路面积水带电实时在线监测系统设计*

龚正平 杜海江 江志伟



路面积水带电实时在线监测系统设计*

龚正平 杜海江 江志伟

（中科院广州电子技术有限公司）

基于现有的漏电检测仪和水浸检测仪等无法有效指示路面积水带电，设计了路面积水带电实时在线监测系统。通过安装于灯杆下部的1#电极和灯杆附近地面的2#电极，不间断监测路面积水带电情况。危险发生时，系统能及时发出声光告警信号，并通过物联网通讯技术将积水带电信息传送至远程监控中心，及时切断灯杆供电，消除安全隐患。该系统采用太阳能供电，超低功耗设计，监测采集系统和漏电回路光电隔离，提高了系统的安全性和可靠性。

积水带电；在线监测；OneNET平台

0 引言

在城市道路照明系统中，灯杆因路面积水导致水体带电已成为一个难以及时发现和解决的棘手问题。防止灯杆漏电的常规方法是在灯杆本地加装漏电保护器和断路器，或在路灯控制终端加装回路电流检测装置。但灯杆水浸超出检修口安全设计高度时，漏电保护器会失效，供电回路裸露或破损部位就会出现漏电[1]。灯杆控制中心因线路长、距离远而导致回路电流信号采集时常失准。因此，灯杆水浸漏电导致水体带电袭人事件时有发生，严重危害过往行人的生命安全，处置不当甚至对公共安全造成较大的不良影响。

针对上述问题，本文设计一种新型实用的路面积水带电监测系统，利用现代电子元器件结合微控制器技术，通过光电信号隔离器，实时探测灯杆在路面水浸时的漏电情况，且水体带电超限值时声光告警。监测装置与远程监控终端通过物联网通讯技术进行数据交互，危急情况下能及时切断灯杆供电，消除安全隐患。

1 系统工作原理

城市灯杆一般在离地面30 cm处设有一检修口，线路转接头、熔断器和漏电保护器等均转接于此，灯杆部件安装平面结构示意如图1所示。灯杆长时间运行会出现线路老化、灯具绝缘失效和漏电保护故障等问题，一旦遭遇潮湿或水浸，漏电就在所难免。当路灯检修口遭遇水浸时，线路转接头A就成了漏电中心点，积水和路面会形成一个以A点为中心的电势分布区域。一旦人体进入距离A点8 m~10 m范围内时，就会发生触电事故。此情况下，熔断器和漏电保护器即使动作也无法起到保护作用，只要路灯整体供电不切断，危险就持续存在[2]。本文设计的水体带电采集装置，通过预设电极模拟人体触电时跨步电压的分布采集；漏电现场和采集系统在电气上完全隔离，有效提高了系统的安全性及可靠性；采用独立的太阳能供电，无需从灯杆供电处取电，能保证监测装置在任何漏电情况下均能正常独立工作，不受干扰。

1 —太阳能板 2 —漏电监测控制箱 3 —1#电极 4 —2#电极 5 —灯杆 6 —检修口 7 —漏电保护器 8 —电线接头 9 —电缆线10 —地脚螺栓 11 —地面

2 电路设计

整个电路系统包括信号转换采集单元、微控制器单元、声光告警单元、网络通讯单元、太阳能供电单元和远程监控终端等模块。系统工作原理框图如图2所示。

图2 系统工作原理框图

2.1 信号转换采集单元

图3 漏电势分布曲线

在相距距离为Δ的B、C两电极之间会产生电势差Δbc。漏电采集电路如图4所示。根据欧姆定理可得

1=Δbc/1 (1)

2=Δbc/2 (2)

其中，1=1+2+3+4；2=5+6+7+8。

图4 漏电采集电路

2.2 微控制器单元

选用超低功耗16位混合信号处理器MSP430- G2553为主控制器。控制器除了完成漏电信号的捕获外，还负责声光告警控制和信号传输功能。漏电信息通过串行通讯口发送至通讯模块，并及时传送至远程的灯杆控制终端。

2.3 声光告警单元

采用超高亮度三色LED光源作为系统告警灯，爆闪输出控制可在减少电力消耗的情况下取得最好的警示效果。采用1 A电流的高音报警喇叭能将告警声响提升到100 dB以上，满足15 m以上警示距离要求。

2.4 网络通讯单元

系统采用BC95物联网模块作为对外通讯的无线交换接口，其具有功耗低、广覆盖、低成本、大容量、高可靠和高安全性等优势；采用标准串行通讯模式，能方便地和系统控制器对接。物联网模块可通过Coap+LWM2M等协议连接就近NB基站，进而将现场数据传送到用户指定的数据云平台，如移动的OneNET平台。

2.5 太阳能供电单元

系统采用太阳能自供电方式，利用蓄电池充电控制芯片CN3717（具有宽输入、恒流充电、过充保护及充电电流可设等多种功能），确保蓄电池的安全可靠。低压差线性稳压器LT3083给系统提供了优质的直流电源，输出电源噪声低至40 μVrms，输出电流可达3 A，能给危急情况下信号指示灯和喇叭提供充足的驱动。以告警状态下系统消耗5 V电压、3 A电流计算，一个电压12 V容量40 AH的蓄电池，能保证危急告警状态下系统24 h的电力消耗。考虑到常规状态下系统消耗电流远小于1 A，因此配置一块60 W、电压为17.4 V的非晶硅太阳能电池，即可保证系统全天侯实时监测。

2.6 远程监控终端

用户在OneNET平台注册登陆，建立物联网专用的EDP增强协议产品，用户终端应用程序在创建设备后，可通过OneNET平台提供的SDK接口函数访问云数据及执行远程监控[5]。应用软件记录分析灯杆现场的信息状态，异常情况下能将信息传送到路灯控制中心，及时切断电源，保证过往行人及车辆安全。灯杆漏电信息采用现场主动上报方式，无安全隐患时定时报送平安信息，设备失联时，检修人员应及时到达现场查明情况。

3 结语

本文设计的路面积水带电实时在线监测系统，采用太阳能自供电方式，能脱离灯杆供电独立工作，采集系统和漏电回路光电隔离，最大程度上保证监测系统的安全可靠。无源电极漏电探测方法的运用，提高了系统的安全性和可靠性，具有较大的推广应用价值。除灯杆外，也能应用于各类户外用电设备的潮湿或水浸状态下监测，如交通岗亭、公交站台、广告灯箱和各类高低压变电设施等，尤其适用于道路灯杆水浸黑点，可在不改变原有结构基础上增加漏电监测功能，具有较大的实用推广价值。系统能监测各环境下的真实漏电情况，尤其在潮湿下雨或水浸情况下的灯杆漏电，从而及时发现问题，解决问题，最大程度上保证过往行人和车辆的安全。

[1] 李学军,陈蒙超,郑佳宾,等.信号灯杆的漏电原因及保护对策浅析[J].道路交通管理,2015(12):30-31.

[2] 王自,张晓英,杨忠,等.路灯漏电保护器的研制[J].电工技术，2000(1):30-31.

[3] 薛亮.金属灯柱的漏电保护及处理[J].山西建筑,2003,29(1): 113-114.

[4]GB/T 13870.1-2008.电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分[S].北京:中国标准出版社,2008.

[5] 汪楠,莫德清,韩剑.基于OneNET云平台的pH在线检测仪[J].桂林电子科技大学学报,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

龚正平（通信作者），男，1972年生，本科，机电工程师，主要研究方向：电子测控及工业自动化。E-mail: Duhj88@163.com

2015广东省重大科技专项（2015B010126002）；2017广东省重大科技专项（2017B030306017）；2017 广东省产学研合作项目（2017B090901040）。