基于LoRa技術(shù)的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳進(jìn) 李巖 李智 甘偉良

關(guān)鍵詞 深基坑 氣體智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)告警 隨身式

1工程概況

國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司負(fù)責(zé)實(shí)施重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程，該工程可以提高重慶市主城區(qū)220kV 變電站供電的穩(wěn)定性，滿足圣泉、熬山、柏樹(shù)堡、雙山片區(qū)用電負(fù)荷增加的需要。因重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程跨越市區(qū)，且隨著城市建筑業(yè)向高層、大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展和地下空間開(kāi)發(fā)的逐步深入，增加了施工環(huán)境及地下管線的復(fù)雜性，以及深基坑本身地勢(shì)較低、通風(fēng)環(huán)境較差等特點(diǎn)，在其坑道內(nèi)可能存在一些對(duì)人體有害的氣體，如CO，CO2，H2S 和CH4。據(jù)調(diào)查，在實(shí)際建筑深基坑的施工中出現(xiàn)的安全事故，其中因?yàn)槭┕み^(guò)程中的有毒有害氣體中毒事故占了大多數(shù)[1] 。為保障重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程施工人員安全，提高施工管理效率，項(xiàng)目參與技術(shù)人員研究出了技術(shù)先進(jìn)的基于LoRa 技術(shù)的隨身式氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2技術(shù)比較

2.1無(wú)線傳輸技術(shù)

由于施工場(chǎng)地的復(fù)雜性和臨時(shí)性，鋪設(shè)傳輸線路并不現(xiàn)實(shí)且成本較高，氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要依靠無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳送。目前使用得最多的無(wú)線傳輸技術(shù)包括藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee 技術(shù)、LoRa 技術(shù)等。

2.1.1藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的相對(duì)成熟的無(wú)線電技術(shù)，其可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和聲音傳輸同時(shí)管理，價(jià)格相對(duì)便宜、安全性高，由于通過(guò)跳頻擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行傳播，還具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

一般藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸距離較短，目前，普通藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸工作距離為10 米左右。但深基坑等地底作業(yè)障礙物多，在此環(huán)境下藍(lán)牙技術(shù)的有效信號(hào)傳輸距離將進(jìn)一步縮短，穩(wěn)定性也會(huì)降低，且施工場(chǎng)地安裝基站成本較高，藍(lán)牙技術(shù)并不適用。

2.1.2ZigBee 技術(shù)

ZigBee 也稱紫蜂，是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無(wú)線通信技術(shù)。目前，其廣泛應(yīng)用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種傳感器、控制器等設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但對(duì)于深基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)，需要在作業(yè)期間不間斷的傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)告警并將作業(yè)人員疏散離場(chǎng)才是重中之重，故近距離傳輸?shù)腪igBee 技術(shù)并不適用于深基坑氣體隨身式智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及告警系統(tǒng)。

2.1.3LoRa 技術(shù)

LoRa 技術(shù)（Long Rang）是一種能滿足低功耗、超長(zhǎng)距離要求的強(qiáng)抗干擾能力通信的無(wú)線窄帶擴(kuò)頻通信技術(shù)，LoRa 技術(shù)的出現(xiàn)大幅度改善了無(wú)線傳輸技術(shù)的接收靈敏度[2～3] 。

綜合對(duì)比，LoRa 技術(shù)更加適用于環(huán)境復(fù)雜、障礙物多的深基坑無(wú)線信息傳輸。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)架如圖1 所示。

2.2.1前端傳感器采集模塊

前端傳感器采集模塊包括身體特征探測(cè)模塊、氧氣傳感器、甲烷傳感器、硫化氫傳感器、一氧化碳傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工人員的血氧心率、舒張壓、收縮壓以及監(jiān)測(cè)施工人員作業(yè)區(qū)域環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)LoRa無(wú)線傳輸方式將環(huán)境參數(shù)和人員狀態(tài)信息上傳至數(shù)據(jù)集中器。每個(gè)前端采集模塊中還含有重力加速度傳感器，作業(yè)期間當(dāng)施工人員停止不動(dòng)時(shí)，將進(jìn)行告警，非作業(yè)期間模塊停止工作，進(jìn)入低功耗模式。

2.2.2數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器是前端傳感器采集模塊與主機(jī)之間的橋梁，起到參數(shù)信息匯總和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)淖饔谩?/p>

2.2.3系統(tǒng)主機(jī)

主機(jī)分為數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)分析單元和告警單元。數(shù)據(jù)顯示單元實(shí)時(shí)顯示各前端采集模塊的采集參數(shù)，便于管理人員隨時(shí)查看。數(shù)據(jù)分析單元在接收到環(huán)境及作業(yè)人員身體參數(shù)后進(jìn)行算法分析，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，一旦超出閾值則發(fā)出警報(bào)。

主機(jī)的功能較多，具體如下。

（1）設(shè)置功能：可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行深基坑氣體濃度和施工人員身體狀況參數(shù)的閾值設(shè)置、前端傳感器采集模塊傳輸間隔設(shè)置、各設(shè)備報(bào)警觸發(fā)時(shí)間及間隔設(shè)置等。

（2）查詢功能：可隨時(shí)查詢某時(shí)間點(diǎn)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史記錄，可查詢某段時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)氣體濃度的變化趨勢(shì)。

（3）復(fù)位功能：復(fù)位后系統(tǒng)將恢復(fù)到上一次調(diào)整的正常的運(yùn)行狀態(tài)，復(fù)位操作將不會(huì)更改系統(tǒng)的之前的設(shè)置參數(shù)。

（4）自檢功能：主機(jī)可以自動(dòng)檢測(cè)，包括報(bào)警器、LoRa 信號(hào)傳輸模塊、收集參數(shù)的前端傳感器采集模塊在內(nèi)的模塊是否損壞或是否存在異常，以及各模塊之間的信號(hào)傳輸是否正常，當(dāng)監(jiān)測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)將發(fā)出警告

（5）密碼保護(hù)功能：使用多級(jí)密碼保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)置、自檢、復(fù)位、隔離操作前等操作均密碼確認(rèn)，避免了人員誤操的可能。

（6）三級(jí)報(bào)警功能：警報(bào)程度分為三級(jí)，分別是注意、預(yù)警和報(bào)警，每個(gè)級(jí)別的范圍均可以由用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自由設(shè)置。

2.3系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)：所有傳感器及系統(tǒng)主機(jī)均可充電，所有傳感器充電一次保證連續(xù)使用2 天以上，現(xiàn)場(chǎng)管理主機(jī)保證連續(xù)使用7 天以上。

（2）參數(shù)可設(shè)置：現(xiàn)場(chǎng)管理主機(jī)有開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕，主機(jī)界面顯示的監(jiān)測(cè)參數(shù)報(bào)警閾值均可設(shè)置。

（3）功能全面：施工人員意外情況和施工環(huán)境參數(shù)異常情況均及時(shí)報(bào)警，雙重保障施工安全。

（4）報(bào)警方式豐富：分三級(jí)預(yù)警，給予作業(yè)人員和管理人員更多的反應(yīng)和撤離時(shí)間;振動(dòng)提示、聲音報(bào)警等功能齊全，符合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

（5）適用性強(qiáng)：前端采集模塊采集精度高、耗電量小，采用便攜式設(shè)計(jì)，模塊小隨身攜帶且對(duì)施工人員無(wú)影響。設(shè)備既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以支持向上融入基建管控系統(tǒng)。

3現(xiàn)場(chǎng)情況

在重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程線路施工過(guò)程中，基于LoRa 技術(shù)的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到實(shí)際應(yīng)用。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的深基坑作業(yè)環(huán)境參數(shù)（如CO，O2，CH4，H2S 等），施工人員身體特征得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)參數(shù)異常，系統(tǒng)主機(jī)便提醒作業(yè)人員立即撤離施工區(qū)域。

施工作業(yè)人員攜帶前端傳感器采集模塊進(jìn)入工程現(xiàn)場(chǎng)（圖2），前端傳感器采集模塊將深基坑里面的環(huán)境參數(shù)信息、施工人員身體特征信息通過(guò)無(wú)線LoRa方式傳到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器再通過(guò)LoRa 技術(shù)將環(huán)境參數(shù)傳至現(xiàn)場(chǎng)管理主機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)管理主機(jī)經(jīng)過(guò)軟件分析后實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常情況立即告警，提醒作業(yè)人員安全撤離。同時(shí)，施工管理人員能及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，便于采取施救、撤離等緊急措施。為現(xiàn)場(chǎng)施工工作人員的綜合管理（尤其是安全生產(chǎn)）提供可靠保障，意外事故分析提供可靠依據(jù)。

在工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用， “ 前端采集模塊———數(shù)據(jù)集中器”“數(shù)據(jù)集中器———管理主機(jī)”之間無(wú)線LoRa 通信穩(wěn)定、連接良好，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行順暢。模擬深基坑環(huán)境參數(shù)異常、模擬施工人員身體參數(shù)異常時(shí)，管理主機(jī)均能及時(shí)發(fā)出告警信息，基于LoRa 技術(shù)的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4結(jié)論

本文提出基于LoRa 技術(shù)的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用LoRa 無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)隨身式前端傳感器采集模塊采集數(shù)據(jù)，利用主機(jī)分析數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控深基坑等地底作業(yè)人員身體狀況及作業(yè)環(huán)境情況。該系統(tǒng)可有效保障作業(yè)人員安全，減少事故的發(fā)生，且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、成本低，還可與智能終端進(jìn)行連接，管理人員可通過(guò)軟件查看各個(gè)施工場(chǎng)地的實(shí)際情況，發(fā)展前景廣闊，值得推廣。