光伏及無(wú)線技術(shù)在城市電纜溝安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探索

李明春（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

光伏及無(wú)線技術(shù)在城市電纜溝安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探索

李明春（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

隨著城市化節(jié)奏的日益加快及居住人群的急劇增長(zhǎng)，滿足居民生活所必須的基礎(chǔ)設(shè)施需求也顯著增加，與此相關(guān)的城市電纜溝數(shù)量及總里程也隨之急速增長(zhǎng)。而電纜溝因其線路類型多、空間密閉、易積聚有毒有害及可燃?xì)怏w等特點(diǎn)日益成為危害城市人民生活的一大安全隱患。利用現(xiàn)有的固定式數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)存在著投入成本高、維護(hù)困難等系列難題，為解決以上問題，本文提出利用光伏供電、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市電纜溝安全隱患狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與就地處理功能。

光伏供電；低功耗；無(wú)線測(cè)量；氣體采集；安全監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳輸

引言

目前國(guó)外廣泛采用共同溝管廊技術(shù)實(shí)現(xiàn)水、電、氣、通信設(shè)施的入溝管理，但國(guó)內(nèi)目前仍大量使用電纜溝實(shí)現(xiàn)水、電、氣、通信設(shè)施的埋設(shè)處理，由于受城市地下環(huán)境及條件限制，電纜溝中的燃?xì)夤芫€、電力線路、用水管路無(wú)法獨(dú)立成溝，各管路與線路之間經(jīng)?；ハ嘟徊妫坏┕芫€或管路破損將滲透到其它管路或管線中形成嚴(yán)重安全隱患，若遇火花或熱源時(shí)極易發(fā)生爆炸，在檢修井蓋或其它連接處泄漏到地表對(duì)行人造成嚴(yán)重安全威脅。本文即是探討此種環(huán)境下數(shù)據(jù)信息的采集及設(shè)備供電問題，其主要原理是利用氣體傳感、狀態(tài)感知、液位探測(cè)、電量測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜溝內(nèi)的環(huán)境信息探測(cè)，然后通過無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至調(diào)度中心的中心站軟件，相關(guān)設(shè)備的供電由光伏技術(shù)解決，以此徹底解決現(xiàn)有固定式采集技術(shù)成本高、建設(shè)耗時(shí)、維護(hù)困難等問題，此種技術(shù)成功應(yīng)用后可解決目前電纜溝存在的安全隱患問題，具有極大的實(shí)際意義和社會(huì)價(jià)值。

1 光伏供電技術(shù)

光伏供電技術(shù)其實(shí)質(zhì)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一整套技術(shù)，具體包括太陽(yáng)能板模塊二次開發(fā)技術(shù)、電能采集控制轉(zhuǎn)換技術(shù)、充電控制技術(shù)、防過充防過放技術(shù)、蓄電池模塊二次開發(fā)技術(shù)，綜合以上技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能的能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過蓄電池蓄能后能穩(wěn)定輸出24VDC供后端采集模塊使用。在充放電部分需要解決的兩個(gè)主要問題是過充及過放問題，過充方面指在太陽(yáng)光較強(qiáng)烈時(shí)需要使用限壓技術(shù)確保向蓄電池充電時(shí)不能超過限定最高電壓，而在太陽(yáng)光較弱時(shí)需要使用升壓技術(shù)確保提供給蓄電池的充電電壓不能低于限定最低電壓；過放方面指在蓄電池本身電量不足時(shí)不能向后端用電模塊持續(xù)供電，否則將會(huì)對(duì)蓄電池造成永久損害而導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)正常使用，即在蓄電池本身電量不足時(shí)控制電路能關(guān)閉其它非必要的用電模塊，在低于蓄電池的放電警界電量時(shí)控制電路能切斷其后端輸出，當(dāng)蓄電池電量恢復(fù)至最低電量以上時(shí)才恢復(fù)其后端電量輸出。

1.1 數(shù)據(jù)采集前置信號(hào)放大處理技術(shù)

電纜溝環(huán)境中檢測(cè)各種氣體［2］（如O2、CO2、CO、H2S、SO2、NO2）、狀態(tài)、液位、電量數(shù)據(jù)時(shí)，從傳感器接收的原始信號(hào)比較微弱，不能夠滿足AD轉(zhuǎn)換器直接采樣的要求［3］，故需要對(duì)傳感器接收的原始信號(hào)進(jìn)行前期處理（如信號(hào)放大、濾波、去噪、消除干擾等），經(jīng)過以上處理后將二次信號(hào)交AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣即能分析計(jì)算出電纜溝環(huán)境中各種真實(shí)數(shù)據(jù)值。

1.2 低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

低功耗設(shè)計(jì)其目的是為了降低設(shè)備的單位功耗，而降低功耗主要指降低后端采集模塊的功耗，根據(jù)電纜溝的使用環(huán)境可以采用兩種技術(shù)降低采集模塊的功耗。①間隙式工作技術(shù)，即采集模塊工作一段時(shí)間后由CPU控制進(jìn)入休眠狀態(tài)，在休眠狀態(tài)時(shí)采集模塊只消耗極少的電量以維護(hù)待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)休眠時(shí)間結(jié)束時(shí)由定時(shí)器喚醒采集模塊再次進(jìn)入工作狀態(tài)，通過靈活設(shè)置工作狀態(tài)和休眠時(shí)長(zhǎng)可節(jié)省50～80%的電量。②各種元器件選擇功耗小或具備主動(dòng)能源管理功能的器件，如CPU選擇工作頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整的器件，即需要器件全速處理時(shí)即進(jìn)入高速運(yùn)算模式，只需器件作簡(jiǎn)單運(yùn)算處理時(shí)即進(jìn)入低速模式，以此可以節(jié)省10～50%的電量。綜合以上兩種節(jié)能降耗模式可以將整個(gè)設(shè)備的功耗降低到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的1/3以下，通過低功耗設(shè)計(jì)可以使設(shè)備在連續(xù)數(shù)周陰天情況下保持正常運(yùn)行。

1.3 高效率光伏轉(zhuǎn)換利用技術(shù)

目前常用的光伏技術(shù)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能后儲(chǔ)存于蓄電池中，由蓄電池統(tǒng)一供給后端用電模塊，此種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，存在的缺點(diǎn)是頻繁向蓄電池充放電會(huì)極大影響蓄電池的使用壽命［5］。針對(duì)此種情況提出一種蓄電池充用分離設(shè)計(jì)技術(shù)，即在太陽(yáng)光較充足時(shí)將電能儲(chǔ)存于蓄電池中的同時(shí)直接向后端用電模塊供電，只有在太陽(yáng)光微弱時(shí)才由蓄電池向后端用電模塊供電。此種方式需要解決太陽(yáng)能板輸出電壓波動(dòng)較大不能滿足后端用電模塊的用電穩(wěn)定性要求的問題，解決方式是配置大容量電容以滿足后端用電設(shè)備對(duì)供電端的要求。由于電容具有充電時(shí)間快、放電特性穩(wěn)定、充電次數(shù)不受限制等特點(diǎn)，可以解決蓄電池頻繁充電帶來(lái)的儲(chǔ)電性能及使用壽命下降問題。通過以上設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)方式其充放電次數(shù)減少了一半以上，提高了光伏轉(zhuǎn)換利用效率。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)

城市電纜溝經(jīng)常布置在城市道路之下，傳統(tǒng)有線方式要采集電纜溝中的各種環(huán)境數(shù)據(jù)需要布設(shè)各種電纜及通信線纜，但由于電纜溝中環(huán)境惡劣接電不便［4］，造成傳統(tǒng)有線固定式采集方式布設(shè)困難維護(hù)不便。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可采用無(wú)線傳輸將信號(hào)傳輸至調(diào)度中心。具體實(shí)現(xiàn)方式是采集設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度、液位高度、線纜溫度、煙霧濃度、電量等數(shù)據(jù)，然后通過專用處理電路運(yùn)算分析后顯示在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的顯示屏上，當(dāng)有數(shù)據(jù)超限報(bào)警時(shí)能驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的控制設(shè)備完成關(guān)聯(lián)設(shè)備的控制，然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)通過無(wú)線模塊發(fā)送至調(diào)度中心，調(diào)度中心接收到數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算分析后進(jìn)行報(bào)警及存儲(chǔ)處理。

無(wú)線傳輸?shù)膫鬏斝Ч麑?duì)環(huán)境有相應(yīng)要求，電纜溝內(nèi)的環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸有以下幾方面影響：電纜溝內(nèi)的電力線纜對(duì)無(wú)線信號(hào)的電磁干擾［1］、電纜溝壁的多徑干擾影響無(wú)線信號(hào)傳輸速度及距離、電纜溝上層地表的大型建筑干擾無(wú)線信號(hào)傳輸。在設(shè)計(jì)無(wú)線發(fā)送功能模塊時(shí)需考慮以上多方面因素，同時(shí)可將天線設(shè)計(jì)成可伸縮式設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)送接收效果。

城市電纜溝內(nèi)無(wú)線傳輸需要解決的其它難題主要是多個(gè)無(wú)線終端設(shè)備在傳輸信號(hào)時(shí)的碰撞處理，即在同一時(shí)刻有可能有多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備在同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，針對(duì)此種情況需采用碰撞處理算法解決，即監(jiān)測(cè)設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先偵聽網(wǎng)絡(luò)情況，只有當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)才開始發(fā)送信號(hào)，一旦某監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送出去的信號(hào)與其它監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送的信號(hào)發(fā)生碰撞沖突時(shí)，所有監(jiān)測(cè)終端均停止發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)每個(gè)監(jiān)測(cè)終端暫停一段隨機(jī)時(shí)間后再次偵聽并嘗試發(fā)送，如果再次發(fā)送信號(hào)仍然發(fā)送碰撞則繼續(xù)暫停一段更長(zhǎng)的隨機(jī)時(shí)間，以此解決多終端發(fā)送信號(hào)時(shí)的碰撞問題。

3 采集處理與顯示分離設(shè)計(jì)技術(shù)

城市電纜溝處于地表以下，光伏供電需要將太陽(yáng)能板置于地表以上能見到太陽(yáng)光的位置，而環(huán)境數(shù)據(jù)采集則需要將相應(yīng)的探頭置于地表以下的電纜溝中，針對(duì)此種情況需要將采集處理模塊置于地表下部的電纜溝中而將顯示供電置于地表以上，地表以上的顯示供電部分與地表以下的采集處理部分通過4芯電纜連接，其中2芯供電另外2芯傳輸數(shù)字信號(hào)?？蓪⑵浞殖傻乇盹@示供電傳輸與地下的采集處理控制兩部分，地下采集處理控制部分負(fù)責(zé)各種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集處理及就地控制，所有數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號(hào)傳輸至地表顯示供電傳輸部分，地表部分需顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)信息解碼后通過顯示屏展示出來(lái)，同時(shí)將所有需上傳的數(shù)據(jù)通過無(wú)線傳輸模塊發(fā)送出去。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

4.1 應(yīng)用概述

電纜溝內(nèi)各種線纜類型眾多，同時(shí)部分區(qū)域降雨量頻繁故溝內(nèi)潮濕易結(jié)霧，針對(duì)此種情況地表以下采集處理控制部分需要將防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)成IP68以上級(jí)別才能滿足實(shí)際使用要求，由于地表與地下部分存在連接電纜，為實(shí)現(xiàn)以上防護(hù)級(jí)別在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可將電纜以澆封方式實(shí)現(xiàn)全密封。同時(shí)地表部分需設(shè)計(jì)電源指示、無(wú)線信號(hào)指示、蓄電池充電指示、蓄電池剩余電量指示等功能以方便維護(hù)人員使用查看。

4.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

電纜溝安全監(jiān)測(cè)從設(shè)備及應(yīng)用層面主要包括現(xiàn)場(chǎng)采集傳輸設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、調(diào)度中心軟件等幾部分。此種設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)清晰同時(shí)易于擴(kuò)展，當(dāng)需要新增測(cè)點(diǎn)時(shí)只需要在現(xiàn)場(chǎng)增加監(jiān)測(cè)設(shè)備即可，設(shè)備安裝完畢后會(huì)自動(dòng)將新測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心，上位機(jī)軟件會(huì)根據(jù)新增測(cè)點(diǎn)發(fā)送的定位信息直接在地圖上定位并顯示新增測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及技術(shù)實(shí)現(xiàn)上探討了利用光伏及無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜溝安全監(jiān)測(cè)的可行性及實(shí)用性，此項(xiàng)技術(shù)較傳統(tǒng)通用方式極大提高實(shí)用性的同時(shí)降低成本，在大面積推廣后可以解決目前電纜溝中的安全隱患問題，對(duì)于提高城市居民生活安全性以及低碳目標(biāo)具有顯著的推廣價(jià)值。

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TM755

A

2095-2066（2016）28-0065-02

2016-9-18

李明春（1981-），男，漢族，重慶人，工程師，從事工業(yè)及礦山安全成套技術(shù)研究工作，主要從事安全監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件、嵌入式軟件的研究。