施工區域地下熱力管網無線振動監測系統

楊亞龍，張翼鵬，范文強，徐飛杭，何 青

(1. 天津市城安熱電有限公司，天津 300204； 2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206)

隨著城市管網體系的不斷發展，城市基礎建設也在不斷擴大和升級，由此帶來的頻繁施工給城市各類管網設備的安全帶來新的挑戰[1]。傳統的管網安全運行監管手段多以人工巡檢為主，隨著管網容量的增加，以及其他的一些原因[1]，管網的安全變得難以保證。

振動監測是設備監測應用中的常見手段，通過振動監測的方式可以有效地感知外部環境的變化[4]。將振動監測應用到管網監測當中，可以在發現異常振動時提前發出警報，防止施工等外力對管網造成破壞，從而保障管網安全。目前存在的管網監測應用當中，振動監測多被用于管道泄漏監測[5]，并且多為有線線纜方式的連接。關于無線振動監測技術在施工區域地下管網監測中的研究則相對較少，目前已知的有：文獻[6-7]對輸氣管道第三方破壞事件類型進行了劃分和特征收集，應用LABVIEW和光纖振動傳感器進行研究[8]，提出了一種輸氣管道光纖振動監測方案，并進行了模擬試驗；文獻[9]應用一種帶有振動監測和無線傳輸功能的電子界樁，對施工破壞燃氣管網問題進行了研究，采集了幾種常見施工器械的振動信號，對其振動特征進行了分析，依據已有成果[10]和理論研究對監測點位的選取進行了討論，并應用電子界樁進行了現場測試。

本文就施工區域地下管網無線振動監測系統中的關鍵技術進行研究，提出一種施工區域地下熱力管網無線振動監測系統方案，進而針對性地研發一種管網振動監測裝置，介紹該監測裝置的硬件設計和軟件設計，并進行現場驗證。

1 無線振動監測系統方案

1.1 系統方案

基于施工區域地下管網無線振動監測的目的提出以下系統方案(見圖1)，其中包括云端系統和本地監測系統兩部分，本文主要討論其中的本地監測系統。

圖1 管網無線振動監測系統方案

1.2 設計要點

下面結合圖1的系統方案，分析介紹管網無線振動監測中的設計要點，主要包含以下4個部分。

(1) 振動監測部分。通過振動監測來監測管網的安全狀況，可以在檢測到異常振動時進行報警，相對于常見的管道泄漏監測來說，這是一種能夠提前進行預警的監測方式，因而更加可靠。目前用于振動監測的振動傳感器主要有傳統傳感器和微機電系統(Micro Electro Mechanical System, 簡稱MEMS)傳感器兩種。傳統傳感器能夠監測到更大頻率和更大幅度的振動，但一般體積較大，且只能輸出電壓信號，因此不夠智能；而MEMS傳感器具有體積小、數字信號輸出的優點，但相對地，目前的MEMS傳感器能檢測到的振動信號的頻率和幅度都遠不如傳統傳感器。考慮到實際施工區域地下管網產生的振動幅度和頻率一般都較小，因此應用MEMS傳感器是更優的選擇。

(2) 主控部分。振動信號的采集和處理較為復雜，需要進行大量的分析計算，要求主控芯片具有較好的性能；同時考慮到地下管網無電源線以及即使使用電源線后的維護成本，主控芯片一般使用電池供電，這就需要進行低功耗選型和設計。選擇具有休眠功能并且能夠定時或被外部喚醒的芯片，來實現系統的設計，降低監測功耗，獲得更長的運行時長，降低維護成本。

(3) 無線通信部分。監測裝置需要在檢測到異常振動時及時與云端系統通信，進行報警，同時也需要定期與外部進行通信，發送心跳包，下載配置和進行固件升級。傳統采用的通信方式為線纜連接，隨著無線網絡的迭代和鋪設，目前設計應用中多采用無線連接的通信方式。就無線通信方式而言，地下管網中無線信號衰減快，一般不進行無線傳感網絡部署，可采取基于網絡運營商基站的窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，簡稱 NB-IoT)通信方式，配合高增益天線作單一終端通信傳輸。

(4) 其他部分。地下管網環境惡劣，進行系統設計時也應考慮裝置的密封防水性。地下管網潮濕，很容易對裸露的電路板造成破壞，在季節性降水過后整個管道窨井甚至會浸滿積水，導致設備泡在水中。因此監測裝置的密封性也是極其重要的，有效的密封防水設計可以使監測裝置適應惡劣的外部環境。

2 硬件設計

基于施工區域地下管網無線振動監測的系統方案和設計要點，對監測裝置的硬件進行了選型和設計。

使用STM32L4系列低功耗芯片作為監測裝置的主控芯片，使用亞諾德半導體的ADXL345 MEMS加速度傳感器進行振動監測，使用移遠通信的BC25芯片配合30 dBi高增益銅棒天線進行通信，使用專用的防水外殼進行監測裝置的密封防水，使用3節鋰電池和TP4065電源管理芯片作為監測裝置的電源。

主控芯片使用I2C與ADXL345芯片進行通信，使用異步串口USART與BC25進行通信，電路板和鋰電池固定于防水外殼內，BC25的通信天線通過外殼開孔引出，之后進行膠封。系統硬件組成如圖2所示。

圖2 監測裝置硬件組成圖

2.1 主控部分

主控芯片使用STM32L4系列芯片，該系列單片機是意法半導體設計的32位高性能低功耗應用的單片機，其內核為Cortex-M4，最高頻率可達80 MHz，實現振動信號快速分析的同時，具有超低功耗待機模式；Standby模式開啟RTC定時中斷和WKUP外部中斷情況下，待機電流僅為0.45 μA，喚醒時間僅為14 μs，可快速處理監測到的振動信號。

STM32L4具有多個最大速率達1 000 kHz的I2C外設，裝置使用I2C2，速率設定為快速模式400 kHz，將I2C2引腳及設定的兩個外部中斷引腳與ADXL345芯片連接，應用時使用800 Hz采樣頻率采樣；具有多個通用串口并可擴展多個低功耗串口，其中UART1一般作調試用，使用UART2串口連接至BC25芯片的對應串口引腳，并同樣將電源控制引腳和復位引腳連接至BC25芯片；引出一個ADC引腳至電源輸出端作電量檢測，同樣引出STM32L4芯片的串口調試引腳，方便程序下載。

2.2 振動傳感器部分

振動傳感器使用MEMS傳感器，具體芯片為ADXL345，其為三軸加速度傳感器，可以同時監測3個方向的振動(見圖3)，并具有中斷輸出功能，加速度檢測靈敏度為3.9 mg/LSB，輸出速率最大可達1 600 Hz。結合ADXL345芯片的說明文檔，將ADX345芯片的I2C引腳進行10 K上拉，同樣將用于SPI通信的CS片選引腳上拉，這樣可以指定通信方式為I2C模式。將ADXL345的兩個中斷引腳連接至STM32L431RCT6的外部中斷引腳，其中一個需要是WKUP中斷引腳，這樣可以讓ADXL345喚醒休眠中的STM32L431RCT6。

圖3 三軸加速度圖

2.3 通信部分

通信方式選用NB-IoT，對應選擇的芯片為BC25，考慮到BC25芯片外圍電路包括電源電路、天線電路、SIM卡電路在內的設計的復雜性，裝置使用現有的成品模塊，連接30 dBi高增益通信天線，通過接插的形式連接至電路底板上。在底板上設計開關電路，使用STM32L431RCT6的IO引腳驅動P型MOS管控制整個成品模塊的電源通斷，以實現裝置的低功耗運行。

2.4 供電部分

使用3節鋰電池并聯供電，電壓范圍為3.3～4.2 V。電路底板上使用ME6211C33穩壓芯片，同時為STM32L431RCT6、ADXL345和BC25模塊板供電。將USB供電端和鋰電池供電端通過肖特基二極管進行防反接處理后并聯，實現USB和鋰電池雙電源輸入。

鋰電池充放電管理芯片使用TP4065芯片，在輸出端設計簡單的電阻分壓電路供主控芯片檢測當前電量。

3 軟件設計

3.1 軟件功能

監測裝置軟件設計上需要實現的功能主要為信號采集分析、通信上傳、低功耗休眠3部分，其中信號采集分析部分為STM32L431RCT6從ADXL345通過I2C協議讀取振動加速度數據并進行分析，通信上傳部分為STM32L431RCT6通過BC25上傳心跳包或報警信號和報警振動數據到服務器，低功耗休眠部分為STM32L431RCT6完成工作流程內的任務后進入低功耗休眠并定時進行心跳包上傳。

3.2 低功耗休眠設計

裝置的PCB板上沒有LED等耗能元件，主要功耗源為振動傳感器ADXL345、主控STM32L431RCT6和BC25通信模塊板，其中通信模塊板為主要功耗源。在軟件設計上，監測時僅振動傳感器工作，主控處于休眠狀態，通信模塊板處于關斷狀態，監測電流約300 mA；開始工作后，主控喚醒，通信模塊板打開，工作電流約30 mA，工作完成后，主控關斷通信模塊板，進入休眠。

3.3 振動信號采集及分析設計

開始工作后，主控從振動傳感器采集三軸數據，采集方式為I2C從ADXL345 X0數據寄存器開始連續讀6個字節，以補碼的形式存儲至主控，之后對其進行矢量合成，以便綜合考慮三軸振動的同時減少振動信號分析計算量。

采取計算矢量合成坐標量綱參數的方式對采集的振動數據進行分析，并與設定的經驗閾值進行比較判斷。

3.4 軟件流程設計

結合以上幾部分進行管網無線振動監測裝置的程序設計，監測裝置的軟件流程為：裝置讀取休眠喚醒寄存器，檢測到初次啟動時，配置BC25的參數，關閉命令回顯和自動休眠功能，配置完成后主控芯片通過BC25獲取云端的配置信息，包括運動閾值、休眠時間、監測時間等參數，之后配置ADXL345的寄存器，以設定其數據輸出速率、運動閾值和中斷映射等。最后關斷BC25的電源，主控芯片進入休眠狀態，只讓ADXL345進行工作，從而控制功耗，延長續航。初次啟動流程如圖4所示。

圖4 初次啟動流程

當ADXL345檢測到超出運動閾值的振動后，會觸發中斷，對應的中斷引腳發生電平變化，從而喚醒主控芯片，主控芯片被喚醒后檢測到是由WKUP引腳喚醒，便進入監測狀態，監測狀態中會實時讀取ADXL345的加速度數據，并分析是否有異常的振動產生，如果有則進行報警，通過BC25上報數據到云端，從而通知運行維護人員。當一段時間后仍未監測到異常振動，則重新進入休眠。監測狀態流程如圖5所示。

圖5 監測狀態流程

主控芯片同樣設定了RTC定時喚醒，主控芯片被喚醒后可以檢測到是由RTC定時喚醒，這時便通過BC25進行心跳包上報，配置信息下載等操作。

4 現場驗證

將設計的裝置布署到某市熱力管網的一處窨井當中，經過一段時間的觀察測試，可以從服務器上看到定時上傳的心跳包以及監測到的普通振動信號和異常報警振動信號。

監測裝置監測到的施工沖擊振動幅值的變化曲線見圖6。

圖6 監測的振動信號數據

5 結語

目前管網遭到第三方施工破壞而影響正常運行的事例時有發生，除了需要在企業管理、人員管理和統籌各部門工作做好防護善后措施外，也需要在管網的監測上開展一些工作，本文就施工區域地下管網的無線振動監測系統進行了研究，得到以下結論。

(1) 在現有研究成果的基礎上進行深入研究，提出了一種施工區域地下管網的無線振動監測系統方案，并就其中存在的幾個設計要點進行了分析。

(2) 針對提出的地下管網無線振動監測系統方案進行了硬件設計和軟件設計，研發了一種使用STM32L431RCT6低功耗芯片、BC25 NB-IoT通信芯片和ADXL345 MEMS振動傳感器及其邊緣器件構成的管網無線振動監測裝置。

(3) 對研發的地下管網無線振動監測裝置進行了現場驗證，將其布署到了熱力管網的窨井當中，對其上傳的數據進行了分析，證明了該裝置和提出的系統方案的可行性。