技術將環境參數傳至現場管理主機，現場管理主機經過軟件分析后實現對作業區域的環境參數實時監測，對異常情況立即告警，提醒作業人員安全撤離。同時，施工管理人員能及時掌握現場作業情況，便于采取施救、撤離等緊急措施。為現場施工工作人員的綜合管理（尤其是安全生產）提供可靠保障，意外事故分析提供可靠依據。

在工程現場經過長時間應用， “ 前端采集模塊———數據集中器”“數據集中器———管理主機”之間無線LoRa 通信穩定、連接良好，整個系統運行順暢。模擬深基坑環境參數異常、模擬施工人員身體參數異常時，管理主機均能及時發出告警信息，基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監測系統達到了預期設計目標。

4結論

本文提出基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監測系統，利用LoRa 無線通信技術，通過隨身式前端傳感器采集模塊采集數據，利用主機分析數據，實時監控深基坑等地底作業人員身體狀況及作業環境情況。該系統可有效保障作業人員安全，減少事故的發生，且續航時間長、成本低，還可與智能終端進行連接，管理人員可通過軟件查看各個施工場地的實際情況，發展前景廣闊，值得推廣。