電網有限空間作業可穿戴環境監測及報警系統設計和實現*

楊鴻珍，王云燁，吳建偉，浦正國

(1.國網浙江省電力有限公司信息通信分公司,浙江 杭州 310008；2.安徽繼遠軟件有限公司,安徽 合肥 230088)

隨著物聯網技術的不斷發展,基于物聯網的各類智能可穿戴產品[1]成為新的熱點并迅速發展。在如圖1 所示的電網工程中的井、箱、主變、GIS 設備等的內部空間,封閉導致氧氣含量相對較低,且存在一氧化碳、甲烷等對人有毒且具有安全隱患的有害物質,因此環境實時感知和告警對于電網有限空間作業安全及風險管控具有重要的意義和必要性。

圖1 電網有限作業空間

目前電網有限空間作業多以離線手持式裝置為主,如環境氣體檢測[2]的裝置(單一氣體檢測儀[3]和多合一氣體檢測儀)。存在體積大,不易攜帶,便捷性較低,且靈敏度和準確性較低,同時尚未有生命體征監測模塊,存在操作人員安全風險隱患,難以實現實時在線感知,前后端協同聯動較差[4]。基于此設計了一種基于物聯網技術的電網有限空間作業的可穿戴式[5]環境監測與報警系統,在線實時獲取現場感知數據和人員生命體征數據,與電網作業安全管控平臺進行實時交互,利用大數據分析和數據處理算法,評估作業風險等級和安全作業時長,實現電網有限空間作業平臺化、網絡化、智能化[6-10]。隨時隨地對人員本身以及有限空間的作業環境進行監測[11]與報警提示,降低人員作業風險,提高電網作業安全風險管控水平。

1 總體設計

1.1 系統總體架構

充分考慮產品的使用便捷性、檢測的靈敏性、準確性,將各個檢測模塊、輔助模塊與可穿戴方案(安全帽、工具包、工作服等)進行融合,將系統大致分為如圖2 所示的7 個模塊,分別為聲光報警模塊、單片機模塊、藍牙5.0/4G 通訊模塊、電源管理模塊、數據采集模塊、LED 顯示模塊[12]還包括應用模塊(手機APP、電網作業安全管控平臺)。

圖2 系統總體設計示意圖

1.2 系統硬件

本文采用先進的藍牙5.0/4G 通信模塊,藍牙5.0 的有效工作距離可達300 m,這使得藍牙5.0 模塊用于智能家居產品的優勢非常明顯；傳輸速度上限為24 Mbit/s,意味著嵌入藍牙5.0 模塊的智能手環、智能手表等智能可穿戴設備與手機、電腦之間的數據傳輸更加方便快捷；大大降低了功耗,功耗更低意味著嵌入藍牙5.0 模塊的各類無線智能設備的續航時間更長。

本文選用的基于NordicnRF52840 芯片的SKYLAB系列貼片式藍牙模塊,體積小,功耗低,功能齊全。擁有寬幅可調功耗,輸出功率可在-20 dBm 至＋8 dBm之間進行手動自我調節,靈敏度可達-96 dBm。模塊嵌入ARM 內核Cortex-M4F 的RF 收發器,MCU 內核運行速度達到64 MHz,具備強大的運算以及浮點運算能力,能實現復雜的算法。

濕溫度傳感器運用A/D 轉換和智能濾波達到穩定輸出的結果。即使在即將達到其量程的情況下,依然可以確保輸出結果的精確度[4]。在硬件方面運用了高度集成組件,同時配備了可靠的軟件支持,選擇傳感器的線性、零點等參數的綜合補償方式,避免人為補償等因素對于結果的干擾。

氣體傳感器選擇電化學氣體傳感器(三電極)模組,它以線性輸出的優勢從諸多傳感器中脫穎而出。電化學氣體傳感器測量的氣體在電極處的氧化量決定著電流量的大小。所以,在實際過程中,氣體擴散是否通暢決定著氣體量是否充足,呈現出傳感器正比于氣體濃度的線性輸出的結果[13]。

2 設計算法

本文旨在進行精確的場景識別,通過設計算法對室內外環境進行區分。本算法設計的核心在于通過測量室內外的溫濕度,對比采集到的數據的差異,區分不同的場景,實現環境切換的實時識別[14]。

(1)將m條不同的傳感信息構建成m維度傳感信息的時間序列S[m][ti]。此次算法研究主要需要溫度及濕度信息,所以可以建立以下的二維傳感信息時間序列。

(2)構建參考傳感信息時間序列。參考序列是從氣象網站上獲取的實時的天氣信息(溫度和濕度)構成的時間序列。

(3)構建差值傳感信息時間序列D[m][ti],m＝1,2,為傳感信息時間序列與參考信息傳感信息序列差的絕對值。

對于某種特定氣體的探測,在采用對應吸收波長的濾光片之外,設置一個在較寬的范圍內具有平坦透過特性的濾光片(例如CaF2濾光片),以分別形成探測通道和參比通道。根據Beer-Lambert 定律,探測通道的電壓信號與待測氣體濃度的關系為:

參比通道的關系式為:

式中:ugas、uref分別為探測通道和參比通道的電壓信號；Pgas、Pref分別為探測通道和參比通道的電壓相應率；Cgas、Cref分別為探測通道和參比通道的濾光片的特性參數。

當待測氣體濃度c＝0 時:

式中:K0是探測器的固有特性,可以近似看作一個常數。定義系數F為:

式中:k表示單位濃度,單位厚度的吸光度；c表示濃度,l表示厚度。

則有:

從而可以算出待測濃度。

3 工作原理

3.1 數據采集

本文數據采集單元以前置的方式采用“多合一”貼片式傳感器模組,如圖3 所示,由包括氣體[6]、溫濕度、生命體征監測等多種數據傳感器組成。

圖3 貼片式傳感器模組

溫濕度傳感器:采用數字式傳感器,在溫濕度傳感器技術和數字采集技術的基礎上,對環境溫濕度參數進行實時采集,并且對輸出信號進行校準,大大提高了信號的準確度,具有極高的可靠性和穩定性,響應迅速,抗干擾能力強,并且體積輕小、連接方便；氣體傳感器:本傳感器通過電化學氣體傳感器(三電極)模組,同時內部設有氧氣、一氧化碳等其氣體探測元件。具有高分辨、高靈敏和抗干擾等特點；生命體征傳感器:基于高精度光學模塊,測量血壓、心率等功能值,評估人體的健康狀況,體積小、成本低、測量精準。相關技術指標如表1 所示,1 ppm＝10-6。

表1 技術指標

3.2 數據處理與轉換

本文實現對作業環境溫濕度、氣體、生命體征等參數的檢測以及與后臺的無線數據傳輸及控制。選擇8～32 位高性能單片機作為系統控制內核,實現數據的處理與轉換、無線傳輸、工作指令的發出。單片機體積小、功耗低、擴展靈活,主控模塊內置模數轉換器,AGC 信號放大電路。通過16 位的數據總線實現數據高效率傳輸。單片機其內部還包括ROM 及靜態RAM、串口、ADC 和DAC、內部時鐘、DTMF 發生器等功能。

探測器在5 V 左右的電壓下工作,流過的電流不能超過5 mA,可在溫度為零下20 ℃至零上50 ℃,濕度為15%～90%的無凝結環境下工作,可在5 s 內響應,一般地,在有害氣體超過51×10-6的時候會對人體造成損害,探測器裝置會根據人的心率以及血壓,適當提早報警。

3.3 無線通信

根據電網有限空間作業應用場景,本文設計無線通信模塊,同時支持藍牙[7]無線通信方式,滿足無線數據的收集與傳輸的要求。在4G 模塊中插入SIM 卡,基于MQTT 數據傳輸協議,經4G 無線數據網將采集到的數據傳至后臺服務器。藍牙方式作業時,通過藍牙模塊[8]與現場作業人員手機端APP 進行通信,上傳顯示實時數據。

圖4 藍牙模塊工作方式

3.4 聲光報警

聲光報警模塊包含蜂鳴報警器、LED 顯示燈和連接電路,如圖5 所示。其中聲光報警模塊與單片機相應管腳進行連接,當傳感器探測到異常數據后,反饋至單片機中央控制單元,由單片機控制聲光報警模塊工作,當檢測有害氣體濃度超過0.5%時,蜂鳴器能夠及時響應,并持續報警,伴隨LED 燈光閃爍。

圖5 聲光報警電路

4 APP 系統及配套裝置使用流程

4.1 隱患感知子系統

作用是方便安全管理人員即時獲取電力場景密閉空間相關狀態與告警。系統可視化界面實時顯示密閉空間內的氣體狀態、門開閉狀態、通風設施運行狀態、人員作業狀態、各類告警、作業申請與審批以及相關數據匯總。

4.2 作業申請與審批子系統

作用是實時審批作業人員提交密閉作業空間作業申請,記錄電力場景密閉空間作業的時間、地點及人物等相關信息。

(1)根據作業人員填報的個人基本信息以及電力場景密閉空間各氣體濃度情況,自動判斷工作人員可否進入。

(2)申請人按照實際作業需求真實填寫小組人數、作業負責人、小組工作人員、作業類型、預計時長以及作業內容等相關申請內容。

4.3 告警處理子系統

作用是為安全事件數據分析提供數據支撐。將事件安全告警與結果輸入管理系統。負責人員在系統告警處置完成后應及時填寫處置原因、處置結果、處置方式。便于管理人員匯總分析并進行針對性管理。同時,供上級管理機構根據實際情況進行安全整治或安全宣傳教育,降低類似安全事故的發生概率,避免類似問題在其他密閉作業空間重復發生。主要內容包括:處置時間、處置地點、處置內容、告警原因、告警人、告警方式、結果、完成時間、審核人。

4.4 數據匯總分析子系統

作用是提供一個時間段內各密閉作業空間安全管理工作的告警級別與相應時間段信息、告警發生地點與相應時間段信息、告警內容與相應地點信息、告警時間段分布與相應數量信息、作業數量與告警數量信息作業數量與告警時間段對比匯總等相關信息給本級管理人員及上級管理機構,幫助相關人員及時掌握密閉空間安全管理工作的質量或主要問題。為本級管理人員及上級管理機構規劃今后密閉作業空間管理工作重點內容提供有力的客觀數據支撐。

4.5 分級管理平臺

作用是根據電力場景密閉作業空間不同管理層級的管理需求,對感知數據、安全事件數據、處置匯總數據進行分級、分類匯總與呈現,以滿足不同管理層級的管理重點需求。

(1)三級平臺-密閉作業空間本級管理人員與機構作用:電力場景密閉空間感知管理、電力場景密閉空間作業申請與審批管理、電力場景密閉空間告警與處置反饋管理、電力場景密閉空間數據匯總。

(2)二級平臺-密閉作業空間所屬上級管理人員與機構作用:將每個電力場景密閉管理安全系統的感知數據、作業申請審批數據等相關數據對接傳輸至區域指揮中心系統。以利于區域指揮中心管理本區域所轄所有相關電力場景密閉空間安全管理工作態勢與質量。同時區域指揮中心可根據告警與突發時間的處置反饋結果提出相關指導性工作意見或整治要求。

(3)一級平臺-企業總部應急監控指揮中心作用:二級區域指揮中心將本機構指導性意見或整改要求,連通二級區域指揮中心匯總的所轄各電力場景密閉空間感知數據、作業申請審批數據等對接傳輸至集團指揮中心。為電力場景密閉空間安全工作態勢與問題提供客觀及有效的數據支撐。

4.6 配套裝置使用流程

作業人員穿著智能可穿戴裝置工作時,在作業現場上傳實時坐標位置,通過生命體征檢測模塊[14]采集人體血壓、心率等生命體征數據,合格后,方可進入作業現場內部。進入作業現場內部采集實時環境溫濕度、有毒有害氣體[11]、可燃氣體、氧氣濃度、二氧化碳濃度等數據,通過無線網路或局域網傳輸到監測平臺,或者通過藍牙裝置[15-16]傳送到手機應用端。當環境中某一參數超過閾值范圍,立即進行狀態顯示異常告警和蜂鳴報警,此時后端監督人員可監測到異常報警信息[18],并與現場作業人員通過手機APP 進行實時通話,實現遠程指揮。

圖6 系統工作流程圖

5 實驗

由于光源調制頻率會對傳感器的響應產生影響,以二氧化硫、甲烷以及混合參比氣體為例,選用特定的毫秒級紅外靈敏材料的固有特性熱時間常數,測試傳感器在不同調制頻率下的信號幅值,如圖7所示。實驗顯示,在低頻范圍內,傳感器具有出色的響應能力。

圖7 輸出信號幅值與頻率的關系

對甲烷和二氧化硫兩種氣體以及混合參比氣體進行探測,調整調制頻率為1.2 Hz、峰值值為3 V,直流偏置為＋1 V,得到如圖8 所示的穩定波形時域信號圖。

圖8 不同調制光源下的響應能力

根據Beer-Lambert 定律,將探測器輸出信號與氣體濃度聯系起來,配置不同濃度的標準濃度氣體,采用三個數據點獲得計算所需關鍵參數。利用Beer-Lambert 定律擬合傳感器對三種不同濃度的甲烷氣體靈敏度數據,得到如圖9 所示的擬合結果。

圖9 不同氣體濃度下的響應能力

以朗伯比爾定律為依據,將傳感器對甲烷響應的信號輸出與氣體濃度關系進行擬合,在實際測試中,可以根據測得的電壓信號獲得二氧化硫的實際濃度信息,傳感器對二氧化硫的信號與濃度的關系如圖10 所示。

圖10 傳感器對不同濃度二氧化硫的響應能力

利用各種待檢氣體的不同濃度標準氣體,分別在不同的測量范圍內進行多次實驗,試驗結果如表2 所示。

表2 誤差范圍

6 實驗設施

實驗中采用以帶有銥-鈀叉指電極的陶瓷片為襯底的平板式厚膜濕度傳感器,濕敏元件的陶瓷基底與氣敏元件的陶瓷基底類似,尺寸上略有不同。

首先用乙醇和去離子水對陶瓷基底進行超聲波清洗,然后在70 ℃的干燥室中干燥。然后,稱取適量敏感材料放入瑪瑙研缽中,加入適量去離子水,調制成均勻漿料。用細毛刷蘸取少量漿料,均勻涂覆在陶瓷片上,覆蓋整個叉指電極部分,厚度均勻適當,自然陰干備用。圖11 為實驗制得的濕度傳感器件示意圖。經過老化后,用智能濕度傳感器分析系統對制作完成的氣體傳感器進行濕敏性能測試。

圖11 濕度傳感器

連接并調整好傳感器、實驗板、實驗臺電源與顯示儀表后,在如圖12 所示的SET3000 傳感器裝置實驗環境下將調理電路調諧好,并將對傳感器輸出調零,然后逐步加載并記錄實驗數據。在實際中采樣讀取穩定時間較長的數據來減小由于電磁干擾或數顯表采樣芯片的誤差。

圖12 SET3000 傳感裝置實驗環境

虛擬儀器系統由傳感器、實驗板、采集卡與運行虛擬程序的計算機組成,采用美國國家儀器公司(NI)采樣速率為1.25 MSample/s 的16 位分辨率數據采集卡USB6253,系統開發平臺選用圖形化編程語言LabVIEW2019 版。

實驗者操作的用戶界面包括實驗項目、通道配置、定時采樣、數據記錄、比較分析五個部分,其中比較分析包括表格對比與曲線比較兩種形式。用戶界面如圖13 所示,物理通道選項從連接的采集設備選擇接線通道,信號端配置選用差分方式。

圖13 儀器系統用戶界面

選定實驗項目,最大值與最小值用于限定該實驗項目輸入信號的幅值,偏置調節用于系統調零,讀數暫停控件用于逐次讀取傳感器數據,系統性能分析用于比較兩種實驗系統性能指標。

用采集卡將調理電路輸出顯示在虛擬儀器系統,可以采用偏置補償與讀取緩沖區數據平均的方法分別減少調零環節、實驗臺讀數估讀偏差。數據緩沖區數據取平均值作為偏置值,用于減少傳感器與調理電路的零點誤差。每次循環將讀取的數據求和,并取平均值作為測量數據,可以減少數據波動對讀數的影響。

7 結論

本文設計了一種電網工程作業可穿戴環境監測及報警系統,對系統整體結構、各個模塊的功能及硬件選擇以及系統工作流程進行了介紹。根據系統應用的場景和基本工作流程,結合模塊化設計理念,本文設計的智能感知裝置可實現便攜式可穿戴要求,用于實時感知周邊環境作業風險,具有可行性和實用性,對于其他場景的環境監測具有一定的借鑒意義,也有著廣闊的應用前景。