基于物联网的智能检测装置在深基坑作业中的应用

李强 任东红 郭瑞峰 刘卫校 王国栋 周瑶

【摘要】    针对目前国内外深基坑井下气体探测装置，采用手持式检测仪进行检测，通过下吊或泵吸的方式进行单次检测，达不到实时连续检测等问题，提出了基于5G物联网的气体智能检测系统的设计与实现。设计包括通过软梯挂载的数据采集模块，带有姿态传感器的行为管理模块，手持PDA和风箱共四个部分。PDA通过WIFI与LoRa中继进行数据交换，通过移动网络将CO、H2S、CH4及O2气体浓度数据传输至云平台，对传感器的数据进行处理与报警，实现了对气体浓度及井下人员位置实时监测的设计需求。同时搭建测试环境，验证了系统的精准性与可靠性。

【关键词】    气体探测装置    姿态传感器    行为管理模块    PDA

引言：

近年来电力铁塔基座、深井基坑发生的严重事故较多，其大多与井下作业人员安全意识不强，以及可燃气体、有毒气体导致的伤害有关。这些气体对人民生命财产造成了严重威胁，给井下作业带来了巨大的压力。当前国内外基坑井下气体探测装置存在很多不完善的方面，缺少与工作人员行为监测相结合的智能监测报警系统设计。因此本文基于5G物联网技术，设计并实现了一套结合云网大数据、前端智能传感设备的井下作业环境检测系统。

本系统创新性的采用可更换式气体传感器对浓度数据采集，采用气压传感器和姿态传感器对作业人员姿态和位置信息进行采集，传送给安全检测平台PDA（Personal Digital Assistant），PDA可以保证在高温、低温、粉尘、油污等恶劣的工业环境中使用，完成传感器数据监测工作，进行实时报警。各模块与PDA之间的通讯采用LoRa（Long Range Radio）通过中继实现。LoRa是SEMTECH公司创建的低功耗局域网无线标准，实现了低功耗和远距离的统一[1]。PDA发现报警信息后自动报警，通过WIFI、5G数据网络等方式将数据上传至后台主站，进行存储、分析处理。本系统针对性的设计，将井下气体检测的关口前移，超前开展基坑作业前期安全有效检测，为作业及救援人员进入基坑作业前做好充分准备，确保基坑作业过程中作业人员及救援人员的安全。为基坑作业过程可控、在控、能控，坚决遏制人身事故发生方面，提供了强有力保障。

一、智能监测系统整体设计

为满足电力铁塔基座、基坑深井安全作业气体检测的智能监测和作业人员行为管理，本系统实现了数据的多方位采集和传输控制网络的搭建。整个嵌入式监测系统由硬件和软件组成。硬件部分包括信号处理器、存储器、通信模块等在内的多种功能模块。软件部分包括后台云端服务平台和前端APP应用程序平台，实现数据显示和处理的多样化。

现场PDA作为控制系统的重要一环，通过姿态传感器和气体传感器等的有效数据采集，检测有害气体的浓度变化，准确探知工作人员姿态和方位信息及井底气体情况。行为管理模块当作业人员未规范操作或有害气体超标时，及时通过语音和声光报警提示危险，上报至PDA，控制大功率吹风机对井下进行通风换气处理，并且告知作业人员做好应对措施。PDA可通过WIFI、LoRa等方式将作业信息实时主动上报远程平台，通过云平台对数据进行保存，配合管理人员完成监测反馈工作。整个系统的工作流程实现了闭环的控制模式，为安全保障加上了多重保险。监控网络构成图如下图1所示。

1.1 系统主要功能

系统功能包含：气体、气压数据采集、井上巡检、行为管理、信息交换及存储、阀值数据预警和报警等功能;是集成传感器、通信芯片、微型处理器、报警告知系统、软件算法等一体化的实时检测智能系统。功能包含7部分，如下所示：

1.功能一：多种气体采集功能，包括甲烷、氧气、硫化氢、一氧化碳[2]。气体采集设备测量范围、精度等参数如下表1所示：

2.功能二：气压（海拔）监测功能

设备通过气压检测传感器，根据不同海拔气压不同的原理，可定位自身海拔高度。通过开机时检测海拔高度，工作中检测海拔高度，由海拔高度的变化即可判断作业人员下井位置状态信息。气压传感器作为本系统的特有创新点，可用于当出现意外情况时，地面人员根据位置信息快速制定救援计划。

3.功能三：自检、报警、锂电池电量检测等功能

设备具有开机自检功能，包含声，光警报装置，当装置出现问题或者寿命到期时，可及时进行更换;根据设置阈值进行报警，从而满足不同情况下的要求;通过MCU的內置ADC器件对锂电池电量进行采集，随时监测电池电量，避免意外情况出现。设备根据不同需求可设置定时检测，也可设置连续工作模式。通过对现场环境与设备状态的多方面监测，为井下工作人员的生命安全提供了更强保障。

4.功能四：井上巡检功能

安全检测平台PDA起到连接井下设备和井上设备的作用。井上协作人员和管理人员可实时了解基坑井下工作状态和作业人员状态。不断查询当前设备的工作状态，并将数据保存在PDA中，当PDA与后台主站系统连接后，将数据上传到后台主站。

5.功能五：行为管理功能

行为管理模块结合系统特有的姿态传感器，用来记录作业人员的工作姿态和位置，及时提醒工作人员。当基坑井下具备安全工作环境后，会给模块下发工作许可，并且提示作业人员井下作业注意事项。作业人员下井前依次判断是否允许下井、是否佩戴安全帽和所携带的作业工具是否合规，当出现任何违规现象时系统自动报警。同时井下作业出现危险或者违规操作后，模块自动报警并通知井上巡检人员。同时不断检测当前环境的大气压力，转换为海拔高度;具备声、光、震动报警;通过无线传输方式（LoRa）将数据上传到井上巡检设备;设备佩戴方便并具有防爆设计，在工作过程中不会引起其他危险。

6.功能六：数据上传云端主站功能

数据汇总后上报至云平台，进行数据处理及保存，完成监测反馈。

7.功能七：通风功能

通风设备采用大功率背负式汽油吹风机，新增自主研发收放器，可方便收放通风软管，保证井下气体换气安全，解决了软管收放复杂，携带不便等问题。

1.2系统硬件设计

基坑井下气体监测系统采用微处理器M4内核为主芯片，模块化设计理念进行硬件设计。采集模块具备对不同气体浓度采集的能力，信息传输模块采用TTL、I2C、数模转换等多种通讯方式。采集模块与主芯片通信采用RS485通信，其具有长距离稳定传输，数据解析便捷等优点。硬件系统与云端后台采用5G无线传输的方式。报警系统采用声光报警加语音报警。采集系统设计框图如图2所示，气体检测装置示意图如图3所示，系统核心板图如图4所示。

1.泵吸式气体检测模块

采用SKESEN公司的SKS-M-S4g模块，是一款四合一模块，可同时检测氧气、硫化氢、甲烷、一氧化碳浓度。传感器自身具有输出信号放大、滤波等功能，使得检测数据根据精确。并且当其中某一个传感器寿命到期或损坏时，可进行单独更换，使用更加方便、稳定。

2. 三维姿态与方位检测模块

采用的三维姿态传感器由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等硬件检测模块构成。在严苛的检测环境下依然可以精确实现俯仰角、横滚角、偏航角的检测。可以实现对井下作业人员的姿态和方位测量。当井下作业人员出现违规操作时该模块自动报警并将违规姿态上传至PDA;当作业人员遇到危险时，该模块可确定作业人员的具体方位，提高了井下应急救援的能力。

3. 气压高度传感器模块

采用BMP280气压传感器，该传感器模块具有小尺寸和低功耗，允许在电池供电的移动设备上使用的特点。BMP280的压阻式压力传感器技术具有精度高、线性度好以及长期稳定性和鲁棒性高的电磁兼容特点。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容 3.3V 的嵌入式系统，连接方便。

4.防水检测模块

井下液体检测采用水滴电阻式检测方式，水滴电阻式检测原理为检测板在无水状态下电阻值恒定不变，当接触到水面时，电阻值改变，根据电阻值该变量可知有无液体。当检测到液体时，自动发出报警，告知井上人员检测设备进水的情况。可用于防护作用，设备进水时及时得到处理。

5. 锂电池供电、充电及电量采集模块

采用1800AH/3.7V/18650*6的锂电池仓为设备运行进行供电，电源管理部分则通过MicroUSB进行充电。当接上电源时，对电池充电的同时断开对模块供电;当断开电源时，模块自动接通供电设备。模块使用输入电压： DC4.2-5V，电池电量1000mAh。使用12位ADC进行电量采集，并通过DMA传输到内存中，当上位机需要获取设备当前电量时进行传递。

6. 语音、声光报警、显示模块

语音报警系统采用WT588D语音芯片，使用时只需将语音信息更新至SPI-Flash上即可，大大减小了语音编辑的时间，控制灵活，根据输入脉冲即可循环播放。声光报警系统采用穿透性强，警示明显的红光。显示单元包括一个1.8寸高亮LCD显示屏，八颗三色高亮报警工作灯。

7. 5G及无线传输模块

5G模块采用华为5G工业模组HUAWEI MH5000-31p Mini PCIe，该模块支持多种工作频段工作频段。LoRa无线传输模块采用E22-400T22S，射频433M无线穿透模块，具有穿透性强，多信道选择，射频空中载波波特率可调等特点，最大发射功率为+20dBm，接受灵敏度为-114dBm@10Kbps，其空中传播速率可达到76.8Kbps，最远传输距离可达到500米。WIFI模块采用安信可科技的ESP-12F模块，其核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，支持 80 MHz 和 160 MHz。

1.3系统软件设计

软件整体设计为，当设备接收到数据时为任务创建虚拟定时器，并创建任务链表。当指定的时间到达时，调用任务回调函数然后解析数据处理应用层的各种要求。设备和各模块之间主要通过串口进行通信，系统正常运行之后一直循环检测串口是否有数据，当串口有数据之后开启任务定时器20ms并加入到任务链表之中，当任务时间到达之后一次性从缓存中读取内容，然后解析处理。系统整体软件流程图见下图5所示。

系统还包括对传感器采集数据进行平均值滤波的程序设计;使用ADC对电池电量采集并计算，通过DMA传输到内存中的程序设计;无线通信模块实现上位机和设备之间进行通信的程序设计。通过判断是否成功接收到数据以及定时器是否准备好，对不同数据进行一定的处理，执行相关的命令函数，实现数据从采集到发送的整个流程。

二、 系统测试及验证

本系统依托物联网技术，对现有的气体采集装置进行扩展，拥有两个特有的创新点。特有的姿态传感器可以实现对作业人员的作业状态以及作业位置的检测，特有的气压传感器用于辅助判断下井深度。数据可实时上报至PDA，当出现违规和危险时报警。本系统应用于多种恶劣环境的气体检测，还可以应用在基坑中的人员管理，结合PDA最终实现现场施工信息化作业流程。为了应对有毒有害气体存在的环境，监测和风机联动，发现危险报警，行为模块报警，PDA报警，风机自动进行换风工作等。

监测界面包括了环境检测、人员监测、报警记录等功能。其中环境检测界面包括了设备连接状态、设备电量，环境湿度、气压、海拔高度等重要参数的显示，以及氧气、可燃气、硫化氢、一氧化碳的浓度数据显示。人员监测界面包括了作业人员信息和气压、井深的检测数据显示。实地测试中监测界面显示图如下图6所示。

通过进行大量的实地环境测试后，结果表明：该智能检测装置的检测范围及基本误差、响应时间、整机声光报警功能等各项技术指标均满足设计要求。

三、结束语

本系统实现了基坑作业智能检测装置的软梯挂载检测，应用系统特有的气体、气压检测传感器和姿态传感器，保证了气体浓度检测、作业人员状态和位置的采集精准性。通过WIFI与LoRa中继进行数据交换的方式，实现PDA与传感器主动通讯，当出现危险时完成自动报警，风机换风操作。通过5G移动数据传输的方式，实现PDA实时上传数据至云平台。设计实现预警平台与智能设备互联，数据精准实时上报，平台运行稳定。本系统填补了国内外基坑作业检测装置具备实时连续功能的空缺，确保作业过程中作业人员及事故救援人员的人身安全。本系统特有的检测功能，同样可应用于其他危险环境的预警和报警，在具有精准性和稳定性的同时，也具有很强的通用性。

参  考  文  献

[1] 许海源， 裴慧坤， 陈城，等. 架空输电线路防大型机械施工破坏装置设计[J]. 科技资讯， 2020， 018（007）：1-3.

[2] 宋文. 井下災区搜救侦测通信技术装备的研究与发展[J]. 矿业安全与环保， 2014.

[3] 胡艳玲，王玉田，尚明丽，等. 基于GFC的非分散红外CH_4和C_2H_2气体检测系统[J]. 仪表技术与传感器（11）：49-51.

李强（1977.01- ），男，汉族，陕西勉县，本科，国网商洛供电公司，电力工程师，工程师，研究方向：电力安全生产。