基于LoRa无线通信的气体检测装置在电力施工中的应用

巩文东，王广涛，林毓梁

（1.山东职业学院，山东 济南 250104；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》关于电缆井道的施工安全规定中，明确指出进入电缆井作业前，必须先用鼓风机进行通风，经10～15 min 的通风后，确认（可用气体检测仪检测）无易燃易爆及有毒有害气体，并做好记录后，方可进入电缆井内作业。如果在进入井道施工前未进行易燃易爆及有毒有害气体检测，施工人员的人身安全无法得到保障，严重时将会导致爆炸等重大安全事故［1］。

目前气体检测仪大多以单机式检测和基于蓝牙、ZIGBEE 等短距离无线传输型气体检测仪为主，需要将气体检测仪吊装至井下，检测后再吊装至地面或者从地面监控装置读取数据［2］。单机型设备检测结果延迟，不能进行实时监测［3］。短距离型检测设备无法将数据发送到云端，从而无法进行基于大数据的智能分析处理。

国内外针对无线智能型气体监测装置进行了一系列的研究。袁帅等人针对变压器油中溶解气体设计了一种气体在线监测装置［4］；洪涛基于主控芯片STM32 和无线传输芯片CC1101 设计了受限空间关键气体浓度检测系统［5］；国外学者DEWI L 等人基于Arduino 设计了支持无线通信的液化气泄漏检测系统，该系统具有自动气体调节的功能［6］。以上研究大多采用传统的无线通信设计方法，通信距离短，无法与大数据技术结合。

设计基于LoRa无线通信的气体检测装置分为可穿戴式气体检测仪与地面监控装置两部分，通信距离长，无线信号穿透能力强，信号稳定［7］，可以在地面同时监测多个不同位置的电缆井，提高了检测效率。通过GPRS 模块将检测到的数据实时发送至云端服务器，可通过大数据分析施工环境是否异常，同时将报警信息发送至施工负责人，进一步增强了施工的安全性。

1 可穿戴式气体检测仪

可穿戴式气体检测仪结构主要由外壳、气体传感器探头、电池、紧急按钮、指示灯、电源开关、穿戴式卡扣等部件构成，如图1所示。

图1 气体检测仪结构

从图1 中可以看出，气体检测仪既可以手持使用，也可以通过背面的可穿戴式卡扣固定至衣服的上衣口袋处，便于施工工作时解放双手进行施工作业。

1.1 硬件电路

气体检测仪的整体硬件结构如图2所示。

图2 气体检测仪硬件电路框图

为了进一步提高待机时长，气体检测仪选用低功耗的STM32L041 单片机作为CPU，STM32L041 单片机提供了动态电压调节、超低功耗时钟振荡器、LCD 接口、比较器、DAC 及硬件加密功能。和常规的STM32 芯片相比，采用ST 专有的超低泄漏制程，其ARM Cortex-M0+内核与STM32 单片机超低功耗特性的结合，使STM32 L0 MCU 非常适合电池供电。STM32L041单片机的运行模式如表1所示。

表1 STM32L041运行模式及特点

当处于开阔环境下，气体检测仪可以仅作为紧急呼叫装置使用，不进行气体检测，施工人员可通过按下紧急呼叫按钮实现紧急报警呼叫，此时STM32L041 单片机工作在不带RTC 的旁路模式，此模式下工作电流仅有0.29 μA［8］。井下检测过程中，在未检测到气体浓度超标之前，处于低功耗运行模式，检测到气体浓度超标时立刻转入正常运行模式。通过这种模式切换，有效延长待机时间。

从图2 中可以看出，气体检测仪具有CO、O2、可燃气体、H2S 共4 种气体检测探头，探头在出厂前进行过标定。采用独立的锂电池供电，能够脱离现场电源条件的制约，检测到超出浓度的有害气体后，LED 和蜂鸣器发出声光报警，并通过LoRa 无线传输的方式，将数据发送到位于地面的监控装置上。

1.2 LoRa无线通信模块

提高通信距离最常用办法是提高发射功率，但是能耗会急剧提高，待机时间将无法满足要求。LoRa 无线通信模块采用的无线扩频的原理，同等的功耗下可取得更远的通信距离。LoRa 无线通信模块的缺点在于同等功耗下，虽然传输距离更远，但是传输速率变慢［9］。同时，成本相对于传统的无线通信模块也更高。由于气体检测仪的气体检测数据量小，经测试，LoRa 无线通信模块足以满足传输实时性的要求。

采用的LoRa 无线通信模块如图3 所示，E32 模块无线通信部分基于SX1276/8系列的扩频调制射频芯片设计，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰能力和灵敏度都大大提高。

图3 LoRa无线通信模块E32

E32 模块控制部分基于8 位高速低功耗单片机设计，比传统的LoRa 模块具有更低的功耗，具有无线唤醒功能，休眠状态下电流为0.2 μA，在唤醒后接收信号时电流为12 mA，在信号为13 dBm 强度下发射电流为9 mA，和常见的无线芯片Si4438和CC1125的传输速率接近，可使通信距离大大提升，接近传统无线芯片的3 倍，抑制同频干扰的性能较强，适用于对传输距离和可靠性要求极高的应用场合，扩频传输极强的抗干扰能力使之能适应于各种恶劣复杂的应用环境。

E32 模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口波特率、收发频率、发射功率、射频空中速率等各种参数。在气体检测仪中，测得的气体浓度数据传送到LoRa无线发射模块，地面监测装置通过LoRa无线接收模块进行接收。

1.3 独立供电模块

独立供电模块采用的是容量为2 000 mAh，输出电压为7.4 V 的可充电锂电池。由于电缆井内有可能存在易燃易爆可燃性气体，因此需要对外壳的各接口进行防爆处理，在进入井下时需要将充电口插入防爆胶塞。独立供电模块可以实现电缆井下连续48 h 不间断测量。当电池电量不能满足正常运行时，模块会发出蜂鸣声，提示操作人员电量不足。

2 地面监测装置

地面监测装置通过LoRa 无线传输方式与可穿戴式的气体检测仪通信，并将数据实时显示在触摸屏上，硬件结构如图4所示。

图4 地面监测装置硬件结构

地面监测装置采用开关电源供电，开关电源提供5 V、12 V 及24 V 三路电源，分别给LoRa 无线模块、GPRS模块及开关量模块供电。

触摸屏有3 路RS232 串口，分别接到GPRS DTU模块，LoRa 无线模块与开关量输入输出模块。GPRS DTU 模块，可以插4G 手机卡，使用移动4G 网络，将接收到的气体浓度、日期、施工内容、报警等信息发送至云端服务器，云端服务器可按照施工编号、电缆井编号等类型生成气体浓度的报表，同时在云端服务器对气体浓度的变化进行分析，能够做到提前预警，同时云端服务器可将报表、预警信息等发送至现场施工负责人的手机，实现基于云端大数据的监控和报警。LoRa 无线模块将接收到的气体浓度、报警等信息通过串口发送至触摸屏，在触摸屏上可以设置LoRa 无线模块的通信参数。开关量模块具有4路输入接口和4路输出接口，在接收到触摸屏通过串口发送的报警信号时，将信号发送至吊装搬运等设备，实现联动，多余的开关量接口可用于和其他设备的联动拓展。

监控软件采用主从通信的模式，由触摸屏驱动LORA无线模块，循环采集气体检测仪的气体浓度等数据，在检测到气体浓度超标后发出声光报警及云端报警。软件流程如图5所示。

触摸屏最多可同时监控8 路气体检测仪，监控画面如图6所示。

图5 监控软件流程

图6 地面监测装置触摸屏监控画面

3 现场测试

将可穿戴式气体检测仪放入密闭的气体容器进行标定，经检测CO、O2、CH4、H2S 等4 种气体检测探头的检测精度均能满足使用要求。

将可穿戴式气体检测仪放入总深度为8.5 m 的高压电缆井，在不同深度位置进行测试，如表2所示。

表2 不同深度待机测试

从表2可以看出，可穿戴式气体检测仪距地面深度越大，无线传输的功率越高，待机时长相应缩短，但待机时间与实时性均能满足要求。

将可穿戴式气体检测仪放置于高压电缆井底部，地面监测装置分别置于距高压电缆井不同位置处，如表3所示。

表3 地面监控装置不同距离待机测试

由表3 可以看出，地面监测装置距可穿戴式气体检测仪越远，无线传输功率越高，待机时间越短，但待机时间与实时性均能满足要求。

进一步将4 路可穿戴式气体检测仪分别放置在4个高压电缆井的底部，地面监测装置距气体检测仪的距离均为10 m 左右，经测试，地面监测装置同时采集多路数据时，通信稳定，实时性能够满足要求。

4 结语

可穿戴式气体检测仪提高了便携性，便于施工人员携带。LoRa 无线通信方式增加了无线传输的距离，提高了通信的稳定性，使地面监测装置可同时监测多个电缆井施工，节约成本的同时提高了监测效率。

通过GPRS 模块插入4G 手机卡上网的方式，使现场的数据能够第一时间上传至云端服务器，从而为大数据分析诊断提供了数据支撑。现场负责人能够通过云端大数据平台获取施工的风险和现场报警信息，为施工作业提供风险预警，增强了施工的安全性。

开关量模块为下一步与现场其他设备之间进行联动提供了预留的数字量接口，比如气体浓度超标报警后联动搬运设备将施工人员自动撤出等。将在设备下一步的研究中进行联动设计。