路面積水帶電實時在線監(jiān)測系統(tǒng)設計*

龔正平 杜海江 江志偉

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路面積水帶電實時在線監(jiān)測系統(tǒng)設計*

龔正平 杜海江 江志偉

（中科院廣州電子技術有限公司）

基于現(xiàn)有的漏電檢測儀和水浸檢測儀等無法有效指示路面積水帶電，設計了路面積水帶電實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過安裝于燈桿下部的1#電極和燈桿附近地面的2#電極，不間斷監(jiān)測路面積水帶電情況。危險發(fā)生時，系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光告警信號，并通過物聯(lián)網(wǎng)通訊技術將積水帶電信息傳送至遠程監(jiān)控中心，及時切斷燈桿供電，消除安全隱患。該系統(tǒng)采用太陽能供電，超低功耗設計，監(jiān)測采集系統(tǒng)和漏電回路光電隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

積水帶電；在線監(jiān)測；OneNET平臺

0 引言

在城市道路照明系統(tǒng)中，燈桿因路面積水導致水體帶電已成為一個難以及時發(fā)現(xiàn)和解決的棘手問題。防止燈桿漏電的常規(guī)方法是在燈桿本地加裝漏電保護器和斷路器，或在路燈控制終端加裝回路電流檢測裝置。但燈桿水浸超出檢修口安全設計高度時，漏電保護器會失效，供電回路裸露或破損部位就會出現(xiàn)漏電[1]。燈桿控制中心因線路長、距離遠而導致回路電流信號采集時常失準。因此，燈桿水浸漏電導致水體帶電襲人事件時有發(fā)生，嚴重危害過往行人的生命安全，處置不當甚至對公共安全造成較大的不良影響。

針對上述問題，本文設計一種新型實用的路面積水帶電監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代電子元器件結合微控制器技術，通過光電信號隔離器，實時探測燈桿在路面水浸時的漏電情況，且水體帶電超限值時聲光告警。監(jiān)測裝置與遠程監(jiān)控終端通過物聯(lián)網(wǎng)通訊技術進行數(shù)據(jù)交互，危急情況下能及時切斷燈桿供電，消除安全隱患。

1 系統(tǒng)工作原理

城市燈桿一般在離地面30 cm處設有一檢修口，線路轉接頭、熔斷器和漏電保護器等均轉接于此，燈桿部件安裝平面結構示意如圖1所示。燈桿長時間運行會出現(xiàn)線路老化、燈具絕緣失效和漏電保護故障等問題，一旦遭遇潮濕或水浸，漏電就在所難免。當路燈檢修口遭遇水浸時，線路轉接頭A就成了漏電中心點，積水和路面會形成一個以A點為中心的電勢分布區(qū)域。一旦人體進入距離A點8 m~10 m范圍內時，就會發(fā)生觸電事故。此情況下，熔斷器和漏電保護器即使動作也無法起到保護作用，只要路燈整體供電不切斷，危險就持續(xù)存在[2]。本文設計的水體帶電采集裝置，通過預設電極模擬人體觸電時跨步電壓的分布采集；漏電現(xiàn)場和采集系統(tǒng)在電氣上完全隔離，有效提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性；采用獨立的太陽能供電，無需從燈桿供電處取電，能保證監(jiān)測裝置在任何漏電情況下均能正常獨立工作，不受干擾。

1 —太陽能板 2 —漏電監(jiān)測控制箱 3 —1#電極 4 —2#電極 5 —燈桿 6 —檢修口 7 —漏電保護器 8 —電線接頭 9 —電纜線10 —地腳螺栓 11 —地面

2 電路設計

整個電路系統(tǒng)包括信號轉換采集單元、微控制器單元、聲光告警單元、網(wǎng)絡通訊單元、太陽能供電單元和遠程監(jiān)控終端等模塊。系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

2.1 信號轉換采集單元

圖3 漏電勢分布曲線

在相距距離為Δ的B、C兩電極之間會產(chǎn)生電勢差Δbc。漏電采集電路如圖4所示。根據(jù)歐姆定理可得

1=Δbc/1 (1)

2=Δbc/2 (2)

其中，1=1+2+3+4；2=5+6+7+8。

圖4 漏電采集電路

2.2 微控制器單元

選用超低功耗16位混合信號處理器MSP430- G2553為主控制器?？刂破鞒送瓿陕╇娦盘柕牟东@外，還負責聲光告警控制和信號傳輸功能。漏電信息通過串行通訊口發(fā)送至通訊模塊，并及時傳送至遠程的燈桿控制終端。

2.3 聲光告警單元

采用超高亮度三色LED光源作為系統(tǒng)告警燈，爆閃輸出控制可在減少電力消耗的情況下取得最好的警示效果。采用1 A電流的高音報警喇叭能將告警聲響提升到100 dB以上，滿足15 m以上警示距離要求。

2.4 網(wǎng)絡通訊單元

系統(tǒng)采用BC95物聯(lián)網(wǎng)模塊作為對外通訊的無線交換接口，其具有功耗低、廣覆蓋、低成本、大容量、高可靠和高安全性等優(yōu)勢；采用標準串行通訊模式，能方便地和系統(tǒng)控制器對接。物聯(lián)網(wǎng)模塊可通過Coap+LWM2M等協(xié)議連接就近NB基站，進而將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到用戶指定的數(shù)據(jù)云平臺，如移動的OneNET平臺。

2.5 太陽能供電單元

系統(tǒng)采用太陽能自供電方式，利用蓄電池充電控制芯片CN3717（具有寬輸入、恒流充電、過充保護及充電電流可設等多種功能），確保蓄電池的安全可靠。低壓差線性穩(wěn)壓器LT3083給系統(tǒng)提供了優(yōu)質的直流電源，輸出電源噪聲低至40 μVrms，輸出電流可達3 A，能給危急情況下信號指示燈和喇叭提供充足的驅動。以告警狀態(tài)下系統(tǒng)消耗5 V電壓、3 A電流計算，一個電壓12 V容量40 AH的蓄電池，能保證危急告警狀態(tài)下系統(tǒng)24 h的電力消耗?？紤]到常規(guī)狀態(tài)下系統(tǒng)消耗電流遠小于1 A，因此配置一塊60 W、電壓為17.4 V的非晶硅太陽能電池，即可保證系統(tǒng)全天侯實時監(jiān)測。

2.6 遠程監(jiān)控終端

用戶在OneNET平臺注冊登陸，建立物聯(lián)網(wǎng)專用的EDP增強協(xié)議產(chǎn)品，用戶終端應用程序在創(chuàng)建設備后，可通過OneNET平臺提供的SDK接口函數(shù)訪問云數(shù)據(jù)及執(zhí)行遠程監(jiān)控[5]。應用軟件記錄分析燈桿現(xiàn)場的信息狀態(tài)，異常情況下能將信息傳送到路燈控制中心，及時切斷電源，保證過往行人及車輛安全。燈桿漏電信息采用現(xiàn)場主動上報方式，無安全隱患時定時報送平安信息，設備失聯(lián)時，檢修人員應及時到達現(xiàn)場查明情況。

3 結語

本文設計的路面積水帶電實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用太陽能自供電方式，能脫離燈桿供電獨立工作，采集系統(tǒng)和漏電回路光電隔離，最大程度上保證監(jiān)測系統(tǒng)的安全可靠。無源電極漏電探測方法的運用，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有較大的推廣應用價值。除燈桿外，也能應用于各類戶外用電設備的潮濕或水浸狀態(tài)下監(jiān)測，如交通崗亭、公交站臺、廣告燈箱和各類高低壓變電設施等，尤其適用于道路燈桿水浸黑點，可在不改變原有結構基礎上增加漏電監(jiān)測功能，具有較大的實用推廣價值。系統(tǒng)能監(jiān)測各環(huán)境下的真實漏電情況，尤其在潮濕下雨或水浸情況下的燈桿漏電，從而及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，最大程度上保證過往行人和車輛的安全。

[1] 李學軍,陳蒙超,鄭佳賓,等.信號燈桿的漏電原因及保護對策淺析[J].道路交通管理,2015(12):30-31.

[2] 王自,張曉英,楊忠,等.路燈漏電保護器的研制[J].電工技術，2000(1):30-31.

[3] 薛亮.金屬燈柱的漏電保護及處理[J].山西建筑,2003,29(1): 113-114.

[4]GB/T 13870.1-2008.電流對人和家畜的效應第1部分：通用部分[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5] 汪楠,莫德清,韓劍.基于OneNET云平臺的pH在線檢測儀[J].桂林電子科技大學學報,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

龔正平（通信作者），男，1972年生，本科，機電工程師，主要研究方向：電子測控及工業(yè)自動化。E-mail: Duhj88@163.com

2015廣東省重大科技專項（2015B010126002）；2017廣東省重大科技專項（2017B030306017）；2017 廣東省產(chǎn)學研合作項目（2017B090901040）。