施工區(qū)域地下熱力管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

楊亞龍，張翼鵬，范文強(qiáng)，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(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

隨著城市管網(wǎng)體系的不斷發(fā)展，城市基礎(chǔ)建設(shè)也在不斷擴(kuò)大和升級(jí)，由此帶來(lái)的頻繁施工給城市各類管網(wǎng)設(shè)備的安全帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的管網(wǎng)安全運(yùn)行監(jiān)管手段多以人工巡檢為主，隨著管網(wǎng)容量的增加，以及其他的一些原因[1]，管網(wǎng)的安全變得難以保證。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是設(shè)備監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的常見(jiàn)手段，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式可以有效地感知外部環(huán)境的變化[4]。將振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)當(dāng)中，可以在發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)提前發(fā)出警報(bào)，防止施工等外力對(duì)管網(wǎng)造成破壞，從而保障管網(wǎng)安全。目前存在的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用當(dāng)中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)多被用于管道泄漏監(jiān)測(cè)[5]，并且多為有線線纜方式的連接。關(guān)于無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在施工區(qū)域地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的研究則相對(duì)較少，目前已知的有：文獻(xiàn)[6-7]對(duì)輸氣管道第三方破壞事件類型進(jìn)行了劃分和特征收集，應(yīng)用LABVIEW和光纖振動(dòng)傳感器進(jìn)行研究[8]，提出了一種輸氣管道光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)；文獻(xiàn)[9]應(yīng)用一種帶有振動(dòng)監(jiān)測(cè)和無(wú)線傳輸功能的電子界樁，對(duì)施工破壞燃?xì)夤芫W(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，采集了幾種常見(jiàn)施工器械的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其振動(dòng)特征進(jìn)行了分析，依據(jù)已有成果[10]和理論研究對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選取進(jìn)行了討論，并應(yīng)用電子界樁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

本文就施工區(qū)域地下管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種施工區(qū)域地下熱力管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，進(jìn)而針對(duì)性地研發(fā)一種管網(wǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，介紹該監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

1 無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)方案

基于施工區(qū)域地下管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的提出以下系統(tǒng)方案(見(jiàn)圖1)，其中包括云端系統(tǒng)和本地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分，本文主要討論其中的本地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

下面結(jié)合圖1的系統(tǒng)方案，分析介紹管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要包含以下4個(gè)部分。

(1) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的安全狀況，可以在檢測(cè)到異常振動(dòng)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，相對(duì)于常見(jiàn)的管道泄漏監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，這是一種能夠提前進(jìn)行預(yù)警的監(jiān)測(cè)方式，因而更加可靠。目前用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)傳感器主要有傳統(tǒng)傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System, 簡(jiǎn)稱MEMS)傳感器兩種。傳統(tǒng)傳感器能夠監(jiān)測(cè)到更大頻率和更大幅度的振動(dòng)，但一般體積較大，且只能輸出電壓信號(hào)，因此不夠智能；而MEMS傳感器具有體積小、數(shù)字信號(hào)輸出的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)地，目前的MEMS傳感器能檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅度都遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)傳感器。考慮到實(shí)際施工區(qū)域地下管網(wǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)幅度和頻率一般都較小，因此應(yīng)用MEMS傳感器是更優(yōu)的選擇。

(2) 主控部分。振動(dòng)信號(hào)的采集和處理較為復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的分析計(jì)算，要求主控芯片具有較好的性能；同時(shí)考慮到地下管網(wǎng)無(wú)電源線以及即使使用電源線后的維護(hù)成本，主控芯片一般使用電池供電，這就需要進(jìn)行低功耗選型和設(shè)計(jì)。選擇具有休眠功能并且能夠定時(shí)或被外部喚醒的芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低監(jiān)測(cè)功耗，獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，降低維護(hù)成本。

(3) 無(wú)線通信部分。監(jiān)測(cè)裝置需要在檢測(cè)到異常振動(dòng)時(shí)及時(shí)與云端系統(tǒng)通信，進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)也需要定期與外部進(jìn)行通信，發(fā)送心跳包，下載配置和進(jìn)行固件升級(jí)。傳統(tǒng)采用的通信方式為線纜連接，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迭代和鋪設(shè)，目前設(shè)計(jì)應(yīng)用中多采用無(wú)線連接的通信方式。就無(wú)線通信方式而言，地下管網(wǎng)中無(wú)線信號(hào)衰減快，一般不進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部署，可采取基于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商基站的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，簡(jiǎn)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(wǎng)環(huán)境惡劣，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮裝置的密封防水性。地下管網(wǎng)潮濕，很容易對(duì)裸露的電路板造成破壞，在季節(jié)性降水過(guò)后整個(gè)管道窨井甚至?xí)M積水，導(dǎo)致設(shè)備泡在水中。因此監(jiān)測(cè)裝置的密封性也是極其重要的，有效的密封防水設(shè)計(jì)可以使監(jiān)測(cè)裝置適應(yīng)惡劣的外部環(huán)境。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于施工區(qū)域地下管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的硬件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)。

使用STM32L4系列低功耗芯片作為監(jiān)測(cè)裝置的主控芯片，使用亞諾德半導(dǎo)體的ADXL345 MEMS加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，使用移遠(yuǎn)通信的BC25芯片配合30 dBi高增益銅棒天線進(jìn)行通信，使用專用的防水外殼進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置的密封防水，使用3節(jié)鋰電池和TP4065電源管理芯片作為監(jiān)測(cè)裝置的電源。

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

圖2 監(jiān)測(cè)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(jī)是意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的32位高性能低功耗應(yīng)用的單片機(jī)，其內(nèi)核為Cortex-M4，最高頻率可達(dá)80 MHz，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)快速分析的同時(shí)，具有超低功耗待機(jī)模式；Standby模式開(kāi)啟RTC定時(shí)中斷和WKUP外部中斷情況下，待機(jī)電流僅為0.45 μA，喚醒時(shí)間僅為14 μs，可快速處理監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)。

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

2.2 振動(dòng)傳感器部分

振動(dòng)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(shí)監(jiān)測(cè)3個(gè)方向的振動(dòng)(見(jiàn)圖3)，并具有中斷輸出功能，加速度檢測(cè)靈敏度為3.9 mg/LSB，輸出速率最大可達(dá)1 600 Hz。結(jié)合ADXL345芯片的說(shuō)明文檔，將ADX345芯片的I2C引腳進(jìn)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(gè)中斷引腳連接至STM32L431RCT6的外部中斷引腳，其中一個(gè)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(duì)應(yīng)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(nèi)的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，裝置使用現(xiàn)有的成品模塊，連接30 dBi高增益通信天線，通過(guò)接插的形式連接至電路底板上。在底板上設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路，使用STM32L431RCT6的IO引腳驅(qū)動(dòng)P型MOS管控制整個(gè)成品模塊的電源通斷，以實(shí)現(xiàn)裝置的低功耗運(yùn)行。

2.4 供電部分

使用3節(jié)鋰電池并聯(lián)供電，電壓范圍為3.3～4.2 V。電路底板上使用ME6211C33穩(wěn)壓芯片，同時(shí)為STM32L431RCT6、ADXL345和BC25模塊板供電。將USB供電端和鋰電池供電端通過(guò)肖特基二極管進(jìn)行防反接處理后并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電阻分壓電路供主控芯片檢測(cè)當(dāng)前電量。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能

監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)上需要實(shí)現(xiàn)的功能主要為信號(hào)采集分析、通信上傳、低功耗休眠3部分，其中信號(hào)采集分析部分為STM32L431RCT6從ADXL345通過(guò)I2C協(xié)議讀取振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，通信上傳部分為STM32L431RCT6通過(guò)BC25上傳心跳包或報(bào)警信號(hào)和報(bào)警振動(dòng)數(shù)據(jù)到服務(wù)器，低功耗休眠部分為STM32L431RCT6完成工作流程內(nèi)的任務(wù)后進(jìn)入低功耗休眠并定時(shí)進(jìn)行心跳包上傳。

3.2 低功耗休眠設(shè)計(jì)

裝置的PCB板上沒(méi)有LED等耗能元件，主要功耗源為振動(dòng)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(shè)計(jì)上，監(jiān)測(cè)時(shí)僅振動(dòng)傳感器工作，主控處于休眠狀態(tài)，通信模塊板處于關(guān)斷狀態(tài)，監(jiān)測(cè)電流約300 mA；開(kāi)始工作后，主控喚醒，通信模塊板打開(kāi)，工作電流約30 mA，工作完成后，主控關(guān)斷通信模塊板，進(jìn)入休眠。

3.3 振動(dòng)信號(hào)采集及分析設(shè)計(jì)

開(kāi)始工作后，主控從振動(dòng)傳感器采集三軸數(shù)據(jù)，采集方式為I2C從ADXL345 X0數(shù)據(jù)寄存器開(kāi)始連續(xù)讀6個(gè)字節(jié)，以補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)至主控，之后對(duì)其進(jìn)行矢量合成，以便綜合考慮三軸振動(dòng)的同時(shí)減少振動(dòng)信號(hào)分析計(jì)算量。

采取計(jì)算矢量合成坐標(biāo)量綱參數(shù)的方式對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)閾值進(jìn)行比較判斷。

3.4 軟件流程設(shè)計(jì)

結(jié)合以上幾部分進(jìn)行管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的程序設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)裝置的軟件流程為：裝置讀取休眠喚醒寄存器，檢測(cè)到初次啟動(dòng)時(shí)，配置BC25的參數(shù)，關(guān)閉命令回顯和自動(dòng)休眠功能，配置完成后主控芯片通過(guò)BC25獲取云端的配置信息，包括運(yùn)動(dòng)閾值、休眠時(shí)間、監(jiān)測(cè)時(shí)間等參數(shù)，之后配置ADXL345的寄存器，以設(shè)定其數(shù)據(jù)輸出速率、運(yùn)動(dòng)閾值和中斷映射等。最后關(guān)斷BC25的電源，主控芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)，只讓ADXL345進(jìn)行工作，從而控制功耗，延長(zhǎng)續(xù)航。初次啟動(dòng)流程如圖4所示。

圖4 初次啟動(dòng)流程

當(dāng)ADXL345檢測(cè)到超出運(yùn)動(dòng)閾值的振動(dòng)后，會(huì)觸發(fā)中斷，對(duì)應(yīng)的中斷引腳發(fā)生電平變化，從而喚醒主控芯片，主控芯片被喚醒后檢測(cè)到是由WKUP引腳喚醒，便進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)狀態(tài)中會(huì)實(shí)時(shí)讀取ADXL345的加速度數(shù)據(jù)，并分析是否有異常的振動(dòng)產(chǎn)生，如果有則進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)BC25上報(bào)數(shù)據(jù)到云端，從而通知運(yùn)行維護(hù)人員。當(dāng)一段時(shí)間后仍未監(jiān)測(cè)到異常振動(dòng)，則重新進(jìn)入休眠。監(jiān)測(cè)狀態(tài)流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)狀態(tài)流程

主控芯片同樣設(shè)定了RTC定時(shí)喚醒，主控芯片被喚醒后可以檢測(cè)到是由RTC定時(shí)喚醒，這時(shí)便通過(guò)BC25進(jìn)行心跳包上報(bào)，配置信息下載等操作。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的裝置布署到某市熱力管網(wǎng)的一處窨井當(dāng)中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察測(cè)試，可以從服務(wù)器上看到定時(shí)上傳的心跳包以及監(jiān)測(cè)到的普通振動(dòng)信號(hào)和異常報(bào)警振動(dòng)信號(hào)。

監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到的施工沖擊振動(dòng)幅值的變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

目前管網(wǎng)遭到第三方施工破壞而影響正常運(yùn)行的事例時(shí)有發(fā)生，除了需要在企業(yè)管理、人員管理和統(tǒng)籌各部門工作做好防護(hù)善后措施外，也需要在管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)上開(kāi)展一些工作，本文就施工區(qū)域地下管網(wǎng)的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

(1) 在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，提出了一種施工區(qū)域地下管網(wǎng)的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并就其中存在的幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

(2) 針對(duì)提出的地下管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，研發(fā)了一種使用STM32L431RCT6低功耗芯片、BC25 NB-IoT通信芯片和ADXL345 MEMS振動(dòng)傳感器及其邊緣器件構(gòu)成的管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。

(3) 對(duì)研發(fā)的地下管網(wǎng)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，將其布署到了熱力管網(wǎng)的窨井當(dāng)中，對(duì)其上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，證明了該裝置和提出的系統(tǒng)方案的可行性。