基于物聯網的智能檢測裝置在深基坑作業中的應用

李強 任東紅 郭瑞峰 劉衛校 王國棟 周瑤

【摘要】? ? 針對目前國內外深基坑井下氣體探測裝置，采用手持式檢測儀進行檢測，通過下吊或泵吸的方式進行單次檢測，達不到實時連續檢測等問題，提出了基于5G物聯網的氣體智能檢測系統的設計與實現。設計包括通過軟梯掛載的數據采集模塊，帶有姿態傳感器的行為管理模塊，手持PDA和風箱共四個部分。PDA通過WIFI與LoRa中繼進行數據交換，通過移動網絡將CO、H2S、CH4及O2氣體濃度數據傳輸至云平臺，對傳感器的數據進行處理與報警，實現了對氣體濃度及井下人員位置實時監測的設計需求。同時搭建測試環境，驗證了系統的精準性與可靠性。

【關鍵詞】? ? 氣體探測裝置? ? 姿態傳感器? ? 行為管理模塊? ? PDA

引言：

近年來電力鐵塔基座、深井基坑發生的嚴重事故較多，其大多與井下作業人員安全意識不強，以及可燃氣體、有毒氣體導致的傷害有關。這些氣體對人民生命財產造成了嚴重威脅，給井下作業帶來了巨大的壓力。當前國內外基坑井下氣體探測裝置存在很多不完善的方面，缺少與工作人員行為監測相結合的智能監測報警系統設計。因此本文基于5G物聯網技術，設計并實現了一套結合云網大數據、前端智能傳感設備的井下作業環境檢測系統。

本系統創新性的采用可更換式氣體傳感器對濃度數據采集，采用氣壓傳感器和姿態傳感器對作業人員姿態和位置信息進行采集，傳送給安全檢測平臺PDA（Personal Digital Assistant），PDA可以保證在高溫、低溫、粉塵、油污等惡劣的工業環境中使用，完成傳感器數據監測工作，進行實時報警。各模塊與PDA之間的通訊采用LoRa（Long Range Radio）通過中繼實現。LoRa是SEMTECH公司創建的低功耗局域網無線標準，實現了低功耗和遠距離的統一[1]。PDA發現報警信息后自動報警，通過WIFI、5G數據網絡等方式將數據上傳至后臺主站，進行存儲、分析處理。本系統針對性的設計，將井下氣體檢測的關口前移，超前開展基坑作業前期安全有效檢測，為作業及救援人員進入基坑作業前做好充分準備，確保基坑作業過程中作業人員及救援人員的安全。為基坑作業過程可控、在控、能控，堅決遏制人身事故發生方面，提供了強有力保障。

一、智能監測系統整體設計

為滿足電力鐵塔基座、基坑深井安全作業氣體檢測的智能監測和作業人員行為管理，本系統實現了數據的多方位采集和傳輸控制網絡的搭建。整個嵌入式監測系統由硬件和軟件組成。硬件部分包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內的多種功能模塊。軟件部分包括后臺云端服務平臺和前端APP應用程序平臺，實現數據顯示和處理的多樣化。

現場PDA作為控制系統的重要一環，通過姿態傳感器和氣體傳感器等的有效數據采集，檢測有害氣體的濃度變化，準確探知工作人員姿態和方位信息及井底氣體情況。行為管理模塊當作業人員未規范操作或有害氣體超標時，及時通過語音和聲光報警提示危險，上報至PDA，控制大功率吹風機對井下進行通風換氣處理，并且告知作業人員做好應對措施。PDA可通過WIFI、LoRa等方式將作業信息實時主動上報遠程平臺，通過云平臺對數據進行保存，配合管理人員完成監測反饋工作。整個系統的工作流程實現了閉環的控制模式，為安全保障加上了多重保險。監控網絡構成圖如下圖1所示。

1.1 系統主要功能

系統功能包含：氣體、氣壓數據采集、井上巡檢、行為管理、信息交換及存儲、閥值數據預警和報警等功能;是集成傳感器、通信芯片、微型處理器、報警告知系統、軟件算法等一體化的實時檢測智能系統。功能包含7部分，如下所示：

1.功能一：多種氣體采集功能，包括甲烷、氧氣、硫化氫、一氧化碳[2]。氣體采集設備測量范圍、精度等參數如下表1所示：

2.功能二：氣壓（海拔）監測功能

設備通過氣壓檢測傳感器，根據不同海拔氣壓不同的原理，可定位自身海拔高度。通過開機時檢測海拔高度，工作中檢測海拔高度，由海拔高度的變化即可判斷作業人員下井位置狀態信息。氣壓傳感器作為本系統的特有創新點，可用于當出現意外情況時，地面人員根據位置信息快速制定救援計劃。

3.功能三：自檢、報警、鋰電池電量檢測等功能

設備具有開機自檢功能，包含聲，光警報裝置，當裝置出現問題或者壽命到期時，可及時進行更換;根據設置閾值進行報警，從而滿足不同情況下的要求;通過MCU的內置ADC器件對鋰電池電量進行采集，隨時監測電池電量，避免意外情況出現。設備根據不同需求可設置定時檢測，也可設置連續工作模式。通過對現場環境與設備狀態的多方面監測，為井下工作人員的生命安全提供了更強保障。

4.功能四：井上巡檢功能

安全檢測平臺PDA起到連接井下設備和井上設備的作用。井上協作人員和管理人員可實時了解基坑井下工作狀態和作業人員狀態。不斷查詢當前設備的工作狀態，并將數據保存在PDA中，當PDA與后臺主站系統連接后，將數據上傳到后臺主站。

5.功能五：行為管理功能

行為管理模塊結合系統特有的姿態傳感器，用來記錄作業人員的工作姿態和位置，及時提醒工作人員。當基坑井下具備安全工作環境后，會給模塊下發工作許可，并且提示作業人員井下作業注意事項。作業人員下井前依次判斷是否允許下井、是否佩戴安全帽和所攜帶的作業工具是否合規，當出現任何違規現象時系統自動報警。同時井下作業出現危險或者違規操作后，模塊自動報警并通知井上巡檢人員。同時不斷檢測當前環境的大氣壓力，轉換為海拔高度;具備聲、光、震動報警;通過無線傳輸方式（LoRa）將數據上傳到井上巡檢設備;設備佩戴方便并具有防爆設計，在工作過程中不會引起其他危險。

6.功能六：數據上傳云端主站功能

數據匯總后上報至云平臺，進行數據處理及保存，完成監測反饋。

7.功能七：通風功能

通風設備采用大功率背負式汽油吹風機，新增自主研發收放器，可方便收放通風軟管，保證井下氣體換氣安全，解決了軟管收放復雜，攜帶不便等問題。

1.2系統硬件設計

基坑井下氣體監測系統采用微處理器M4內核為主芯片，模塊化設計理念進行硬件設計。采集模塊具備對不同氣體濃度采集的能力，信息傳輸模塊采用TTL、I2C、數模轉換等多種通訊方式。采集模塊與主芯片通信采用RS485通信，其具有長距離穩定傳輸，數據解析便捷等優點。硬件系統與云端后臺采用5G無線傳輸的方式。報警系統采用聲光報警加語音報警。采集系統設計框圖如圖2所示，氣體檢測裝置示意圖如圖3所示，系統核心板圖如圖4所示。

1.泵吸式氣體檢測模塊

采用SKESEN公司的SKS-M-S4g模塊，是一款四合一模塊，可同時檢測氧氣、硫化氫、甲烷、一氧化碳濃度。傳感器自身具有輸出信號放大、濾波等功能，使得檢測數據根據精確。并且當其中某一個傳感器壽命到期或損壞時，可進行單獨更換，使用更加方便、穩定。

2. 三維姿態與方位檢測模塊

采用的三維姿態傳感器由三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸電子羅盤等硬件檢測模塊構成。在嚴苛的檢測環境下依然可以精確實現俯仰角、橫滾角、偏航角的檢測。可以實現對井下作業人員的姿態和方位測量。當井下作業人員出現違規操作時該模塊自動報警并將違規姿態上傳至PDA;當作業人員遇到危險時，該模塊可確定作業人員的具體方位，提高了井下應急救援的能力。

3. 氣壓高度傳感器模塊

采用BMP280氣壓傳感器，該傳感器模塊具有小尺寸和低功耗，允許在電池供電的移動設備上使用的特點。BMP280的壓阻式壓力傳感器技術具有精度高、線性度好以及長期穩定性和魯棒性高的電磁兼容特點。模塊內部自帶電壓穩定電路，可以兼容 3.3V 的嵌入式系統，連接方便。

4.防水檢測模塊

井下液體檢測采用水滴電阻式檢測方式，水滴電阻式檢測原理為檢測板在無水狀態下電阻值恒定不變，當接觸到水面時，電阻值改變，根據電阻值該變量可知有無液體。當檢測到液體時，自動發出報警，告知井上人員檢測設備進水的情況。可用于防護作用，設備進水時及時得到處理。

5. 鋰電池供電、充電及電量采集模塊

采用1800AH/3.7V/18650*6的鋰電池倉為設備運行進行供電，電源管理部分則通過MicroUSB進行充電。當接上電源時，對電池充電的同時斷開對模塊供電;當斷開電源時，模塊自動接通供電設備。模塊使用輸入電壓： DC4.2-5V，電池電量1000mAh。使用12位ADC進行電量采集，并通過DMA傳輸到內存中，當上位機需要獲取設備當前電量時進行傳遞。

6. 語音、聲光報警、顯示模塊

語音報警系統采用WT588D語音芯片，使用時只需將語音信息更新至SPI-Flash上即可，大大減小了語音編輯的時間，控制靈活，根據輸入脈沖即可循環播放。聲光報警系統采用穿透性強，警示明顯的紅光。顯示單元包括一個1.8寸高亮LCD顯示屏，八顆三色高亮報警工作燈。

7. 5G及無線傳輸模塊

5G模塊采用華為5G工業模組HUAWEI MH5000-31p Mini PCIe，該模塊支持多種工作頻段工作頻段。LoRa無線傳輸模塊采用E22-400T22S，射頻433M無線穿透模塊，具有穿透性強，多信道選擇，射頻空中載波波特率可調等特點，最大發射功率為+20dBm，接受靈敏度為-114dBm@10Kbps，其空中傳播速率可達到76.8Kbps，最遠傳輸距離可達到500米。WIFI模塊采用安信可科技的ESP-12F模塊，其核心處理器 ESP8266 在較小尺寸封裝中集成了業界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，支持 80 MHz 和 160 MHz。

1.3系統軟件設計

軟件整體設計為，當設備接收到數據時為任務創建虛擬定時器，并創建任務鏈表。當指定的時間到達時，調用任務回調函數然后解析數據處理應用層的各種要求。設備和各模塊之間主要通過串口進行通信，系統正常運行之后一直循環檢測串口是否有數據，當串口有數據之后開啟任務定時器20ms并加入到任務鏈表之中，當任務時間到達之后一次性從緩存中讀取內容，然后解析處理。系統整體軟件流程圖見下圖5所示。

系統還包括對傳感器采集數據進行平均值濾波的程序設計;使用ADC對電池電量采集并計算，通過DMA傳輸到內存中的程序設計;無線通信模塊實現上位機和設備之間進行通信的程序設計。通過判斷是否成功接收到數據以及定時器是否準備好，對不同數據進行一定的處理，執行相關的命令函數，實現數據從采集到發送的整個流程。

二、 系統測試及驗證

本系統依托物聯網技術，對現有的氣體采集裝置進行擴展，擁有兩個特有的創新點。特有的姿態傳感器可以實現對作業人員的作業狀態以及作業位置的檢測，特有的氣壓傳感器用于輔助判斷下井深度。數據可實時上報至PDA，當出現違規和危險時報警。本系統應用于多種惡劣環境的氣體檢測，還可以應用在基坑中的人員管理，結合PDA最終實現現場施工信息化作業流程。為了應對有毒有害氣體存在的環境，監測和風機聯動，發現危險報警，行為模塊報警，PDA報警，風機自動進行換風工作等。

監測界面包括了環境檢測、人員監測、報警記錄等功能。其中環境檢測界面包括了設備連接狀態、設備電量，環境濕度、氣壓、海拔高度等重要參數的顯示，以及氧氣、可燃氣、硫化氫、一氧化碳的濃度數據顯示。人員監測界面包括了作業人員信息和氣壓、井深的檢測數據顯示。實地測試中監測界面顯示圖如下圖6所示。

通過進行大量的實地環境測試后，結果表明：該智能檢測裝置的檢測范圍及基本誤差、響應時間、整機聲光報警功能等各項技術指標均滿足設計要求。

三、結束語

本系統實現了基坑作業智能檢測裝置的軟梯掛載檢測，應用系統特有的氣體、氣壓檢測傳感器和姿態傳感器，保證了氣體濃度檢測、作業人員狀態和位置的采集精準性。通過WIFI與LoRa中繼進行數據交換的方式，實現PDA與傳感器主動通訊，當出現危險時完成自動報警，風機換風操作。通過5G移動數據傳輸的方式，實現PDA實時上傳數據至云平臺。設計實現預警平臺與智能設備互聯，數據精準實時上報，平臺運行穩定。本系統填補了國內外基坑作業檢測裝置具備實時連續功能的空缺，確保作業過程中作業人員及事故救援人員的人身安全。本系統特有的檢測功能，同樣可應用于其他危險環境的預警和報警，在具有精準性和穩定性的同時，也具有很強的通用性。

參? 考? 文? 獻

[1] 許海源， 裴慧坤， 陳城，等. 架空輸電線路防大型機械施工破壞裝置設計[J]. 科技資訊， 2020， 018（007）：1-3.

[2] 宋文. 井下災區搜救偵測通信技術裝備的研究與發展[J]. 礦業安全與環保， 2014.

[3] 胡艷玲，王玉田，尚明麗，等. 基于GFC的非分散紅外CH_4和C_2H_2氣體檢測系統[J]. 儀表技術與傳感器（11）：49-51.

李強（1977.01- ），男，漢族，陜西勉縣，本科，國網商洛供電公司，電力工程師，工程師，研究方向：電力安全生產。