路面積水帶電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

龔正平 杜海江 江志偉

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路面積水帶電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

龔正平 杜海江 江志偉

（中科院廣州電子技術(shù)有限公司）

基于現(xiàn)有的漏電檢測(cè)儀和水浸檢測(cè)儀等無(wú)法有效指示路面積水帶電，設(shè)計(jì)了路面積水帶電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)安裝于燈桿下部的1#電極和燈桿附近地面的2#電極，不間斷監(jiān)測(cè)路面積水帶電情況。危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出聲光告警信號(hào)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)將積水帶電信息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，及時(shí)切斷燈桿供電，消除安全隱患。該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，超低功耗設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)和漏電回路光電隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

積水帶電；在線監(jiān)測(cè)；OneNET平臺(tái)

0 引言

在城市道路照明系統(tǒng)中，燈桿因路面積水導(dǎo)致水體帶電已成為一個(gè)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決的棘手問(wèn)題。防止燈桿漏電的常規(guī)方法是在燈桿本地加裝漏電保護(hù)器和斷路器，或在路燈控制終端加裝回路電流檢測(cè)裝置。但燈桿水浸超出檢修口安全設(shè)計(jì)高度時(shí)，漏電保護(hù)器會(huì)失效，供電回路裸露或破損部位就會(huì)出現(xiàn)漏電[1]。燈桿控制中心因線路長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)而導(dǎo)致回路電流信號(hào)采集時(shí)常失準(zhǔn)。因此，燈桿水浸漏電導(dǎo)致水體帶電襲人事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害過(guò)往行人的生命安全，處置不當(dāng)甚至對(duì)公共安全造成較大的不良影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新型實(shí)用的路面積水帶電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代電子元器件結(jié)合微控制器技術(shù)，通過(guò)光電信號(hào)隔離器，實(shí)時(shí)探測(cè)燈桿在路面水浸時(shí)的漏電情況，且水體帶電超限值時(shí)聲光告警。監(jiān)測(cè)裝置與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，危急情況下能及時(shí)切斷燈桿供電，消除安全隱患。

1 系統(tǒng)工作原理

城市燈桿一般在離地面30 cm處設(shè)有一檢修口，線路轉(zhuǎn)接頭、熔斷器和漏電保護(hù)器等均轉(zhuǎn)接于此，燈桿部件安裝平面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。燈桿長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)線路老化、燈具絕緣失效和漏電保護(hù)故障等問(wèn)題，一旦遭遇潮濕或水浸，漏電就在所難免。當(dāng)路燈檢修口遭遇水浸時(shí)，線路轉(zhuǎn)接頭A就成了漏電中心點(diǎn)，積水和路面會(huì)形成一個(gè)以A點(diǎn)為中心的電勢(shì)分布區(qū)域。一旦人體進(jìn)入距離A點(diǎn)8 m~10 m范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)發(fā)生觸電事故。此情況下，熔斷器和漏電保護(hù)器即使動(dòng)作也無(wú)法起到保護(hù)作用，只要路燈整體供電不切斷，危險(xiǎn)就持續(xù)存在[2]。本文設(shè)計(jì)的水體帶電采集裝置，通過(guò)預(yù)設(shè)電極模擬人體觸電時(shí)跨步電壓的分布采集；漏電現(xiàn)場(chǎng)和采集系統(tǒng)在電氣上完全隔離，有效提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性；采用獨(dú)立的太陽(yáng)能供電，無(wú)需從燈桿供電處取電，能保證監(jiān)測(cè)裝置在任何漏電情況下均能正常獨(dú)立工作，不受干擾。

1 —太陽(yáng)能板 2 —漏電監(jiān)測(cè)控制箱 3 —1#電極 4 —2#電極 5 —燈桿 6 —檢修口 7 —漏電保護(hù)器 8 —電線接頭 9 —電纜線10 —地腳螺栓 11 —地面

2 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路系統(tǒng)包括信號(hào)轉(zhuǎn)換采集單元、微控制器單元、聲光告警單元、網(wǎng)絡(luò)通訊單元、太陽(yáng)能供電單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端等模塊。系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換采集單元

圖3 漏電勢(shì)分布曲線

在相距距離為Δ的B、C兩電極之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差Δbc。漏電采集電路如圖4所示。根據(jù)歐姆定理可得

1=Δbc/1 (1)

2=Δbc/2 (2)

其中，1=1+2+3+4；2=5+6+7+8。

圖4 漏電采集電路

2.2 微控制器單元

選用超低功耗16位混合信號(hào)處理器MSP430- G2553為主控制器。控制器除了完成漏電信號(hào)的捕獲外，還負(fù)責(zé)聲光告警控制和信號(hào)傳輸功能。漏電信息通過(guò)串行通訊口發(fā)送至通訊模塊，并及時(shí)傳送至遠(yuǎn)程的燈桿控制終端。

2.3 聲光告警單元

采用超高亮度三色LED光源作為系統(tǒng)告警燈，爆閃輸出控制可在減少電力消耗的情況下取得最好的警示效果。采用1 A電流的高音報(bào)警喇叭能將告警聲響提升到100 dB以上，滿足15 m以上警示距離要求。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊單元

系統(tǒng)采用BC95物聯(lián)網(wǎng)模塊作為對(duì)外通訊的無(wú)線交換接口，其具有功耗低、廣覆蓋、低成本、大容量、高可靠和高安全性等優(yōu)勢(shì)；采用標(biāo)準(zhǔn)串行通訊模式，能方便地和系統(tǒng)控制器對(duì)接。物聯(lián)網(wǎng)模塊可通過(guò)Coap+LWM2M等協(xié)議連接就近NB基站，進(jìn)而將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到用戶指定的數(shù)據(jù)云平臺(tái)，如移動(dòng)的OneNET平臺(tái)。

2.5 太陽(yáng)能供電單元

系統(tǒng)采用太陽(yáng)能自供電方式，利用蓄電池充電控制芯片CN3717（具有寬輸入、恒流充電、過(guò)充保護(hù)及充電電流可設(shè)等多種功能），確保蓄電池的安全可靠。低壓差線性穩(wěn)壓器LT3083給系統(tǒng)提供了優(yōu)質(zhì)的直流電源，輸出電源噪聲低至40 μVrms，輸出電流可達(dá)3 A，能給危急情況下信號(hào)指示燈和喇叭提供充足的驅(qū)動(dòng)。以告警狀態(tài)下系統(tǒng)消耗5 V電壓、3 A電流計(jì)算，一個(gè)電壓12 V容量40 AH的蓄電池，能保證危急告警狀態(tài)下系統(tǒng)24 h的電力消耗。考慮到常規(guī)狀態(tài)下系統(tǒng)消耗電流遠(yuǎn)小于1 A，因此配置一塊60 W、電壓為17.4 V的非晶硅太陽(yáng)能電池，即可保證系統(tǒng)全天侯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

用戶在OneNET平臺(tái)注冊(cè)登陸，建立物聯(lián)網(wǎng)專用的EDP增強(qiáng)協(xié)議產(chǎn)品，用戶終端應(yīng)用程序在創(chuàng)建設(shè)備后，可通過(guò)OneNET平臺(tái)提供的SDK接口函數(shù)訪問(wèn)云數(shù)據(jù)及執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。應(yīng)用軟件記錄分析燈桿現(xiàn)場(chǎng)的信息狀態(tài)，異常情況下能將信息傳送到路燈控制中心，及時(shí)切斷電源，保證過(guò)往行人及車輛安全。燈桿漏電信息采用現(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)上報(bào)方式，無(wú)安全隱患時(shí)定時(shí)報(bào)送平安信息，設(shè)備失聯(lián)時(shí)，檢修人員應(yīng)及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)查明情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的路面積水帶電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能自供電方式，能脫離燈桿供電獨(dú)立工作，采集系統(tǒng)和漏電回路光電隔離，最大程度上保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全可靠。無(wú)源電極漏電探測(cè)方法的運(yùn)用，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。除燈桿外，也能應(yīng)用于各類戶外用電設(shè)備的潮濕或水浸狀態(tài)下監(jiān)測(cè)，如交通崗?fù)ぁ⒐徽九_(tái)、廣告燈箱和各類高低壓變電設(shè)施等，尤其適用于道路燈桿水浸黑點(diǎn)，可在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加漏電監(jiān)測(cè)功能，具有較大的實(shí)用推廣價(jià)值。系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)各環(huán)境下的真實(shí)漏電情況，尤其在潮濕下雨或水浸情況下的燈桿漏電，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，最大程度上保證過(guò)往行人和車輛的安全。

[1] 李學(xué)軍,陳蒙超,鄭佳賓,等.信號(hào)燈桿的漏電原因及保護(hù)對(duì)策淺析[J].道路交通管理,2015(12):30-31.

[2] 王自,張曉英,楊忠,等.路燈漏電保護(hù)器的研制[J].電工技術(shù)，2000(1):30-31.

[3] 薛亮.金屬燈柱的漏電保護(hù)及處理[J].山西建筑,2003,29(1): 113-114.

[4]GB/T 13870.1-2008.電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)第1部分：通用部分[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 汪楠,莫德清,韓劍.基于OneNET云平臺(tái)的pH在線檢測(cè)儀[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2018,38(2):139-143.

Design of Real-Time Online Monitoring System for Electrified Water-Logged Ground

Gong Zhengping Du Haijiang Jiang Zhiwei

(Chinese Academy of Sciences Guangzhou Electronic Technology Co., Ltd.)

This real-time on-line monitoring system is designed based on the fact that the existing leakage detector and water immersion detector can not effectively indicate the electrified water-logged ground. Two electrodes are installed where the first electrode is placed under the pole of light and the second one is installed on the ground near the pole of light. Then, the voltage of water-logged ground can be continuously monitored. When there are some dangers, the system can emit sound and light in time to warn the pedestrians to pay attention to safety. At the same time, the system can transmit the information to the remote monitoring center through the Internet of Things communication technology. Then, the remote monitoring center can cut off the power supply immediately to prevent potential safety hazards. The system is powered by solar energy and is designed with ultra-low power technology. Also, the monitoring acquisition system and leakage circuit are isolated by the optical components, which greatly improve the safety and reliability of the system.

Electrified Water-Logged Ground; Online Monitoring; OneNET Platform

龔正平（通信作者），男，1972年生，本科，機(jī)電工程師，主要研究方向：電子測(cè)控及工業(yè)自動(dòng)化。E-mail: Duhj88@163.com

2015廣東省重大科技專項(xiàng)（2015B010126002）；2017廣東省重大科技專項(xiàng)（2017B030306017）；2017 廣東省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（2017B090901040）。