电网有限空间作业可穿戴环境监测及报警系统设计和实现*

杨鸿珍，王云烨，吴建伟，浦正国

(1.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司,浙江 杭州 310008；2.安徽继远软件有限公司,安徽 合肥 230088)

随着物联网技术的不断发展,基于物联网的各类智能可穿戴产品[1]成为新的热点并迅速发展。在如图1 所示的电网工程中的井、箱、主变、GIS 设备等的内部空间,封闭导致氧气含量相对较低,且存在一氧化碳、甲烷等对人有毒且具有安全隐患的有害物质,因此环境实时感知和告警对于电网有限空间作业安全及风险管控具有重要的意义和必要性。

图1 电网有限作业空间

目前电网有限空间作业多以离线手持式装置为主,如环境气体检测[2]的装置(单一气体检测仪[3]和多合一气体检测仪)。存在体积大,不易携带,便捷性较低,且灵敏度和准确性较低,同时尚未有生命体征监测模块,存在操作人员安全风险隐患,难以实现实时在线感知,前后端协同联动较差[4]。基于此设计了一种基于物联网技术的电网有限空间作业的可穿戴式[5]环境监测与报警系统,在线实时获取现场感知数据和人员生命体征数据,与电网作业安全管控平台进行实时交互,利用大数据分析和数据处理算法,评估作业风险等级和安全作业时长,实现电网有限空间作业平台化、网络化、智能化[6-10]。随时随地对人员本身以及有限空间的作业环境进行监测[11]与报警提示,降低人员作业风险,提高电网作业安全风险管控水平。

1 总体设计

1.1 系统总体架构

充分考虑产品的使用便捷性、检测的灵敏性、准确性,将各个检测模块、辅助模块与可穿戴方案(安全帽、工具包、工作服等)进行融合,将系统大致分为如图2 所示的7 个模块,分别为声光报警模块、单片机模块、蓝牙5.0/4G 通讯模块、电源管理模块、数据采集模块、LED 显示模块[12]还包括应用模块(手机APP、电网作业安全管控平台)。

图2 系统总体设计示意图

1.2 系统硬件

本文采用先进的蓝牙5.0/4G 通信模块,蓝牙5.0 的有效工作距离可达300 m,这使得蓝牙5.0 模块用于智能家居产品的优势非常明显；传输速度上限为24 Mbit/s,意味着嵌入蓝牙5.0 模块的智能手环、智能手表等智能可穿戴设备与手机、电脑之间的数据传输更加方便快捷；大大降低了功耗,功耗更低意味着嵌入蓝牙5.0 模块的各类无线智能设备的续航时间更长。

本文选用的基于NordicnRF52840 芯片的SKYLAB系列贴片式蓝牙模块,体积小,功耗低,功能齐全。拥有宽幅可调功耗,输出功率可在-20 dBm 至＋8 dBm之间进行手动自我调节,灵敏度可达-96 dBm。模块嵌入ARM 内核Cortex-M4F 的RF 收发器,MCU 内核运行速度达到64 MHz,具备强大的运算以及浮点运算能力,能实现复杂的算法。

湿温度传感器运用A/D 转换和智能滤波达到稳定输出的结果。即使在即将达到其量程的情况下,依然可以确保输出结果的精确度[4]。在硬件方面运用了高度集成组件,同时配备了可靠的软件支持,选择传感器的线性、零点等参数的综合补偿方式,避免人为补偿等因素对于结果的干扰。

气体传感器选择电化学气体传感器(三电极)模组,它以线性输出的优势从诸多传感器中脱颖而出。电化学气体传感器测量的气体在电极处的氧化量决定着电流量的大小。所以,在实际过程中,气体扩散是否通畅决定着气体量是否充足,呈现出传感器正比于气体浓度的线性输出的结果[13]。

2 设计算法

本文旨在进行精确的场景识别,通过设计算法对室内外环境进行区分。本算法设计的核心在于通过测量室内外的温湿度,对比采集到的数据的差异,区分不同的场景,实现环境切换的实时识别[14]。

(1)将m条不同的传感信息构建成m维度传感信息的时间序列S[m][ti]。此次算法研究主要需要温度及湿度信息,所以可以建立以下的二维传感信息时间序列。

(2)构建参考传感信息时间序列。参考序列是从气象网站上获取的实时的天气信息(温度和湿度)构成的时间序列。

(3)构建差值传感信息时间序列D[m][ti],m＝1,2,为传感信息时间序列与参考信息传感信息序列差的绝对值。

对于某种特定气体的探测,在采用对应吸收波长的滤光片之外,设置一个在较宽的范围内具有平坦透过特性的滤光片(例如CaF2滤光片),以分别形成探测通道和参比通道。根据Beer-Lambert 定律,探测通道的电压信号与待测气体浓度的关系为:

参比通道的关系式为:

式中:ugas、uref分别为探测通道和参比通道的电压信号；Pgas、Pref分别为探测通道和参比通道的电压相应率；Cgas、Cref分别为探测通道和参比通道的滤光片的特性参数。

当待测气体浓度c＝0 时:

式中:K0是探测器的固有特性,可以近似看作一个常数。定义系数F为:

式中:k表示单位浓度,单位厚度的吸光度；c表示浓度,l表示厚度。

则有:

从而可以算出待测浓度。

3 工作原理

3.1 数据采集

本文数据采集单元以前置的方式采用“多合一”贴片式传感器模组,如图3 所示,由包括气体[6]、温湿度、生命体征监测等多种数据传感器组成。

图3 贴片式传感器模组

温湿度传感器:采用数字式传感器,在温湿度传感器技术和数字采集技术的基础上,对环境温湿度参数进行实时采集,并且对输出信号进行校准,大大提高了信号的准确度,具有极高的可靠性和稳定性,响应迅速,抗干扰能力强,并且体积轻小、连接方便；气体传感器:本传感器通过电化学气体传感器(三电极)模组,同时内部设有氧气、一氧化碳等其气体探测元件。具有高分辨、高灵敏和抗干扰等特点；生命体征传感器:基于高精度光学模块,测量血压、心率等功能值,评估人体的健康状况,体积小、成本低、测量精准。相关技术指标如表1 所示,1 ppm＝10-6。

表1 技术指标

3.2 数据处理与转换

本文实现对作业环境温湿度、气体、生命体征等参数的检测以及与后台的无线数据传输及控制。选择8～32 位高性能单片机作为系统控制内核,实现数据的处理与转换、无线传输、工作指令的发出。单片机体积小、功耗低、扩展灵活,主控模块内置模数转换器,AGC 信号放大电路。通过16 位的数据总线实现数据高效率传输。单片机其内部还包括ROM 及静态RAM、串口、ADC 和DAC、内部时钟、DTMF 发生器等功能。

探测器在5 V 左右的电压下工作,流过的电流不能超过5 mA,可在温度为零下20 ℃至零上50 ℃,湿度为15%～90%的无凝结环境下工作,可在5 s 内响应,一般地,在有害气体超过51×10-6的时候会对人体造成损害,探测器装置会根据人的心率以及血压,适当提早报警。

3.3 无线通信

根据电网有限空间作业应用场景,本文设计无线通信模块,同时支持蓝牙[7]无线通信方式,满足无线数据的收集与传输的要求。在4G 模块中插入SIM 卡,基于MQTT 数据传输协议,经4G 无线数据网将采集到的数据传至后台服务器。蓝牙方式作业时,通过蓝牙模块[8]与现场作业人员手机端APP 进行通信,上传显示实时数据。

图4 蓝牙模块工作方式

3.4 声光报警

声光报警模块包含蜂鸣报警器、LED 显示灯和连接电路,如图5 所示。其中声光报警模块与单片机相应管脚进行连接,当传感器探测到异常数据后,反馈至单片机中央控制单元,由单片机控制声光报警模块工作,当检测有害气体浓度超过0.5%时,蜂鸣器能够及时响应,并持续报警,伴随LED 灯光闪烁。

图5 声光报警电路

4 APP 系统及配套装置使用流程

4.1 隐患感知子系统

作用是方便安全管理人员即时获取电力场景密闭空间相关状态与告警。系统可视化界面实时显示密闭空间内的气体状态、门开闭状态、通风设施运行状态、人员作业状态、各类告警、作业申请与审批以及相关数据汇总。

4.2 作业申请与审批子系统

作用是实时审批作业人员提交密闭作业空间作业申请,记录电力场景密闭空间作业的时间、地点及人物等相关信息。

(1)根据作业人员填报的个人基本信息以及电力场景密闭空间各气体浓度情况,自动判断工作人员可否进入。

(2)申请人按照实际作业需求真实填写小组人数、作业负责人、小组工作人员、作业类型、预计时长以及作业内容等相关申请内容。

4.3 告警处理子系统

作用是为安全事件数据分析提供数据支撑。将事件安全告警与结果输入管理系统。负责人员在系统告警处置完成后应及时填写处置原因、处置结果、处置方式。便于管理人员汇总分析并进行针对性管理。同时,供上级管理机构根据实际情况进行安全整治或安全宣传教育,降低类似安全事故的发生概率,避免类似问题在其他密闭作业空间重复发生。主要内容包括:处置时间、处置地点、处置内容、告警原因、告警人、告警方式、结果、完成时间、审核人。

4.4 数据汇总分析子系统

作用是提供一个时间段内各密闭作业空间安全管理工作的告警级别与相应时间段信息、告警发生地点与相应时间段信息、告警内容与相应地点信息、告警时间段分布与相应数量信息、作业数量与告警数量信息作业数量与告警时间段对比汇总等相关信息给本级管理人员及上级管理机构,帮助相关人员及时掌握密闭空间安全管理工作的质量或主要问题。为本级管理人员及上级管理机构规划今后密闭作业空间管理工作重点内容提供有力的客观数据支撑。

4.5 分级管理平台

作用是根据电力场景密闭作业空间不同管理层级的管理需求,对感知数据、安全事件数据、处置汇总数据进行分级、分类汇总与呈现,以满足不同管理层级的管理重点需求。

(1)三级平台-密闭作业空间本级管理人员与机构作用:电力场景密闭空间感知管理、电力场景密闭空间作业申请与审批管理、电力场景密闭空间告警与处置反馈管理、电力场景密闭空间数据汇总。

(2)二级平台-密闭作业空间所属上级管理人员与机构作用:将每个电力场景密闭管理安全系统的感知数据、作业申请审批数据等相关数据对接传输至区域指挥中心系统。以利于区域指挥中心管理本区域所辖所有相关电力场景密闭空间安全管理工作态势与质量。同时区域指挥中心可根据告警与突发时间的处置反馈结果提出相关指导性工作意见或整治要求。

(3)一级平台-企业总部应急监控指挥中心作用:二级区域指挥中心将本机构指导性意见或整改要求,连通二级区域指挥中心汇总的所辖各电力场景密闭空间感知数据、作业申请审批数据等对接传输至集团指挥中心。为电力场景密闭空间安全工作态势与问题提供客观及有效的数据支撑。

4.6 配套装置使用流程

作业人员穿着智能可穿戴装置工作时,在作业现场上传实时坐标位置,通过生命体征检测模块[14]采集人体血压、心率等生命体征数据,合格后,方可进入作业现场内部。进入作业现场内部采集实时环境温湿度、有毒有害气体[11]、可燃气体、氧气浓度、二氧化碳浓度等数据,通过无线网路或局域网传输到监测平台,或者通过蓝牙装置[15-16]传送到手机应用端。当环境中某一参数超过阈值范围,立即进行状态显示异常告警和蜂鸣报警,此时后端监督人员可监测到异常报警信息[18],并与现场作业人员通过手机APP 进行实时通话,实现远程指挥。

图6 系统工作流程图

5 实验

由于光源调制频率会对传感器的响应产生影响,以二氧化硫、甲烷以及混合参比气体为例,选用特定的毫秒级红外灵敏材料的固有特性热时间常数,测试传感器在不同调制频率下的信号幅值,如图7所示。实验显示,在低频范围内,传感器具有出色的响应能力。

图7 输出信号幅值与频率的关系

对甲烷和二氧化硫两种气体以及混合参比气体进行探测,调整调制频率为1.2 Hz、峰值值为3 V,直流偏置为＋1 V,得到如图8 所示的稳定波形时域信号图。

图8 不同调制光源下的响应能力

根据Beer-Lambert 定律,将探测器输出信号与气体浓度联系起来,配置不同浓度的标准浓度气体,采用三个数据点获得计算所需关键参数。利用Beer-Lambert 定律拟合传感器对三种不同浓度的甲烷气体灵敏度数据,得到如图9 所示的拟合结果。

图9 不同气体浓度下的响应能力

以朗伯比尔定律为依据,将传感器对甲烷响应的信号输出与气体浓度关系进行拟合,在实际测试中,可以根据测得的电压信号获得二氧化硫的实际浓度信息,传感器对二氧化硫的信号与浓度的关系如图10 所示。

图10 传感器对不同浓度二氧化硫的响应能力

利用各种待检气体的不同浓度标准气体,分别在不同的测量范围内进行多次实验,试验结果如表2 所示。

表2 误差范围

6 实验设施

实验中采用以带有铱-钯叉指电极的陶瓷片为衬底的平板式厚膜湿度传感器,湿敏元件的陶瓷基底与气敏元件的陶瓷基底类似,尺寸上略有不同。

首先用乙醇和去离子水对陶瓷基底进行超声波清洗,然后在70 ℃的干燥室中干燥。然后,称取适量敏感材料放入玛瑙研钵中,加入适量去离子水,调制成均匀浆料。用细毛刷蘸取少量浆料,均匀涂覆在陶瓷片上,覆盖整个叉指电极部分,厚度均匀适当,自然阴干备用。图11 为实验制得的湿度传感器件示意图。经过老化后,用智能湿度传感器分析系统对制作完成的气体传感器进行湿敏性能测试。

图11 湿度传感器

连接并调整好传感器、实验板、实验台电源与显示仪表后,在如图12 所示的SET3000 传感器装置实验环境下将调理电路调谐好,并将对传感器输出调零,然后逐步加载并记录实验数据。在实际中采样读取稳定时间较长的数据来减小由于电磁干扰或数显表采样芯片的误差。

图12 SET3000 传感装置实验环境

虚拟仪器系统由传感器、实验板、采集卡与运行虚拟程序的计算机组成,采用美国国家仪器公司(NI)采样速率为1.25 MSample/s 的16 位分辨率数据采集卡USB6253,系统开发平台选用图形化编程语言LabVIEW2019 版。

实验者操作的用户界面包括实验项目、通道配置、定时采样、数据记录、比较分析五个部分,其中比较分析包括表格对比与曲线比较两种形式。用户界面如图13 所示,物理通道选项从连接的采集设备选择接线通道,信号端配置选用差分方式。

图13 仪器系统用户界面

选定实验项目,最大值与最小值用于限定该实验项目输入信号的幅值,偏置调节用于系统调零,读数暂停控件用于逐次读取传感器数据,系统性能分析用于比较两种实验系统性能指标。

用采集卡将调理电路输出显示在虚拟仪器系统,可以采用偏置补偿与读取缓冲区数据平均的方法分别减少调零环节、实验台读数估读偏差。数据缓冲区数据取平均值作为偏置值,用于减少传感器与调理电路的零点误差。每次循环将读取的数据求和,并取平均值作为测量数据,可以减少数据波动对读数的影响。

7 结论

本文设计了一种电网工程作业可穿戴环境监测及报警系统,对系统整体结构、各个模块的功能及硬件选择以及系统工作流程进行了介绍。根据系统应用的场景和基本工作流程,结合模块化设计理念,本文设计的智能感知装置可实现便携式可穿戴要求,用于实时感知周边环境作业风险,具有可行性和实用性,对于其他场景的环境监测具有一定的借鉴意义,也有着广阔的应用前景。